景建輝， 吳會超， 李建鋒， 霍文彪， 池茂儒

(1　中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 063035;(2　西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031

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出口莫桑比克米軌轉(zhuǎn)向架的開發(fā)

景建輝1， 吳會超1， 李建鋒1， 霍文彪1， 池茂儒2

(1中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 063035;(2西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031

唐車公司為莫桑比克開發(fā)研制了一批軌距1 067 mm的米軌客車。為開發(fā)適應(yīng)莫桑比克線路運營和維護條件的米軌轉(zhuǎn)向架，首先了解客戶具體需求、當?shù)鼐€路條件和運營環(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動力學軟件對轉(zhuǎn)向架設(shè)計參數(shù)進行建模和計算分析。重點對一二系懸掛參數(shù)、輪軌間隙、輪對內(nèi)側(cè)距和不同線路等級等各種工況下的車輛動力學性能表現(xiàn)進行分析優(yōu)化，均衡配置各項參數(shù)，確定優(yōu)化方案。

米軌轉(zhuǎn)向架； 莫桑比克； 動力學模型

相比普遍應(yīng)用的標準軌距鐵路，米軌鐵路運輸具有結(jié)構(gòu)簡單、制造和維護成本低、小曲線通過能力強等優(yōu)勢，目前在我國云南、臺灣，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雜地區(qū)仍發(fā)揮著重要作用。我國分別為國外提供的米軌轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品主要有客車(如：馬來西亞[1]、新西蘭[2]、孟加拉和突尼斯[3]等)、貨車(如：泰國[4]、蘇丹和柬埔寨等)和機車3種用途，其中貨車轉(zhuǎn)向架多為3大件式，表1為我國為國外提供的米軌轉(zhuǎn)向架部分技術(shù)參數(shù)。

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

2014年，唐山軌道客車有限責任公司(以下簡稱唐車公司)為莫桑比克制造一批軌距為1 067 mm(42 in)的米軌客車車輛。為了開發(fā)適應(yīng)莫桑比克線路運營和維護條件的米軌轉(zhuǎn)向架，研發(fā)團隊首先深入了解客戶具體需求、當?shù)鼐€路條件和運營環(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動力學軟件對轉(zhuǎn)向架設(shè)計參數(shù)進行建模和計算分析，重點對一二系懸掛參數(shù)、輪軌間隙、輪對內(nèi)側(cè)距和不同線路不平順度等各種工況下的車輛動力學性能表現(xiàn)進行分析對比；針對各項參數(shù)變化對客車的動力學安全性、舒適性、工藝性等進行綜合類比，同時充分考慮到用戶的線路條件和維護能力，均衡配置各項參數(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)計壽命為30年，滿足以100 km/h速度持續(xù)運行20 h的需要。轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架裝置、一系懸掛及輪對軸箱定位裝置、二系懸掛及搖枕裝置、基礎(chǔ)制動裝置等4部分組成，方案見圖1。

圖1　莫桑比克轉(zhuǎn)向架方案

序號項目參數(shù)1軌距1067mm2最高運營速度100km/h3軸重≤12.4t4車體質(zhì)量23噸(空載)/35.2噸(重載)5車輛定距14500mm6車輪直徑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)架的強度符合UIC515-4《客運車輛后轉(zhuǎn)向架-走行部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度試驗》標準。車輪采用輪徑為864 mm的整體輾鋼車輪，執(zhí)行TB/T 2708-96《鐵道客車輾鋼整體車輪技術(shù)條件》標準，材質(zhì)為CL60鋼，采用LM型踏面外形。車軸設(shè)計按TB/T 2705-2010《鐵道車輛非動力車軸設(shè)計方法》執(zhí)行，材質(zhì)為LZ50鋼。軸承的選擇考慮客戶的線路條件及維護水平，采用客戶推薦的自密封圓錐滾子軸承CLASS D(AAR標準)，軸承的理論壽命大于300萬km。

1.2懸掛方式

一系定位裝置采用類似209P轉(zhuǎn)向架的導柱定位方式，每軸箱設(shè)置兩組鋼制螺旋軸箱彈簧和兩套導柱組成，導柱通過螺栓緊固于構(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)過長期的運營考核，因此軸箱采用開放式結(jié)構(gòu)。

圖2　一系懸掛及輪對軸箱定位裝置

二系懸掛方式采用搖動臺結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的枕簧不但起到緩和垂向振動作用，而且由于搖動臺吊桿的擺動可使轉(zhuǎn)向架具有橫向復原作用，可緩和來自水平方向的振動和沖擊。4個搖枕吊桿吊掛在構(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。在搖枕與彈簧托梁間設(shè)置兩個油壓減振器，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)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置選用杠桿式雙側(cè)踏面制動。閘瓦采用高磷合成閘瓦。移動杠桿拉板、拉桿、拉桿吊等采用S355J2W(H)鋼板焊接而成，各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處采用銷孔(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)制動裝置

2　動力學建模和計算工況

本文采用SIMPACK動力學模擬軟件對車輛進行建模分析。車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均為剛體, 不計其本身的彈性變形，客車模型由1個車體、2個構(gòu)架、4條輪對、8個軸箱、2個搖枕等剛體組成，整車系統(tǒng)共計52個自由度。

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，唐車公司提供的此批客車運行線路軌頭形狀主要為UIC54型，具體參數(shù)見表3。

表3　車輛初始設(shè)計參數(shù)和線路條件　mm

2.2懸掛參數(shù)

轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)對其動力學性能具有關(guān)鍵影響，確定主要設(shè)計結(jié)構(gòu)后，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗初步確定各項懸掛參數(shù)，見表4。搖枕橫擺剛度計入到二系鋼簧的橫向剛度內(nèi)，計算結(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計算工況

輪對參數(shù)方面主要對輪軌間隙、輪對內(nèi)側(cè)距和輪緣厚度進行詳細對比。模擬線路選擇美國3級譜(限速96 km/h)，4級譜(限速128 km/h)和5級譜(限速144 km/h)3種線路不平順度。

輪對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現(xiàn)輪對的自動對中，同時還可避免對同軸左右兩輪輪徑差的過高要求，避免輪軌間的過分滑動與偏磨。從車輛運行品質(zhì)方面考慮，該間隙又不能過大，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，可能會引起輪軌的嚴重磨耗，所以只有合理的輪軌間隙才能兼顧輪軌磨耗、車輛運行品質(zhì)和過道岔能力。輪軌間隙由軌距、輪對內(nèi)側(cè)距和輪緣厚度決定，其關(guān)系為S=dr/2-dw/2-Sd，見圖5。

根據(jù)鐵道部TB 449-2003《機車車輛車輪輪緣踏面外型》標準規(guī)定，LM類型踏面外型有四種類型：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)，考慮到實際需要選擇前3種進行計算對比。由于輪對內(nèi)側(cè)距主要影響道岔通過能力，其值越大越利于通過道岔，如果適當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　計算結(jié)果與分析

動力學評價依據(jù)《GB 5599-85鐵道車輛動力學性能評定》，計算時輸出脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力、平穩(wěn)性指標等動力學指標。根據(jù)莫桑比克鐵路客車技術(shù)規(guī)范規(guī)定，平穩(wěn)性指標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

輪對車輛系統(tǒng)的自振頻率是指車輛系統(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為計算得到的車輛系統(tǒng)自振頻率和阻尼比。

表6　車輛自振頻率和阻尼比

當列車在某個速度下運行時，恰好又有與之“匹配”的外界線路激勵，會出現(xiàn)由于輪對、構(gòu)架和車體間的振動而引發(fā)“共振”，如果沒有適當阻尼衰減，這種振動可能會逐漸放大而對車輛安全造成威脅，所以設(shè)計中就要注意避免。計算結(jié)果顯示空車的非線性臨界速度隨著輪對內(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)，車輛的線性和非線性臨界速度都大于110 km/h，滿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，重點考察車輛的在中低速情況下的安全性和平穩(wěn)度。從計算結(jié)果來看，當客車分別在曲線半徑為R80 m，R300 m，R500 m和R1 000 m的線路上運行時，客車在其平衡速度范圍內(nèi)的各項安全性指標較好。一系鋼簧縱向剛度對脫軌系數(shù)影響較大，一系鋼簧垂向剛度增加，安全性指標普遍增加，但幅度不大。二系鋼簧水平剛度對安全性指標影響不大，垂向剛度在0.4 MN/m左右其橫向安全性指標最差，增大或減小其剛度有變好的趨勢。二系垂向阻尼器阻尼增大時其脫軌系數(shù)隨之減小，阻尼在50 kN·s/m左右其安全性指標較好。二系垂向阻尼器節(jié)點剛度對平穩(wěn)性指標有一定影響，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，建議其節(jié)點剛度取5 MN/m左右。

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

磨耗指數(shù)計算結(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，重車的磨耗指數(shù)比空車狀態(tài)大，圖6為美國3級譜線路條件下的空車新輪磨耗指數(shù)，縱深軸為表5中依次列出的9種工況。

圖6　美國3級譜線路空車新輪的磨耗指數(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)向架的開發(fā)有其自身特點，在充分了解客戶需求和應(yīng)用情況下，在研發(fā)該米軌客車的過程中，需要注意檢修和運行線路的維護水平，盡量選擇可靠穩(wěn)定的設(shè)計結(jié)構(gòu)，便于檢修和維護，將整個產(chǎn)品納入LCC和RAMS管理平臺可提高整體經(jīng)濟效益。計算優(yōu)化設(shè)計參數(shù)要與實際工程應(yīng)用緊密結(jié)合，不追求某個動力學性能指標最優(yōu)，而要使各項評價指標“均衡”配置。

根據(jù)初期的實際運營情況來看，其動力學性能表現(xiàn)良好，受到用戶和當?shù)爻丝偷臍g迎，取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。新造莫桑比克米軌客車整車產(chǎn)品外觀見圖7。

圖7　莫桑比克米軌客車外觀

[1]鐘源，陳喜紅，李冠軍，等. 馬來西亞動車組ZUA120型米軌轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 電力機車與城軌車輛,2012, 35(3):1-6.

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

[3]王日藝，陶兆山，孫海東，等. 出口突尼斯內(nèi)燃動車組轉(zhuǎn)向架[J]. 鐵道機車車輛,2014, 34(7):43-45.

[4]黃元琳，范振合，曹兵. 出口泰國EQC-M01型米軌轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 鐵道車輛,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，高級工程師(

2016-03-17)

U271.92

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.15