1 435 mm/1 520 mm貨車(chē)變軌距轉(zhuǎn)向架研制

穆鳳軍，徐世鋒，邵文東，劉振明，周?chē)?guó)東

(1.中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052； 2.中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

2013年習(xí)主席提出了“一帶一路”(絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和21世紀(jì)海上絲綢之路)的倡議，基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通是“一帶一路”建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域。我國(guó)與東北亞、中亞、南亞及東南亞有8條鐵路通路，除中朝鐵路聯(lián)運(yùn)外，其他鐵路通道均存在軌距不同的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)采用貨物轉(zhuǎn)運(yùn)和更換轉(zhuǎn)向架方式來(lái)解決不同軌距之間的國(guó)際聯(lián)運(yùn)問(wèn)題。變軌距轉(zhuǎn)向架是實(shí)現(xiàn)不同軌距之間的國(guó)際聯(lián)運(yùn)問(wèn)題最優(yōu)的解決方案，是一種能夠充分適應(yīng)發(fā)展需要、周轉(zhuǎn)快、效率高、收益大的聯(lián)運(yùn)方式，尤其在運(yùn)輸危險(xiǎn)、易腐壞、易污染環(huán)境、加固費(fèi)用較高和需要防護(hù)的貨物時(shí)，這一技術(shù)更能顯示其優(yōu)越性。

因此在“十三五”交通領(lǐng)域科技發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告中，明確將“轉(zhuǎn)向架軌距可變技術(shù)”列入到“自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵技術(shù)”中進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)。中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司于2016年承擔(dān)了中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司重點(diǎn)課題——1 435 mm/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架及配套設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究，研制了1 435 mm/1 520 mm貨車(chē)變軌距轉(zhuǎn)向架。

1 技術(shù)路線(xiàn)

變軌距轉(zhuǎn)向架采用變軌距輪對(duì)結(jié)構(gòu)，除了輪對(duì)特殊外，其他結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架差別不大，制造成本明顯低于采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的變軌距轉(zhuǎn)向架。輪對(duì)出現(xiàn)擦傷等問(wèn)題可臨時(shí)更換為常規(guī)輪對(duì)，對(duì)車(chē)輛正常運(yùn)輸影響較小。

ZK1型轉(zhuǎn)向架為鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢修、運(yùn)用成本低的優(yōu)點(diǎn)，它在三大件式轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上又加裝了側(cè)架彈性中交叉支撐裝置，克服了原三大件式轉(zhuǎn)向架運(yùn)行速度不高、車(chē)輪磨耗嚴(yán)重的缺點(diǎn)。多年的運(yùn)用結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)向架具有造價(jià)低、運(yùn)行速度高、磨耗輕微及檢修成本低等優(yōu)點(diǎn)。1 435 mm/1 520 mm轉(zhuǎn)向架將來(lái)適用于中國(guó)和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家境內(nèi)，如采用鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架，檢修將更加便利。

踏面制動(dòng)具有造價(jià)低、易于更換、便于觀察等優(yōu)點(diǎn)，中國(guó)和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家的貨車(chē)基本上均采用踏面制動(dòng)。盤(pán)形制動(dòng)制造成本高，制動(dòng)閘片磨耗及裂損不易觀察，而且必須在特殊的作業(yè)場(chǎng)地(地溝)才能更換閘片，這與中國(guó)和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家現(xiàn)有的運(yùn)用條件差距很大。

從可行性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性及創(chuàng)新性等方面考慮，確定了1 435 mm/1 520 mm貨車(chē)變軌距轉(zhuǎn)向架方案：研制擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變軌距輪對(duì)，采用ZK1型鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架，采用踏面制動(dòng)并配套研制變軌距制動(dòng)梁。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1 435 mm/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架(ZK1型轉(zhuǎn)向架)裝用變軌輪對(duì)，可實(shí)現(xiàn)軌距自動(dòng)變換，采用踏面制動(dòng)，配套采用變軌距制動(dòng)梁。圖1為轉(zhuǎn)向架三維示意圖。

2.1 轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)

1 435 mm/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架采用側(cè)架彈性中交叉支撐裝置，可提高轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行速度；采用耐低溫八字形軸箱橡膠墊，可降低輪軌動(dòng)作用力并改善曲線(xiàn)通過(guò)性能；車(chē)軸材質(zhì)為L(zhǎng)ZW鋼；車(chē)輪材質(zhì)為CL60鋼；采用耐低溫雙列圓錐滾子軸承；采用兩級(jí)剛度彈簧，提高空車(chē)彈簧靜撓度；搖枕、側(cè)架采用耐低溫DB級(jí)鑄鋼鑄造，采用高摩合成閘瓦；采用耐低溫DWJC型常接觸彈性旁承；采用耐低溫心盤(pán)磨耗盤(pán)；斜楔材料為貝氏體球墨鑄鐵；各主要摩擦副采用耐磨件。

變軌距輪對(duì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。車(chē)輪可以在車(chē)軸上橫向移動(dòng)，橫向力通過(guò)鎖緊銷(xiāo)與輪轂上的環(huán)槽傳遞。當(dāng)車(chē)輪通過(guò)地面變軌距設(shè)施時(shí)，地面的解鎖導(dǎo)軌向軌道外側(cè)擠壓解鎖盤(pán)，控制桿通過(guò)斜面效應(yīng)帶動(dòng)鎖緊銷(xiāo)離開(kāi)輪轂環(huán)槽，完成解鎖；車(chē)輪在車(chē)輪導(dǎo)軌作用下移動(dòng)到合適位置后，解鎖導(dǎo)軌逐步釋放解鎖盤(pán)，在復(fù)原彈簧作用下控制桿帶動(dòng)鎖緊銷(xiāo)在新的位置鎖定，完成軌距變換。

圖2 變軌距輪對(duì)示意圖

變軌距制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。閘瓦托套裝在制動(dòng)梁端頭上，可以橫向移動(dòng)，通過(guò)彈片凸起與制動(dòng)梁端頭不同位置凹窩配合實(shí)現(xiàn)閘瓦托的橫向定位。當(dāng)車(chē)輪通過(guò)地面變軌距設(shè)施橫向移動(dòng)時(shí)，車(chē)輪通過(guò)撥擋推動(dòng)閘瓦托橫向移動(dòng)，在該橫向力作用下使得彈片凸起脫出梁架凹窩實(shí)現(xiàn)解鎖；當(dāng)移動(dòng)到新的位置時(shí)，在彈性力作用下彈片凸起重新落入梁架凹窩里實(shí)現(xiàn)鎖閉。

圖3 變軌距制動(dòng)梁示意圖

2.2 轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)

1 435 mm/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)如表1所示。

3 分析計(jì)算情況

3.1 動(dòng)力學(xué)分析

該轉(zhuǎn)向架配裝哈薩克斯坦低開(kāi)門(mén)敞車(chē)車(chē)體，在考慮輪對(duì)橫向間隙和扭轉(zhuǎn)間隙的情況下進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能仿真分析，主要結(jié)論如下：

(1) 準(zhǔn)軌線(xiàn)路上，車(chē)輛臨界速度為164 km/h；寬軌線(xiàn)路上車(chē)輛臨界速度為155 km/h，均滿(mǎn)足車(chē)輛最高運(yùn)營(yíng)速度120 km/h的運(yùn)行要求。

(2) 輪軸徑向間隙對(duì)車(chē)輛臨界速度基本無(wú)影響，輪對(duì)橫向間隙和旋轉(zhuǎn)間隙對(duì)車(chē)輛臨界速度有影響，應(yīng)盡可能減小該間隙。

(3) 輪對(duì)橫向間隙及旋轉(zhuǎn)間隙對(duì)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性及安全性基本無(wú)影響。

3.2 變軌距輪對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)變軌距輪對(duì)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，考慮各部位摩擦的情況下，得出如下結(jié)論：

(1) 在解鎖盤(pán)上施加最大10 kN的橫向力，可完成車(chē)輪與車(chē)軸的主動(dòng)解鎖。

(2) 重車(chē)工況下移動(dòng)車(chē)輪的橫向阻力最大為36 kN。

(3) 在最大輪軸橫向力作用下，鎖緊裝置不會(huì)被動(dòng)解鎖。

綜上認(rèn)為，變軌距輪對(duì)的鎖緊裝置主動(dòng)解鎖力較小，能夠?qū)崿F(xiàn)解鎖功能；在最大輪軸橫向力作用下不會(huì)被動(dòng)解鎖，運(yùn)行安全可靠；變軌距車(chē)輪移動(dòng)時(shí)的最大橫向阻力在可接受范圍內(nèi)。

3.3 變軌距輪對(duì)強(qiáng)度分析

按TB/T 2705—2010《鐵道車(chē)輛非動(dòng)力車(chē)軸設(shè)計(jì)方法》對(duì)變軌距輪對(duì)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析計(jì)算，結(jié)果表明，鎖緊部件強(qiáng)度滿(mǎn)足TB/T 1335—1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定，具體部件應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 變軌距輪對(duì)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.4 變軌距制動(dòng)梁強(qiáng)度分析

采用C70型敞車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，按照TB/T 1978—2018《鐵路貨車(chē)轉(zhuǎn)向架 組合式制動(dòng)梁》對(duì)變軌距制動(dòng)梁進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，結(jié)果表明，變軌距制動(dòng)梁主要部件強(qiáng)度滿(mǎn)足TB/T 1335—1996的規(guī)定。表3為變軌距制動(dòng)梁撓度載荷和切向載荷共同作用下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

表3 變軌距制動(dòng)梁撓度載荷和切向載荷共同作用下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

4 試驗(yàn)情況

變軌距轉(zhuǎn)向架在專(zhuān)用變軌試驗(yàn)平臺(tái)(圖4)上進(jìn)行了變軌功能試驗(yàn).該平臺(tái)一端為準(zhǔn)軌線(xiàn)路(軌距1 435 mm)，另一端為寬軌線(xiàn)路(軌距1 520 mm)，中間為變軌裝置。將轉(zhuǎn)向架放置在變軌距平臺(tái)準(zhǔn)軌線(xiàn)路的一端，然后將轉(zhuǎn)向架分別加載砝碼到空車(chē)載荷7 t和重車(chē)載荷45 t，緩慢推動(dòng)轉(zhuǎn)向架向?qū)捾壎艘苿?dòng)，到達(dá)寬軌端后再返回準(zhǔn)軌端。轉(zhuǎn)向架在空重車(chē)條件下分別進(jìn)行了3次往返試驗(yàn)，均順利完成軌距變換，變軌距過(guò)程中未發(fā)生卡阻現(xiàn)象和異常聲響。轉(zhuǎn)向架變軌試驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)圖5。

圖4 專(zhuān)用變軌試驗(yàn)平臺(tái)

圖5 地面健康管理平臺(tái)

5 結(jié)束語(yǔ)

變軌距轉(zhuǎn)向架的成功研制使我國(guó)貨車(chē)向變軌距技術(shù)邁出了重要一步，為變軌距列車(chē)的開(kāi)行做好了重要的技術(shù)儲(chǔ)備。變軌距轉(zhuǎn)向架通過(guò)地面設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換軌距，貨物無(wú)需換裝，具有周轉(zhuǎn)快、效率高、貨物損耗少的優(yōu)點(diǎn)。它為解決我國(guó)同周邊國(guó)家不同軌距間聯(lián)運(yùn)問(wèn)題提供了新的解決方案，并且隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，未來(lái)幾年內(nèi)變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)在鐵路貨車(chē)領(lǐng)域?qū)?huì)得到更快的發(fā)展。