出口莫桑比克米軌轉(zhuǎn)向架的開(kāi)發(fā)

景建輝， 吳會(huì)超， 李建鋒， 霍文彪， 池茂儒

(1　中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 河北唐山 063035;(2　西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031

?

出口莫桑比克米軌轉(zhuǎn)向架的開(kāi)發(fā)

景建輝1， 吳會(huì)超1， 李建鋒1， 霍文彪1， 池茂儒2

(1中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 河北唐山 063035;(2西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031

唐車(chē)公司為莫桑比克開(kāi)發(fā)研制了一批軌距1 067 mm的米軌客車(chē)。為開(kāi)發(fā)適應(yīng)莫桑比克線路運(yùn)營(yíng)和維護(hù)條件的米軌轉(zhuǎn)向架，首先了解客戶(hù)具體需求、當(dāng)?shù)鼐€路條件和運(yùn)營(yíng)環(huán)境。初步確定轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)，然后利用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模和計(jì)算分析。重點(diǎn)對(duì)一二系懸掛參數(shù)、輪軌間隙、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距和不同線路等級(jí)等各種工況下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能表現(xiàn)進(jìn)行分析優(yōu)化，均衡配置各項(xiàng)參數(shù)，確定優(yōu)化方案。

米軌轉(zhuǎn)向架； 莫桑比克； 動(dòng)力學(xué)模型

相比普遍應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路，米軌鐵路運(yùn)輸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和維護(hù)成本低、小曲線通過(guò)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，目前在我國(guó)云南、臺(tái)灣，以及東南亞、南亞、拉丁美洲和非洲等地區(qū)仍有應(yīng)用，特別是在地形條件惡劣或復(fù)雜地區(qū)仍發(fā)揮著重要作用。我國(guó)分別為國(guó)外提供的米軌轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品主要有客車(chē)(如：馬來(lái)西亞[1]、新西蘭[2]、孟加拉和突尼斯[3]等)、貨車(chē)(如：泰國(guó)[4]、蘇丹和柬埔寨等)和機(jī)車(chē)3種用途，其中貨車(chē)轉(zhuǎn)向架多為3大件式，表1為我國(guó)為國(guó)外提供的米軌轉(zhuǎn)向架部分技術(shù)參數(shù)。

表1　我國(guó)為國(guó)外提供的部分米軌轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

2014年，唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)唐車(chē)公司)為莫桑比克制造一批軌距為1 067 mm(42 in)的米軌客車(chē)車(chē)輛。為了開(kāi)發(fā)適應(yīng)莫桑比克線路運(yùn)營(yíng)和維護(hù)條件的米軌轉(zhuǎn)向架，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先深入了解客戶(hù)具體需求、當(dāng)?shù)鼐€路條件和運(yùn)營(yíng)環(huán)境，初步確定轉(zhuǎn)向架整體總體方案、功能結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)；然后利用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模和計(jì)算分析，重點(diǎn)對(duì)一二系懸掛參數(shù)、輪軌間隙、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距和不同線路不平順度等各種工況下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能表現(xiàn)進(jìn)行分析對(duì)比；針對(duì)各項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)客車(chē)的動(dòng)力學(xué)安全性、舒適性、工藝性等進(jìn)行綜合類(lèi)比，同時(shí)充分考慮到用戶(hù)的線路條件和維護(hù)能力，均衡配置各項(xiàng)參數(shù)，確定優(yōu)化方案。

1　轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)條件

該米軌轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)壽命為30年，滿(mǎn)足以100 km/h速度持續(xù)運(yùn)行20 h的需要。轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架裝置、一系懸掛及輪對(duì)軸箱定位裝置、二系懸掛及搖枕裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等4部分組成，方案見(jiàn)圖1。

圖1　莫桑比克轉(zhuǎn)向架方案

序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1軌距1067mm2最高運(yùn)營(yíng)速度100km/h3軸重≤12.4t4車(chē)體質(zhì)量23噸(空載)/35.2噸(重載)5車(chē)輛定距14500mm6車(chē)輪直徑864mm(新)/804mm(到限)

1.1轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用H形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為S355J2W(H)耐候鋼板和鍛鋼件,構(gòu)架的強(qiáng)度符合UIC515-4《客運(yùn)車(chē)輛后轉(zhuǎn)向架-走行部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)輪采用輪徑為864 mm的整體輾鋼車(chē)輪，執(zhí)行TB/T 2708-96《鐵道客車(chē)輾鋼整體車(chē)輪技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)為CL60鋼，采用LM型踏面外形。車(chē)軸設(shè)計(jì)按TB/T 2705-2010《鐵道車(chē)輛非動(dòng)力車(chē)軸設(shè)計(jì)方法》執(zhí)行，材質(zhì)為L(zhǎng)Z50鋼。軸承的選擇考慮客戶(hù)的線路條件及維護(hù)水平，采用客戶(hù)推薦的自密封圓錐滾子軸承CLASS D(AAR標(biāo)準(zhǔn))，軸承的理論壽命大于300萬(wàn)km。

1.2懸掛方式

一系定位裝置采用類(lèi)似209P轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)柱定位方式，每軸箱設(shè)置兩組鋼制螺旋軸箱彈簧和兩套導(dǎo)柱組成，導(dǎo)柱通過(guò)螺栓緊固于構(gòu)架上。一系設(shè)置垂向彈性止擋裝置，以保證軸簧折斷后行車(chē)安全。由于軸承具有良好的密封結(jié)構(gòu)，且密封性能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)考核，因此軸箱采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。

圖2　一系懸掛及輪對(duì)軸箱定位裝置

二系懸掛方式采用搖動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的枕簧不但起到緩和垂向振動(dòng)作用，而且由于搖動(dòng)臺(tái)吊桿的擺動(dòng)可使轉(zhuǎn)向架具有橫向復(fù)原作用，可緩和來(lái)自水平方向的振動(dòng)和沖擊。4個(gè)搖枕吊桿吊掛在構(gòu)架上，搖枕由耐候鋼板焊接而成。彈簧托梁由Q345B鋼管和由G20Mn5鑄造的兩個(gè)彈簧托梁組焊而成。搖枕裝置上設(shè)置橫向緩沖裝置及縱向牽引裝置(縱向擋)。搖枕中部設(shè)置用于集中承載的下心盤(pán)。在搖枕與彈簧托梁間設(shè)置兩個(gè)油壓減振器，與搖枕彈簧并聯(lián)。搖枕兩側(cè)端部設(shè)置輔助支撐的下旁承。

圖3　二系懸掛及搖枕裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置選用杠桿式雙側(cè)踏面制動(dòng)。閘瓦采用高磷合成閘瓦。移動(dòng)杠桿拉板、拉桿、拉桿吊等采用S355J2W(H)鋼板焊接而成，各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處采用銷(xiāo)孔(襯套孔)小間隙配合，襯套采用奧貝套。設(shè)置閘瓦間隙調(diào)整裝置，車(chē)輪磨耗后能夠調(diào)節(jié)閘瓦與踏面間的組裝間隙。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

2　動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算工況

本文采用SIMPACK動(dòng)力學(xué)模擬軟件對(duì)車(chē)輛進(jìn)行建模分析。車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均為剛體, 不計(jì)其本身的彈性變形，客車(chē)模型由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)構(gòu)架、4條輪對(duì)、8個(gè)軸箱、2個(gè)搖枕等剛體組成，整車(chē)系統(tǒng)共計(jì)52個(gè)自由度。

2.1線路條件和初始結(jié)構(gòu)參數(shù)

莫桑比克境內(nèi)主要為1 067 mm的米軌鐵路線，唐車(chē)公司提供的此批客車(chē)運(yùn)行線路軌頭形狀主要為UIC54型，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　車(chē)輛初始設(shè)計(jì)參數(shù)和線路條件　mm

2.2懸掛參數(shù)

轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能具有關(guān)鍵影響，確定主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步確定各項(xiàng)懸掛參數(shù)，見(jiàn)表4。搖枕橫擺剛度計(jì)入到二系鋼簧的橫向剛度內(nèi)，計(jì)算結(jié)果均為初始參數(shù)狀態(tài)。

表4　主要初始懸掛參數(shù)

2.3計(jì)算工況

輪對(duì)參數(shù)方面主要對(duì)輪軌間隙、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距和輪緣厚度進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。模擬線路選擇美國(guó)3級(jí)譜(限速96 km/h)，4級(jí)譜(限速128 km/h)和5級(jí)譜(限速144 km/h)3種線路不平順度。

輪對(duì)輪緣與鋼軌之間必須有一定的間隙，該間隙可以減小輪緣與鋼軌磨耗并能實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的自動(dòng)對(duì)中，同時(shí)還可避免對(duì)同軸左右兩輪輪徑差的過(guò)高要求，避免輪軌間的過(guò)分滑動(dòng)與偏磨。從車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)方面考慮，該間隙又不能過(guò)大，否則很可能產(chǎn)生大的蛇形振幅，從而影響乘坐舒適度；但如果輪軌間隙太小，可能會(huì)引起輪軌的嚴(yán)重磨耗，所以只有合理的輪軌間隙才能兼顧輪軌磨耗、車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)和過(guò)道岔能力。輪軌間隙由軌距、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距和輪緣厚度決定，其關(guān)系為S=dr/2-dw/2-Sd，見(jiàn)圖5。

根據(jù)鐵道部TB 449-2003《機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪輪緣踏面外型》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LM類(lèi)型踏面外型有四種類(lèi)型：LM(輪緣厚度32 mm)、LM-30(輪緣厚度30.2 mm)LM-28(輪緣厚度28.2 mm)和LM-26(輪緣厚度26.2 mm)，考慮到實(shí)際需要選擇前3種進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。由于輪對(duì)內(nèi)側(cè)距主要影響道岔通過(guò)能力，其值越大越利于通過(guò)道岔，如果適當(dāng)減小輪緣厚度就可以既保證一定的輪軌間隙，又保證較大的內(nèi)側(cè)距。從表5可以看到，隨著輪軌間隙加大，等效錐度逐漸縮小。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)依據(jù)《GB 5599-85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定》，計(jì)算時(shí)輸出脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力、平穩(wěn)性指標(biāo)等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。根據(jù)莫桑比克鐵路客車(chē)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，平穩(wěn)性指標(biāo)W不大于2.7，脫軌系數(shù)不大于1.0，減載率不大于0.6，傾覆系數(shù)不大于0.8。

3.1模態(tài)和臨界速度分析

輪對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的自振頻率是指車(chē)輛系統(tǒng)的懸掛頻率，主要由系統(tǒng)的質(zhì)量特性、懸掛參數(shù)等決定。表6為計(jì)算得到的車(chē)輛系統(tǒng)自振頻率和阻尼比。

表6　車(chē)輛自振頻率和阻尼比

當(dāng)列車(chē)在某個(gè)速度下運(yùn)行時(shí)，恰好又有與之“匹配”的外界線路激勵(lì)，會(huì)出現(xiàn)由于輪對(duì)、構(gòu)架和車(chē)體間的振動(dòng)而引發(fā)“共振”，如果沒(méi)有適當(dāng)阻尼衰減，這種振動(dòng)可能會(huì)逐漸放大而對(duì)車(chē)輛安全造成威脅，所以設(shè)計(jì)中就要注意避免。計(jì)算結(jié)果顯示空車(chē)的非線性臨界速度隨著輪對(duì)內(nèi)側(cè)距增大而降低，最低臨界速度為189 km/h(內(nèi)側(cè)距998 mm，輪緣厚度32 mm工況)，車(chē)輛的線性和非線性臨界速度都大于110 km/h，滿(mǎn)足最高允許速度大于10%的要求[5]。

3.2安全性和平穩(wěn)性

考慮到莫桑比克線路條件，重點(diǎn)考察車(chē)輛的在中低速情況下的安全性和平穩(wěn)度。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)客車(chē)分別在曲線半徑為R80 m，R300 m，R500 m和R1 000 m的線路上運(yùn)行時(shí)，客車(chē)在其平衡速度范圍內(nèi)的各項(xiàng)安全性指標(biāo)較好。一系鋼簧縱向剛度對(duì)脫軌系數(shù)影響較大，一系鋼簧垂向剛度增加，安全性指標(biāo)普遍增加，但幅度不大。二系鋼簧水平剛度對(duì)安全性指標(biāo)影響不大，垂向剛度在0.4 MN/m左右其橫向安全性指標(biāo)最差，增大或減小其剛度有變好的趨勢(shì)。二系垂向阻尼器阻尼增大時(shí)其脫軌系數(shù)隨之減小，阻尼在50 kN·s/m左右其安全性指標(biāo)較好。二系垂向阻尼器節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)有一定影響，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，建議其節(jié)點(diǎn)剛度取5 MN/m左右。

平穩(wěn)性方面，客車(chē)在直線上80 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，其橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)W都小于2.7，符合GB 5599規(guī)定的良好的乘坐品質(zhì)要求。乘坐舒適度指標(biāo)都小于2.75，屬于EN 12299-1999《鐵路車(chē)輛乘坐舒適度的測(cè)量和評(píng)估》標(biāo)準(zhǔn)中的中等舒適度范圍。一系鋼簧水平剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)影響較小，垂向剛度影響較大，垂向剛度在2 MN/m左右其垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最好。二系鋼簧水平剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)具有一定影響，水平剛度在0.3 MN/m左右其垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最好。二系垂向阻尼器阻尼對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)具有較大影響，阻尼在50 kN·s/m左右其垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最好，再增大其阻尼后，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)提高幅度有限。

磨耗指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，在新輪狀態(tài)下，輪軌間隙越大及內(nèi)側(cè)距越小，磨耗指數(shù)越小，重車(chē)的磨耗指數(shù)比空車(chē)狀態(tài)大，圖6為美國(guó)3級(jí)譜線路條件下的空車(chē)新輪磨耗指數(shù)，縱深軸為表5中依次列出的9種工況。

圖6　美國(guó)3級(jí)譜線路空車(chē)新輪的磨耗指數(shù)

4　總　結(jié)

除了遵循常規(guī)轉(zhuǎn)向架研發(fā)的固有流程，米軌轉(zhuǎn)向架的開(kāi)發(fā)有其自身特點(diǎn)，在充分了解客戶(hù)需求和應(yīng)用情況下，在研發(fā)該米軌客車(chē)的過(guò)程中，需要注意檢修和運(yùn)行線路的維護(hù)水平，盡量選擇可靠穩(wěn)定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于檢修和維護(hù)，將整個(gè)產(chǎn)品納入LCC和RAMS管理平臺(tái)可提高整體經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)要與實(shí)際工程應(yīng)用緊密結(jié)合，不追求某個(gè)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)，而要使各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)“均衡”配置。

根據(jù)初期的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，其動(dòng)力學(xué)性能表現(xiàn)良好，受到用戶(hù)和當(dāng)?shù)爻丝偷臍g迎，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。新造莫桑比克米軌客車(chē)整車(chē)產(chǎn)品外觀見(jiàn)圖7。

圖7　莫桑比克米軌客車(chē)外觀

[1]鐘源，陳喜紅，李冠軍，等. 馬來(lái)西亞動(dòng)車(chē)組ZUA120型米軌轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2012, 35(3):1-6.

[2]李文學(xué)，劉志遠(yuǎn)，趙文學(xué)，等. CW-720型米軌轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 鐵道車(chē)輛,2009, 49(1):23-25.

[3]王日藝，陶兆山，孫海東，等. 出口突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2014, 34(7):43-45.

[4]黃元琳，范振合，曹兵. 出口泰國(guó)EQC-M01型米軌轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 鐵道車(chē)輛,2009, 47(7):24-26.

[5]UIC 518-OR-2009 Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Ride quality[S]. Paris, Sep. 2009.

Development of Meter Gauge Bogies Exported to Mozambique

JINGJianhui1,WUHuichao,LIJianfeng,HUOWenbiao,CHIMaoru2

(1T&R Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd.,Tangshan 063035 Hebei, China;2Tribology Research Institute, Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

Tangshan Railway Vehicle Company Ltd. had developed and manufactured 1067mm meter-gauge coaches exported for Mozambique. For the sake of excellent meter-gauge bogies which can compact with running and maintaining condition of Mozambique railway lines, firstly, customer requirements, running conditions and environment had been comprehended. After the whole structure and suspension of bogie were determined on initial stage, we made a computer calculated model of the bogie with dynamic software SIMPACK. Focusing on primary and second suspensions, the play between wheel and rail, the inner distance of two wheels, we analyzed their dynamic performance and optimized these parameters on the different railway line conditions, and finally balanced and confirmed these dynamic parameters.

meter gauge bogies； mozambique； dynamic model

1008-7842 (2016) 03-0072-05

??)男，高級(jí)工程師(

2016-03-17)

U271.92

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.15