王 淇，崔 濤，王 雨，王 勇

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，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)

絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶是當(dāng)前我國(guó)的重大發(fā)展戰(zhàn)略，由于一帶一路沿線國(guó)家和地區(qū)的鐵路具有多種不同的軌距，嚴(yán)重阻礙了這一戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施。相比其他解決軌距差異的方法，采用變軌距轉(zhuǎn)向架具有過軌方便、效率高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為首選[1]。

國(guó)外變軌距技術(shù)的系統(tǒng)研究可追溯到上世紀(jì)60年代，西班牙是最早也是最多使用變軌距系統(tǒng)的國(guó)家，其研制的Talgo變軌距系統(tǒng)技術(shù)成熟可靠，已有50多年運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，是最具代表性的客運(yùn)變軌距轉(zhuǎn)向架[2]。隨后歐洲和日本等各國(guó)陸續(xù)開展了變軌距技術(shù)研究，如德國(guó)DBAG/Rafil V型貨車變軌距輪對(duì)、日本的E30型變軌距電動(dòng)車組，以及西班牙CAF公司研發(fā)的BRAVA變軌距轉(zhuǎn)向架等，波蘭研制的SUW2000型變軌距轉(zhuǎn)向架是貨運(yùn)車輛變軌距技術(shù)的典型代表[3]。

國(guó)內(nèi)變軌距技術(shù)的研究起步較晚，目前還沒有變軌距車輛投入運(yùn)行[4]。黃運(yùn)華 等[5-6]在借鑒西班牙Talgo變軌距轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的客車變軌距轉(zhuǎn)向架，并對(duì)獨(dú)立輪對(duì)進(jìn)行了研究，指出了獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪在變軌距轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用，為解決不同軌距間國(guó)際鐵路聯(lián)運(yùn)提供了一個(gè)極為廣闊的前景。劉寅華 等[7]在借鑒國(guó)外變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了符合我國(guó)實(shí)際情況的基于傳統(tǒng)輪對(duì)形式的貨車變軌距輪對(duì)方案。馬利軍 等[8]將變軌距轉(zhuǎn)向架分為獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪變軌距轉(zhuǎn)向架和傳統(tǒng)輪對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架，對(duì)比分析二者動(dòng)力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)輪對(duì)相較于傳統(tǒng)輪對(duì)，具有良好的抗蛇行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，但對(duì)中性能和曲線通過能力較差。史炎[9]提出了一種較為新穎的釣竿式變軌距鎖緊機(jī)構(gòu)，仿真分析表明該方案可行，并且按一種軌距設(shè)計(jì)的懸掛參數(shù)也適用于另一種軌距。邵亞堂 等[10]設(shè)計(jì)了一種基于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的變軌距轉(zhuǎn)向架方案，在參考CR400BF動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，仿真分析表明該結(jié)構(gòu)方案可行，但其可靠性還需進(jìn)一步研究。李國(guó)棟 等[11]提出了變軌距高速動(dòng)車組應(yīng)對(duì)除軌距外的其他各種變化具有較好的適應(yīng)性。

綜上，為了促進(jìn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶沿線國(guó)家和地區(qū)之間進(jìn)行更加密切的貿(mào)易往來，我國(guó)亟需加大對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架的研制工作。本文利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立了變軌距車輛系統(tǒng)非線性模型，分析了車輛在不同軌距線路上典型運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)性能，并對(duì)車輛在車輪磨耗狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)車組車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架主要由焊接構(gòu)架組成、一系懸掛及輪對(duì)軸箱定位裝置、二系懸掛及牽引裝置、搖枕、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成。構(gòu)架采用H型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。一系懸掛由兩組螺旋鋼彈簧、橡膠墊、一系垂向減振器和轉(zhuǎn)臂定位裝置組成。二系懸掛主要由空氣彈簧組成、搖枕、橫向止擋、抗側(cè)滾扭桿、減振器等部件組成。車體與轉(zhuǎn)向架間采用雙牽引拉桿牽引裝置，傳遞牽引力和制動(dòng)力，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架電動(dòng)機(jī)直接彈性吊掛在構(gòu)架上。

變軌距轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，其輪對(duì)軸箱裝置增加了變軌和鎖緊機(jī)構(gòu)，車輪和車軸不再是過盈裝配成一個(gè)整體，而是裝有2個(gè)可變軌距輪對(duì)，主要由變軌距車輪、車軸、鎖緊組件、密封式雙列圓錐滾子軸承單元、轉(zhuǎn)臂軸箱、解鎖組件、軸箱蓋、軸箱支撐裝置、軸端組件等組成，呈夾鉗式變軌距鎖緊裝置位于車輪和車軸之間。

2 車輛系統(tǒng)非線性模型

以往的變軌距車輛動(dòng)力學(xué)研究在動(dòng)力學(xué)建模時(shí)將輪對(duì)簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，沒有考慮變軌距結(jié)構(gòu)存在的間隙[8-11]，而變軌距轉(zhuǎn)向架由于車輪需要適應(yīng)不同軌距的橫向變位和運(yùn)行要求，故其車輪和車軸不再是過盈裝配成一個(gè)整體，而是在車輪和車軸間有可能存在橫向間隙、周向間隙和徑向間隙，這些間隙會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此在動(dòng)力學(xué)仿真建模時(shí)需要加以考慮。

為了精確模擬車輛系統(tǒng)的運(yùn)行性能，建模時(shí)考慮了將系統(tǒng)橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)耦合起來的數(shù)學(xué)模型。變軌距車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，變軌距車輛系統(tǒng)模型自由度如表1所示。

圖1 變軌距車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

表1 變軌距車輛系統(tǒng)模型自由度

考慮到變軌距轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及軸向間隙，在動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，將同一條輪對(duì)的2個(gè)車輪和1根車軸建成輪對(duì)內(nèi)側(cè)距可調(diào)模型[12]，如圖2所示。車輪(滑動(dòng)套筒)和車軸之間的花鍵轉(zhuǎn)配使得周向和橫向均存在一定間隙，其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周向間隙和扭轉(zhuǎn)載荷的傳遞示意圖如圖3所示，其中R1為滑套內(nèi)徑，R2為車軸外徑。車輪(滑動(dòng)套筒)與車軸的橫向和周向間隙采用非線性止擋特性加以描述。

圖2 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距可調(diào)模型(考慮輪軸間隙)

圖3 輪軸間周向間隙和扭轉(zhuǎn)載荷傳遞示意圖

由于車輪和車軸采用間隙配合，故車輪和車軸之間也會(huì)存在一定的徑向間隙，是一種面與面之間的接觸關(guān)系。為考慮其徑向間隙和接觸區(qū)的正壓力以及摩擦力，一種方法是采用大剛度的間隙止擋模型模擬徑向力，通過基于法向力和摩擦因數(shù)的摩擦力元模擬切向摩擦力；另外一種方法是直接利用SIMPACK所提供的簡(jiǎn)化Hertz接觸模型考慮圓柱面-圓柱面的接觸關(guān)系[13]，如圖4所示。

圖4 輪軸徑向接觸模型

此外，在動(dòng)力學(xué)模型中，輪軌法向接觸關(guān)系采用Hertz接觸彈簧表達(dá)，輪軌間的蠕滑力由SIMPACK自帶的Kalker非線性簡(jiǎn)化蠕滑理論程序計(jì)算，如不做特殊說明，取Kalker蠕滑系數(shù)的飽和比例因子為1.0，輪軌間滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.35。

3 不同軌道譜激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)性能

車輪采用LMB10踏面，在準(zhǔn)軌(軌距1 435 mm，軌底坡1/40，軌廓CN60)和寬軌(軌距1 520 mm，軌底坡1/20，軌廓P65)線路上運(yùn)行，考慮輪軸之間的軸向間隙0.5 mm，周向間隙0.3 mm，徑向間隙0.5 mm，輪軸間赫茲接觸摩擦因數(shù)0.05時(shí)，分析不同軌道譜激勵(lì)下的車輛動(dòng)力學(xué)性能。其中曲線線路考慮為R7 000 m半徑曲線，超高130 mm。

軌道譜計(jì)算工況如下：(1)客運(yùn)專線武廣線50%概率譜(WG50)；(2)客運(yùn)專線武廣線90%概率譜(WG90)；(3)客運(yùn)專線京滬線50%概率譜(JH50)；(4)客運(yùn)專線京滬線90%概率譜(JH90)；(5)既有線膠濟(jì)線軌道譜(Jiaoji)；(6)既有線秦沈線軌道譜(Qinshen)。

3.1 運(yùn)行平穩(wěn)性

準(zhǔn)軌和寬軌運(yùn)行條件下的車輛平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)見圖5～圖8，由計(jì)算結(jié)果可見：

圖5 車輛平穩(wěn)性指標(biāo)(準(zhǔn)軌)

圖6 車輛舒適度指標(biāo)(準(zhǔn)軌)

圖7 車輛平穩(wěn)性指標(biāo)(寬軌)

圖8 車輛舒適度指標(biāo)(寬軌)

(1) 軌道譜幅值越大，平穩(wěn)性指標(biāo)越大，車輛平穩(wěn)性越差?？傮w來說，秦沈線軌道譜激擾工況下的車輛平穩(wěn)性最差，客運(yùn)專線90%概率譜和膠濟(jì)線軌道譜激擾工況次之，客運(yùn)專線50%概率譜激擾工況下的車輛平穩(wěn)性最好。

(2) 準(zhǔn)軌條件下，在車速400 km/h范圍內(nèi)，客運(yùn)專線50%概率譜激擾工況下的車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均低于2.5；秦沈線和膠濟(jì)線軌道譜激擾工況下的車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在速度超過350 km/h時(shí)高于2.5低于2.75，舒適度指標(biāo)均小于2.0。

(3) 寬軌條件下，在車速400 km/h范圍內(nèi)，客運(yùn)專線50%概率譜激擾工況下的車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均低于2.5；秦沈線軌道譜激擾工況下，在速度超過300 km/h后平穩(wěn)性指標(biāo)接近或超過2.5，膠濟(jì)線軌道譜和京津90%概率譜激擾工況下，車輛后端垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在速度超過350 km/h時(shí)超過2.5；秦沈線軌道譜激擾工況下，在速度超過300 km/h后舒適度指標(biāo)大于2.0。

3.2 運(yùn)行安全性

在車速400 km/h范圍內(nèi)，膠濟(jì)線軌道譜、客運(yùn)專線概率譜激擾工況下的車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。在秦沈線軌道譜激擾工況下，在速度超過350 km/h時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率都超過0.8。

車輛在寬軌線路上運(yùn)行時(shí)的規(guī)律與準(zhǔn)軌線路基本一致，均滿足各相關(guān)規(guī)范的安全運(yùn)行限度要求。

4 車輪磨耗狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)性能預(yù)測(cè)

采用磨耗后車輪踏面，在準(zhǔn)軌(軌距1 435 mm，軌底坡1/40，打磨后鋼軌CN60D)和寬軌(軌距1 520 mm，軌底坡1/20，軌廓P65)線路上運(yùn)行，考慮同樣變軌距轉(zhuǎn)向架間隙情況下，分析車輛動(dòng)力學(xué)性能。

動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明，車輪踏面磨耗后在CN60D打磨鋼軌上運(yùn)行時(shí)，變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在準(zhǔn)軌和寬軌上運(yùn)行的臨界速度均達(dá)到600 km/h以上，運(yùn)行安全性指標(biāo)和運(yùn)行品質(zhì)各指標(biāo)均滿足《200 km/h以上速度級(jí)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》、EN以及UIC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度值要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架新結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)行了變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)性能分析計(jì)算，對(duì)比分析了不同軌道譜激擾下，車輛(包括新車輪、磨耗后車輪)在準(zhǔn)軌線路上運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性及運(yùn)行安全性指標(biāo)均滿足《200 km/h以上速度級(jí)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》、EN以及UIC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度值要求，可在400 km/h速度范圍內(nèi)安全平穩(wěn)運(yùn)行。車輛在寬軌線路上運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性及運(yùn)行安全性指標(biāo)也都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。