劉彩云 劉小松

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 266111；2.上海局集團(tuán)有限公司南京車輛監(jiān)造項(xiàng)目部 江蘇 南京 210031)

轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂式一系軸箱定位系統(tǒng)是目前鐵路客車轉(zhuǎn)向架普遍采用的一種定位方式。通過(guò)調(diào)研目前既有的動(dòng)車組及高速客車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，在軸箱彈簧下設(shè)置緩沖橡膠墊是較通用的做法。某型客車轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧在車輛出廠后40～60萬(wàn)km期間軸箱彈簧批量發(fā)生折損故障，在解決該問(wèn)題的過(guò)程中對(duì)軸箱彈簧緩沖墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。下文以該型轉(zhuǎn)向架一系鋼簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化項(xiàng)目為依托，對(duì)轉(zhuǎn)向架軸箱鋼簧下設(shè)置緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證研究。轉(zhuǎn)向架增設(shè)緩沖橡膠墊后的一系懸掛結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶緩沖橡膠墊的轉(zhuǎn)向架一系結(jié)構(gòu)

1 緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)仿真分析

在仿真分析之前，測(cè)試了多組橡膠墊在不同頻率下的剛度、阻尼特性和材料特性，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了橡膠墊的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立了原車動(dòng)力學(xué)模型和一系橡膠墊車輛的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了車輛在有、無(wú)緩沖橡膠墊工況下，車輛的安全性、平穩(wěn)性、舒適度以及軸箱到構(gòu)架的振動(dòng)傳遞等指標(biāo)。分析評(píng)估主要依據(jù)GB 5599—1985 《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》及UIC 513—1994 《鐵路車輛乘坐舒適性評(píng)估》。

仿真分析取恒定計(jì)算速度160 km/h，包括3種軌道激勵(lì)，分別為左右軌同步方向不平順、左右軌同步高低不平順、左右軌方向和高低復(fù)合不平順，每段激勵(lì)長(zhǎng)222 m。工況種類為8種(即1 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz)，激勵(lì)幅值為5 mm。通過(guò)仿真分析，得出如下結(jié)論：

(1)橡膠墊在中高頻激勵(lì)工況對(duì)振動(dòng)傳遞的阻隔效果較好(見(jiàn)圖2)。軸箱處的振動(dòng)在經(jīng)過(guò)橡膠墊串聯(lián)鋼簧之后得到有效衰減，尤其是在中高頻區(qū)域，當(dāng)施加隨機(jī)軌道激勵(lì)譜時(shí)，高頻成分的激勵(lì)將會(huì)有效衰減。增加鋼簧橡膠墊車輛的構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度在15～20 Hz段改善83.7%～90.8%。低頻區(qū)域，由于橡膠剛度小，阻尼大，導(dǎo)致串聯(lián)鋼簧后隔振性能略差。

圖2 構(gòu)架處垂向振動(dòng)加速度對(duì)比

(2)有橡膠墊車輛的一系鋼彈簧中高頻受力有明顯改善(見(jiàn)圖3)，構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度在中高頻有明顯衰減。

圖3 軸箱彈簧受力對(duì)比

(3)有橡膠墊車輛在中頻范圍具有更好的舒適性，抗傾覆性略優(yōu)于無(wú)橡膠墊車輛。

(4)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等指標(biāo)影響不大，有橡膠墊結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)略高于無(wú)橡膠墊車輛，但是均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度內(nèi)。

2 緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)置緩沖橡膠墊對(duì)軸箱彈簧受力及動(dòng)力學(xué)性能的影響，對(duì)有無(wú)緩沖橡膠墊結(jié)構(gòu)的車輛進(jìn)行了專項(xiàng)對(duì)比線路試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，主要測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)為車輛平穩(wěn)性、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、軸箱至構(gòu)架振動(dòng)傳遞、軸箱至鋼簧振動(dòng)傳遞。

圖4 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選取有軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡(jiǎn)稱“加墊車”)和無(wú)軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡(jiǎn)稱“不加墊車”)各1輛。試驗(yàn)前檢查兩車技術(shù)狀態(tài)良好，車輪最大徑向跳動(dòng)量加墊車(約為0.460 6 mm)大于不加墊車(約為0.398 2 mm)。試驗(yàn)測(cè)試了軸箱、構(gòu)架和車體的加速度及鋼簧應(yīng)變，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)從平穩(wěn)性、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、振動(dòng)傳遞及抗沖擊特性幾個(gè)方面來(lái)對(duì)比分析緩沖墊緩沖效果，測(cè)試結(jié)果如下：

(1)平穩(wěn)性。取枕梁加速度，依據(jù)GB 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平穩(wěn)性，成都至廣州區(qū)間兩試驗(yàn)車全程平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，平穩(wěn)性曲線如圖5所示。

圖5 平穩(wěn)性曲線

(2)構(gòu)架橫向穩(wěn)定性。取構(gòu)架端部橫向加速度，對(duì)其3～9 Hz帶通濾波，不加墊車穩(wěn)定性較加墊車略差，主要是由于車輪跳動(dòng)等車輛狀態(tài)差異導(dǎo)致。

(3)軸箱至構(gòu)架振動(dòng)傳遞。取軸箱和構(gòu)架垂向加速度，截取某典型區(qū)段數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6)，從時(shí)域及頻域角度對(duì)比軸箱到構(gòu)架振動(dòng)傳遞情況。從時(shí)域信號(hào)來(lái)看加墊車軸箱振動(dòng)總體大于不加墊車，但加墊車構(gòu)架端部振動(dòng)總體小于不加墊車，故加墊車較不加墊車軸箱振動(dòng)傳遞至構(gòu)架衰減更多。

圖6 軸箱和構(gòu)架加速度全程時(shí)域圖

(4)軸箱至鋼簧振動(dòng)傳遞。截取典型區(qū)段的軸箱垂向加速度和鋼簧應(yīng)力，求取不同濾波范圍下的均方根值。統(tǒng)計(jì)不同濾波范圍下鋼簧應(yīng)力均方根值/軸箱加速度均方根值，得出在1～300 Hz頻率范圍內(nèi)單位軸箱力下的鋼簧變形量，加墊車比不加墊車小33%。

3 總結(jié)

仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均表明，轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧下設(shè)置緩沖橡膠墊可有效衰減軸箱高頻振動(dòng)，并降低軸箱彈簧高頻狀態(tài)下的受力，對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較小。該型轉(zhuǎn)向架在控制彈簧制造質(zhì)量和增加緩沖墊結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過(guò)約4年的運(yùn)用考核，未發(fā)生軸箱彈簧批量折損故障，該問(wèn)題得以徹底解決?！?/p>