賀文錦 龍慶文 熊律 揭薇

摘 ?要：為緊隨新時代鐵路運輸快捷、重載貨運趨勢，該文面向針對貨運低動力、低磨耗需求的徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，主要分析徑向轉(zhuǎn)向架特點，梳理、總結(jié)徑向技術(shù)主流類型，并選取貨車轉(zhuǎn)向架中代表性副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架進行研究。該文針對副構(gòu)架式徑向機構(gòu)，解構(gòu)其結(jié)構(gòu)組成，運用有限元仿真分析方法對副構(gòu)架靜強度、疲勞強度進行研究。仿真結(jié)果顯示，徑向裝置整體強度滿足要求，局部區(qū)域應(yīng)力需引起關(guān)注，可為后續(xù)徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計、制造與研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：徑向轉(zhuǎn)向架；副構(gòu)架；有限元；靜強度；疲勞強度

中圖分類號：U270.1+2 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0013-06

Abstract： In order to follow the trend of fast and heavy-haul freight transportation in the new era， this paper mainly analyzes the characteristics of radial bogies， summarizes the mainstream types of radial technology， aiming at the radial bogie technology with low power and low wear demand. and select the representative sub-frame radial bogie in the freight car bogie to study. In this paper， aiming at the sub-frame radial mechanism， its structural composition is deconstructed， and the finite element simulation analysis method is used to study the static strength and fatigue strength of the sub-frame. The simulation results show that the overall strength of the radial device meets the requirements. Local stress needs attention， which can provide some reference for the design， manufacture and research of subsequent radial bogies.

Keywords： radial bogie; subframe; finite element; static strength; fatigue strength

“十三五”期間，中國社會物流總費用超過11萬億元，市場規(guī)模超越美國成為全球第一大物流國?！笆奈濉逼陂g，我國將致力于從“物流大國”進階為“物流強國”。2022年12月15日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了我國現(xiàn)代物流領(lǐng)域第一份國家級五年規(guī)劃《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》。其中，“鐵路物流升級改造工程”屬于11項重點物流及供應(yīng)鏈工程之一。對于鐵路貨物運輸，高速、重載是發(fā)展過程中始終追尋的兩大目標(biāo)，也是順應(yīng)我國社會發(fā)展需求的貨運升級必由之路。

隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國貨物運輸需求發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，相較于傳統(tǒng)運載清單，近年來，貨物形式呈現(xiàn)出百花齊放特點。其中代表性物流產(chǎn)品包括電子電器類、美妝護膚類、醫(yī)藥食品類等日用消費品，且其運載需求隨著線上購物的繁榮發(fā)展而呈現(xiàn)出指數(shù)級增量。此類運輸業(yè)務(wù)由于附加值高、時效性敏感，對鐵路運輸提出了持續(xù)性“快捷”要求。

鐵路貨物運輸運量大、運輸成本低、綠色環(huán)保，在我國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。同時，在和公路、水路、管道等運載方式的競爭過程中，不斷提升運輸效率和質(zhì)量是鐵路貨運發(fā)展的制勝法寶。發(fā)展重載運輸是世界公認的提升鐵路貨物運輸效率的有效方法之一。

鐵路快捷貨運、重載貨運是解決線路運輸效率不足問題的有效手段，但隨著車輛速度的提高或軸重的增加，一方面能耗會進一步增加，另一方面輪軌間作用力也會顯著提升，從而影響其動力學(xué)指標(biāo)及輪軌磨耗程度。特別是通過曲線段時，若曲線半徑小，會有顯著的輪軌磨耗現(xiàn)象甚至加劇輪軌損傷。在這樣的實際情況下，新時代貨運轉(zhuǎn)向架在提速、增重的同時提出了低損傷性、節(jié)能環(huán)?！熬G色”性等關(guān)鍵要求。低動力、低磨耗以及低噪音將是未來鐵路貨運車輛發(fā)展的主要趨勢。

采用徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)是實現(xiàn)上述需求的核心解決方案之一，裝載徑向轉(zhuǎn)向架的貨運車輛具有良好的曲線通過能力、低動作用力、低輪軌磨耗、低能耗、更長的使用壽命與更低的全周期運維成本。軌道車輛轉(zhuǎn)向架由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，2個同型車輪通過車軸相連組成輪對結(jié)構(gòu)，在通過曲線時兩車軸趨于平行位置，造成車輪與鋼軌間摩擦加劇，動作用力增大。徑向轉(zhuǎn)向架是指曲線通過時，輪對繞軌道車輛坐標(biāo)系Z軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，車軸朝向曲線中心呈徑向位置的轉(zhuǎn)向架。徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計可減小輪軌之間作用力，改善輪緣與外軌內(nèi)側(cè)的磨耗，并可提高輪軌的黏著系數(shù)。研究表明，采用徑向轉(zhuǎn)向架可使輪軌橫向力降低10%～30%，輪軌垂向力降低約3%～5%；輪對沖角減小60%～80%，車輪壽命增加500%，鋼軌壽命增加25倍，輪軌維修減少70%；曲線通過阻力降至傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架的30%～50%，能耗降低5%，小半徑曲線上約可提高黏著系數(shù)20%。

1 ?徑向技術(shù)分類

當(dāng)前，徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)技術(shù)特點主要分為主動導(dǎo)向、迫導(dǎo)向和自導(dǎo)向3類。

1.1 ?主動導(dǎo)向

主動導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是隨著列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機技術(shù)發(fā)展而順應(yīng)而生的徑向轉(zhuǎn)向架類型，通過主動產(chǎn)生適配曲線特點的外力從而使輪對處于徑向位置。其中關(guān)鍵技術(shù)為根據(jù)線路狀態(tài)判斷、確定外力大小與傳遞方法。主動導(dǎo)向徑向系統(tǒng)通過智能化線路狀態(tài)探測裝置確定線路情況，通過計算機系統(tǒng)與預(yù)置算法分析計算確定外力大小，通過控制系統(tǒng)與具體驅(qū)動單元輸出與線路半徑相適應(yīng)的作動器行程，從而實現(xiàn)輪對徑向狀態(tài)。主動導(dǎo)向系統(tǒng)由于實時計算、執(zhí)行，對任意半徑曲線徑向狀態(tài)的實現(xiàn)均表現(xiàn)良好，但該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件類型多，制造與運用維護成本較高，同時由于實時算法與控制邏輯可靠性差異，實際線路表現(xiàn)仍有欠缺，有產(chǎn)生過導(dǎo)向現(xiàn)象的可能性。

1.2 ?迫導(dǎo)向

迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是利用車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的相對回轉(zhuǎn)運動，通過例如連接車體與軸箱或副構(gòu)架的杠桿系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)使輪對偏轉(zhuǎn)，強迫輪對處于曲線徑向位置的轉(zhuǎn)向架類型。迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架對小半徑曲線適應(yīng)性良好，同時其實現(xiàn)輪對徑向的機構(gòu)相比主動導(dǎo)向徑向系統(tǒng)有所簡化，重量較輕，運維成本相應(yīng)降低。但由于其需要實現(xiàn)車體與轉(zhuǎn)向架之間的聯(lián)動與傳導(dǎo)，設(shè)置有例如杠桿等傳動機構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)仍具有一定復(fù)雜度，且迫導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對制造與組裝精度要求較高。此外，迫導(dǎo)向機構(gòu)基于車體與轉(zhuǎn)向架間運動差異，在較大半徑曲線段徑向表現(xiàn)一般，且其機構(gòu)配合精度可能會對輪對偏磨造成一定影響。

1.3 ?自導(dǎo)向

自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是通過直接在轉(zhuǎn)向架上增設(shè)徑向調(diào)節(jié)裝置或采用差異化一系定位剛度設(shè)計，從而實現(xiàn)通過曲線時輪對自行趨向徑向位置的轉(zhuǎn)向架類型。自導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，是通過輪軌關(guān)系固有屬性實現(xiàn)輪對徑向、導(dǎo)向力來源為蠕滑力，因此不會出現(xiàn)過導(dǎo)向情況，但由于徑向驅(qū)動來自于輪軌本身，因此徑向能力受限，特別在小半徑曲線上徑向程度不足。

對于軌道貨運車輛轉(zhuǎn)向架，綜合考慮貨運線路特點、徑向結(jié)構(gòu)成本、徑向能力需求三維度影響因素，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架能夠良好滿足要求。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架兼具曲線通過性能與直線運行穩(wěn)定性，該轉(zhuǎn)向架一方面能夠一定程度實現(xiàn)過曲線徑向狀態(tài)（輪對“八”字排列），減小輪對沖角、輪軌作用力及輪軌磨耗（特別是針對快捷、重載貨運車輛的輪緣側(cè)面磨耗問題）；另一方面能夠通過輪對徑向裝置（如副構(gòu)架+拉桿形式）耦合輪對運動，增大輪對剪切剛度，從而提高蛇形失穩(wěn)臨界速度。因此，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架對于快捷貨運與重載貨運轉(zhuǎn)向架均具有突出優(yōu)點。徑向貨運轉(zhuǎn)向架發(fā)展歷程中，成熟的典型貨運轉(zhuǎn)向架多為自導(dǎo)向形式（如圖1所示）。

2 ?自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

我國貨車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架主要采用軸箱直連交叉桿徑向機構(gòu)模式與帶有副構(gòu)架結(jié)構(gòu)的徑向機構(gòu)模式。其中前者交叉桿通過彈性橡膠節(jié)點與軸箱相連，結(jié)構(gòu)較為簡單。后者對既有三大件式（2個側(cè)架+1個搖枕）貨車轉(zhuǎn)向架中適用程度高，在重載貨運車輛中使用較為廣泛，其具體結(jié)構(gòu)與強度是影響徑向機構(gòu)功能的關(guān)鍵因素。

副構(gòu)架式徑向機構(gòu)簡圖如圖2所示，2對U形副構(gòu)架分別與前、后輪對相連，將輪對左右端部相連，由于貨車三大件轉(zhuǎn)向架通常采用無軸箱形式，所以實際副構(gòu)架連接端為軸承上方承載鞍處，此連接機構(gòu)可以進一步消除承載鞍擋肩與軸承間間隙，保障徑向能力。2副構(gòu)架中間通過連接桿交叉相連，耦合前后輪對運動。通過曲線時，副構(gòu)架徑向機構(gòu)并未約束轉(zhuǎn)向架搖頭自由度，斜交叉桿作用力使得前后輪對均向沖角大小減小的方向旋轉(zhuǎn)，降低輪軌間動作用力。

圖2 ?副構(gòu)架式徑向機構(gòu)簡圖

常見的副構(gòu)架式徑向機構(gòu)有以下3種類型（如圖3所示）副構(gòu)架位于搖枕兩側(cè)通常為鑄造件，呈U形框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)承載鞍特點采用不同端部設(shè)計，設(shè)有鉚釘孔、鉚釘座、凸臺和出砂孔等結(jié)構(gòu)，整體具有較高強度。副構(gòu)架和承載鞍之間可采用不同厚度的鋼質(zhì)墊板調(diào)整鞍面中心與副構(gòu)架銷孔間的縱向尺寸，保證輪對徑向機構(gòu)前后承載鞍間的距離與轉(zhuǎn)向架固定軸距相匹配。兩交叉桿斜置，于副構(gòu)架U形臂底端中部相連，兩端銷孔內(nèi)設(shè)有彈性橡膠節(jié)點。

3 ?輪對徑向裝置強度分析

轉(zhuǎn)向架徑向機構(gòu)是實現(xiàn)徑向功能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其靜強度、剛度與疲勞強度是保證轉(zhuǎn)向架正常功能的關(guān)鍵指標(biāo)，由于斜置交叉桿結(jié)構(gòu)較為簡單，且材料、結(jié)構(gòu)工藝易于滿足強度需求，在此選取徑向機構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——副構(gòu)架輪對徑向裝置進行基于有限元方法的強度分析。

3.1 ?有限元分析模型

輪對徑向裝置分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。結(jié)構(gòu)實體模型如圖4所示。徑向裝置整體為厚壁鑄鋼件，采用20節(jié)點高階四面體單元Solid 95進行離散。結(jié)構(gòu)共離散為859 766個節(jié)點，形成3-D實體單元548 142個，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

3.2材料力學(xué)性能

輪對徑向裝置采用B+級鑄鋼制造，該材料的力學(xué)性能見表1。

3.3輪對徑向裝置靜強度分析

3.3.1計算標(biāo)準(zhǔn)

輪對徑向裝置的結(jié)構(gòu)強度參考標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路貨車U形副構(gòu)架強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》（以下簡稱《副構(gòu)架規(guī)范》）的要求。

輪對徑向裝置每側(cè)所承受的垂向靜載荷根據(jù)式（1）計算

F=（G-T）g ， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：G-車輛軸重；g-重力加速度；T-一條輪對重量。其結(jié)構(gòu)靜強度工況見表2。

3.3.2計算結(jié)果

在表2的各計算載荷作用下，輪對徑向裝置各部件的應(yīng)力分布如圖6至圖11所示。圖示分析結(jié)果表明，輪對徑向裝置各部件在各計算載荷下的最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)靜強度滿足車輛運行要求。

3.4輪對徑向裝置疲勞強度分析

3.4.1 計算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《副構(gòu)架規(guī)范》的要求，輪對徑向裝置在進行疲勞試驗時承受的載荷主要是縱向推拉載荷和橫向推拉載荷。對于軸重為25 t的轉(zhuǎn)向架，縱向推拉載荷的范圍為-22.5～+45 kN，循環(huán)次數(shù)為2.6×105次；橫向推拉載荷的范圍為±45 kN，循環(huán)次數(shù)為5×105次。

在上述疲勞載荷的作用下，輪對徑向裝置結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的多軸應(yīng)力特征，如果根據(jù)主應(yīng)力范圍的最大值進行評估，其結(jié)果將偏于危險?；诖?，評估輪對徑向裝置的疲勞強度時采用德國機械工程學(xué)會FKM Guidelines：Analytical Strength Assessment （6th Edition）提供的方法，即將循環(huán)載荷作用下各主應(yīng)力的幅值與根據(jù)S-N曲線確定的，相應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的許用應(yīng)力幅值之比定義為材料利用度a，再根據(jù)式（2）由各主應(yīng)力材料利用度a計算綜合材料利用度a，當(dāng)a≤1時認為結(jié)構(gòu)疲勞強度合格。

3.4.2 ?計算結(jié)果

根據(jù)前述輪對徑向裝置疲勞強度評估方法，考察循環(huán)載荷下應(yīng)力幅值超過110 MPa的區(qū)域，對其進行結(jié)構(gòu)疲勞強度分析，結(jié)果見表3。

4 ?結(jié)束語

發(fā)展快捷貨運與重載貨運是提升軌道運輸競爭力并提升經(jīng)濟效益的2條路徑，然而高速、重載列車都伴隨著輪軌動作用力增加、磨耗加劇、能耗上升等問題，在此基礎(chǔ)上貨車徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)應(yīng)運而生。徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)技術(shù)特點主要分為主動導(dǎo)向、迫導(dǎo)向和自導(dǎo)向3類。對于軌道貨運車輛轉(zhuǎn)向架，綜合考慮貨運線路特點、徑向結(jié)構(gòu)成本、徑向能力需求等影響因素，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架具有顯著優(yōu)勢。我國大軸重貨車多采用帶有副構(gòu)架結(jié)構(gòu)的徑向機構(gòu)模式，其靜強度與疲勞強度是保證轉(zhuǎn)向架正常功能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過基于FEM的仿真分析顯示，徑向裝置整體強度性能表現(xiàn)良好，副構(gòu)架鉚釘孔間出砂孔拐角處、臂部出砂孔拐角處、內(nèi)鉚釘孔下凸臺邊緣等區(qū)域的應(yīng)力水平較高，可在后續(xù)設(shè)計、制造與研究過程中對這些部位予以關(guān)注。

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