铁路提速货车转向架等效横向刚度的研究

陈 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

铁路提速货车转向架等效横向刚度的研究

陈 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

为了对铁路提速货车转向架摇枕的横向刚度进行等效计算，利用动力学仿真软件SIMPACK建立装有转K5型转向架的C70H型货车整车模型，对转向架的横向刚度进行仿真计算和分析。通过模型校验，仿真计算结果和实测结果对比说明，对于摆式转向架摇枕横向刚度的等效计算方法具有可行性，该研究方法可用于提速技术与装备的研究。

铁路；货物运输；货车转向架；横向刚度

随着国民经济持续增长，工业化、市场化进程加快，全社会物资的流动加速，铁路作为大能力交通工具和大宗物资的主要运输方式，运能紧张局面愈加突出。为提高我国铁路货物运输能力，增强货运市场竞争能力，必须提高货物列车的运行速度。为此，我国于 2001年从国外引进摆式转向架技术，并在 2003年研制出构造速度 120 km/h 的转 K5 型提速货车转向架。该转向架通过摆动式结构增大了横向柔性，以下利用动力学仿真软件 SIMPACK 建立装有转 K5 型转向架的C70H铁路货车整车模型，在建模过程中采用等效的方法对转向架横向刚度进行处理。

1 建立整车模型

建模过程中对于轮轨关系的处理采用我国铁路货车车轮的LM 磨耗型踏面与 60 kg/m 钢轨相匹配。在 SIMPACK 的Rail 模块中只有欧洲的轮轨关系文件[1]，因此建模之前需将我国的LM磨耗型踏面与 60 kg/m 钢轨轨头外形进行离散，并通过 SIMPACK 中的前处理程序将其生成轮轨关系文件，并在模型建立之后调用。

整车模型的系统参数为装有转 K5 型转向架的C70H型货车[2]，主要包括货物1件、车体1个、摇枕2个、侧架4个、承载鞍8个、轮对4对。模型中各部件均视为刚体，全车共有 20 个刚体，其中货物与车体之间采用零自由度连接，车体与摇枕通过心盘和常接触旁承连接，摇枕与侧架通过摇枕弹簧相连，侧架与轮对通过承载鞍连接。其受力情况为：一系悬挂考虑纵向、横向和垂向刚度，纵向和横向摩擦力；二系悬挂考虑纵向、横向和垂向刚度，横向和垂向摩擦力；心盘与常接触旁承处考虑摩擦力形成的回转阻力矩；考虑承载鞍与侧架导框的纵向、横向间隙，摇枕档与弹簧托板的间隙，间隙消除后构件之间为刚性冲击。在 SIMPACK 多体动力学软件中建立 C70H型货车的整车模型。

2 摇枕横向刚度等效计算

转 K5 型转向架具有摆动式结构，在两侧架之间增加了弹簧托板，弹簧的作用力通过弹簧托板传递给侧架。弹簧托板两端与摇动座相连，摇动座位于侧架内的摇动座支承上，同时在侧架导框与承载鞍之间也设置了同样的摇动座结构。摇动座结构使摆动式转向架的侧架与弹簧托板之间、侧架与承载鞍之间均形成了圆弧状配合，使左右两侧架可以绕各自的纵向轴做同步摆动[3]。当侧架的承台接触到摇动台座时，侧架的摆动角度即达到最大值。根据以上特点，可以将侧架的摆动结构简化如图1所示。

A，B，C，D分别为侧架导框与承载鞍之间的摇动结构，E，F分别为侧架与弹簧托板之间的摇动结构，均等效为可绕纵向轴转动的旋转铰。图1 b中的虚线表示侧架向左发生横向摆动后的位置。假设此时系统处于平衡位置，则对于E点有：

图1 摆动式转向架侧架图示

令Masg/(4l0)＝，则公式⑴可表示为：

式中：Mas为车辆的簧上质量；α为侧架横向摆动角度；y为侧架横向摆动时E，F点横向位移；l0为吊杆长度，即为侧架的上摆点与下摆点之间的垂直距离；为侧架摆动的横向等效刚度(单侧)。

将摆动式转向架侧架的横向摆动等效为具有横向刚度的弹簧，则在建模过程中可不单独考虑侧架的侧滚振动，而将其等效为横向弹簧力施加于侧架的下摆点位置。当侧架横向摆动未达到极限位置时，等效弹簧的横向刚度为摇枕弹簧横向刚度和侧架摆动的横向等效刚度串联作用下的刚度，即第一阶段的横向刚度K串：

式中：K串为横向串联刚度(单侧)；Ky为摇枕弹簧横向刚度(单侧)。

当侧架横向摆动到极限位置后，仅有摇枕弹簧横向刚度的作用，即第二阶段的横向刚度为Ky。摇枕相对弹簧托板继续横向移动，当摇枕挡与弹簧托板接触后，两者为刚性接触，可近似等效为弹簧力，则在建模中可以将力与相对位移的关系量化，计算时直接调用。

3 模型校验

摆动式转向架摇枕横向刚度的等效方法需经过实践检验，确定模型的正确性后才能用于实际问题的研究。验证模型最直接的方法就是将相同工况下的仿真计算结果与实际测试结果进行对比分析。现将仿真计算结果与实测结果进行对比如下[4]。

仿真计算中采用AAR5级轨道谱作为线路激扰，工况按照实测试验工况设置。

装载工况：C70H货车，货物重量 60 t，重车重心高 2 300 mm，货物重心纵向偏离车辆横中心线767 mm、横向不偏移。

（1）直线运行工况。仿真计算中速度分别为70 km/h，90 km/h，100 km/h，110 km/h，120 km/h，将直线运行工况的脱轨系数和轮重减载率仿真计算结果与实测结果进行比较，如图2 和图3 所示。

图2 直线脱轨系数比较

图3 直线轮重减载率比较

（2）曲线运行工况。仿真计算中曲线半径为600 m，外轨超高为 80 mm，圆曲线长为 200 m，进出缓和曲线各 100 m，速度分别为20 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h。将半径为 600 m 的曲线运行工况的脱轨系数和轮重减载率仿真计算结果与实测结果进行比较，如图4和图5所示。

通过以上仿真计算和实测结果的对比可见，两者的脱轨系数和轮重减载率较为一致，说明对于摆式转向架摇枕横向刚度的等效方法具有可行性。

图4 半径为 600 m的曲线脱轨系数比较

图5 半径为 600 m 的曲线轮重减载率比较

4 结束语

货物运输需求的不断增长，决定了提速技术的应用是铁路货物运输发展的必然趋势，也是缓解现有运能紧张局面的有力手段，而前期的研究与分析是提速技术应用的基础。通过对转 K5 型提速货车转向架摇枕横向刚度的等效计算和仿真分析，说明本文的研究方法可用于铁路提速技术与装备的研究。

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[1] Intec Gmbh. SIMPACK User’s Manual[Z]. Wessling，Germany：Intec Gmbh，2001.

[2] 姜瑞金，王海荣. 转K5型转向架[J]. 铁道车辆，2005，43(2)，7-8.

[3] 严隽耄，傅茂海. 车辆工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2008.

[4] 北京交通大学. 提速后重车重心高度及货物重心容许横向偏移量试验阶段报告[R]. 北京：北京交通大学，2009.

1003-1421(2010)12-0085-03

U270.331

B

2010-11-03

2010-11-16

冯姗姗