轴箱内置和外置高速转向架的动力学性能对比

张隶新

轴箱内置和外置高速转向架的动力学性能对比

张隶新1, 2

(1. 中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；2. 河北省轨道车辆转向架技术创新中心，河北 唐山 063035)

根据悬挂系统的结构形式，转向架分为轴箱内置转向架和轴箱外置转向架。相对于轴箱外置转向架，轴箱内置转向架结构紧凑、质量小，有利于降低轮轨磨耗和通过小半径曲线，具有良好的线路适应性。针对时速350 km/h货运动车组，考虑高铁线路和既有线路运行工况，通过动力学仿真软件SIMPACK计算车辆分别采用轴箱内置转向架和轴箱外置转向架的轮轨力和车轮磨耗，对比分析2种转向架的安全性、平稳性以及线路适应性。研究结果表明：在保证2种转向架具有相同蛇行运动稳定性即临界速度的前提下，与轴箱外置转向架相比，内置转向架的轮轨力降低20%以上，车轮磨耗量和踏面磨耗深度降低30%以上，充分体现了轴箱内置转向架的动力学性能优越性。

高速列车；轴箱内置转向架；动力学；轮轨力；车轮磨耗

高速列车的动力学性能决定了车辆的最高运行速度、运行安全性和运行品质。不同运行速度级的转向架结构形式和参数都有差别，高速转向架根据轴箱悬挂系统装配在车轮内侧还是外侧分为轴箱内置转向架和轴箱外置转向架2种[1]。目前高速列车主要采用轴箱外置转向架，而轴箱内置转向架主要用于城轨列车[2]。许多学者对采用轴箱外置转向架的高速列车进行了动力学性能及线路运行适应性分析，ZENG等[3]通过建立考虑轮轨接触非线性的高速列车模型来研究车辆在直线和曲线轨道上的蛇形稳定性，研究表明，列车失稳临界速度随着曲线轨道半径和外轨超高的增加而增加。孙刚[4]通过有限元方法，自由度缩减理论以及多体动力学理论建立高速列车刚柔耦合模型，进行动力学仿真分析传动系统的动力学特性。魏来等[5]提出一种轮轨力间接测量方法，利用轴箱加速度、一系悬挂相对位移以及转臂应变等测试量反推轮轨力，评估列车脱轨安全性。石怀龙等[6]开展了研究长期服役动力学性能的线路试验，结果表明车轮磨耗和轮轨匹配等效锥度随运营里程呈线性增长。马晓川等[7]等计算分析了LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高速列车运行的平稳性指标，以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率。罗仁等[8]研究了高速动车组运动稳定性和线路适应性，认为轮轨匹配关系和车辆悬挂参数是影响高速动车组线路运行适应性最重要的2种因素。与轴箱外置转向架相比，轴箱内置转向架由于轴箱悬挂系统位于轮对内侧，缩短了车轴长度，使得车辆一系簧下质量减少，具有改善车辆曲线通过性能和降低轮轨磨耗等优点[9−11]。为进一步提高高速列车的线路适应性，使其既能在高铁线路上运行，又能在既有线路上运行，并保证高速列车在2种线路上的动力学性能和轮轨磨耗优于既有车辆，可能需要采用轴箱内置转向架技术。目前，轴箱内置转向架主要用于高速列车的拖车，动车则仍使用外置转向架。德国是最先将内侧悬挂转向架应用于轻轨车辆的国家，具有较完善的设计理论和丰富的实践经验[12]。目前我国尚未在实际运营中采用轴箱内置转向架，仅对其进行了动力学仿真分析[13−14]。本文针对最高速度350 km/h货运动车组，考虑高铁线路和既有线路运行工况，采用动力学仿真，对比分析了车辆分别采用轴箱内置转向架和轴箱外置转向架的动力学性能，重点评价轮轨力指标和车轮磨耗指标。

1 车辆系统动力学建模

时速350 km/h货运动车组内置轴箱转向架主要包括枕梁、构架、轮对、轴箱悬挂装置、中央悬挂装置、制动和牵引装置。轴箱悬挂装置包括下拉杆定位、轴箱弹簧和一系垂向减振器，列车制动方式为轮盘制动。与传统的外置转向架相比，构架的2根纵向大梁间距变小，横梁变短。由于2车轮之间空间有限，只安装了一个轴制动盘，转向架总质量减小。

(a) 轴箱外置；(b) 轴箱内置

车辆建模及其动力学仿真在动力学仿真软件SIMPACK中进行，采用轴箱外置转向架和内置转向架的车辆系统动力学仿真模型如图1所示，2个动力学模型的车体参数相同，转向架参数不同。钢轨采用标准CN60钢轨和CN60D标准打磨钢轨。考虑2种典型的车轮踏面与之匹配，来模拟新镟车轮踏面后较低的等效锥度状态，以及车轮磨耗到限时的大等效锥度状态。LMB10新踏面与CN60D钢轨匹配的等效锥度0.09，LMB10磨耗后踏面与CN60钢轨匹配的等效锥度接近0.45。

2 轮轨力及车轮磨耗评价方法

2.1 轮轨力指标

轮轨力评价指标包括轮轴横向力和轮轨横向力，通过车辆系统动力学仿真计算，获得轮轴横向力评定值。其方法如下：

1) 获得高铁线路工况和既有线路工况下各条轮对的轮轴横向力时间历程，然后进行2 m滑动平均处理。

2) 取采样数据绝对值累计频次曲线对应99.85%的值，为每条轮对的轮轴横向力最大值。

3) 将一辆车4条轮对中最大的轮轴横向力作为评定值。

轮轨横向力的计算同轮轴横向力计算。

2.2 车轮磨耗指标

车轮磨耗评定指标包括车轮磨耗数和踏面磨耗深度，车轮磨耗数M等于蠕滑力与相应蠕滑率乘积的绝对值之和，单位为N。本次计算分析中，将4条轮对磨耗数的最大平均值作为评价指标。

踏面磨耗深度计算则通过设置特定的线路条件和计算工况，采用动力学仿真模拟高速列车在整个镟轮周期内的车轮磨耗发展过程，得到车轮踏面的磨耗后外形，从而可以计算踏面、轮缘位置的最大磨耗深度、踏面的磨耗面积等指标。踏面磨耗深度表示为[15]：

式中：为磨耗系数；r为轮轨磨耗功率；为车轮材料密度；为接触斑半径；0为车速。

3 动力学仿真计算及对比分析

仿真计算车辆在高铁线路和既有线路2种工况下的轮轨力和车轮磨耗数，每个工况都考虑线路条件、轮轨匹配极端状态、载荷、不同运行速度等因素的影响。因为既有线上的最高运行速度比高铁线上的低，曲线半径变小，所以在分析既有线工况时考虑了更多比例的小半径曲线线路。为了方便比较，这里仅给出每种典型曲线、不同运行速度下的指标最大值，这个最大值不一定对应最高速度。

3.1 轮轨力评估

3.1.1 轮轴横向力

高铁线路和既有线路2种工况下的轮轴横向力计算结果如表1和表2所示，结果表明在不同条件下，轴箱内置转向架的轮轴横向力均小于轴箱外置转向架，高铁线路平均减少19.0%，既有线路平均减少20.7%，说明轴箱内置转向架的曲线通过性能更好，线路适应性更强。

表1 轮轴横向力高铁线工况

表2 轮轴横向力既有线工况

3.1.2 轮轨横向力

2种工况下的轮轨横向力计算结果如表3和表4所示，对比结果可知轴箱内置转向架的轮轨横向力亦小于轴箱外置转向架。高铁线路平均减小27.8%，既有线路平均减少23.5%。

表3 轮轨横向力高铁线工况

表4 轮轨横向力既有线工况

3.2 车轮磨耗评估

3.2.1 车轮磨耗数

不同类型转向架在相同边界条件下模拟了10次磨耗过程。对比10次磨耗过程的平均指标，就得到车轮磨耗数。车轮磨耗数计算结果如表5和表6所示，对比结果表明内置转向架的车轮磨耗显著低于外置转向架，在直线及各种半径曲线上平均降低30%以上。总结轴箱内置转向架车轮磨耗数比轴箱外置转向架明显减小的原因如下：1) 轴箱内置转向架结构紧凑，构架横向跨距由传统的2 m缩减为1 m左右，构架质量及惯量降低40%以上；此外，由于轴箱位于车轮内侧，车轴长度也减小、质量也降低；2) 一系悬挂的横向跨距也缩减至外置转向架的一半左右，则轮对摇头定位刚度缩小至外置转向架的四分之一，有利于轮对趋于径向位置，对降低小半径曲线上的轮轨磨耗十分有利；3) 适当缩减内置转向架的轴距也有利于通过小半径曲线和降低轮轨作用力及磨耗。

表5 车轮磨耗数高铁线工况

表6 车轮磨耗数既有线工况

3.2.2 踏面磨耗深度

车轮踏面磨耗深度计算考虑3种典型的运营状态：最高时速350 km/h高铁线路运营、最高时速250 km/h客专线路运营和最高时速160 km/h的既有线路运营。本文针对2种转向架都采用相同的运营条件以便于对比分析。

不同运营状态下2种转向架的车轮踏面最大平均磨耗深度计算结果如表7至表9所示，结果对比如图2～图4，对比可知：

1) 在不同的最高运行速度下，轴箱内置转向架的踏面磨耗深度均小于轴箱外置转向架。说明轴箱内置转向架的动力学性能和线路适应性优于外置转向架。

2) 对最高时速350 km/h高铁线工况，轴箱内置转向架的踏面磨耗深度平均减少23.09%；对最高时速250 km/h客专线工况，平均减少27.08%；对最高时速160 km/h既有线工况，平均减少39.90%。既有线运营时内外置轴箱的踏面磨耗深度差异最大，客专线次之，高铁线最小。这是由于最高运行速度越低的运营工况考虑了更多小半径曲线，曲线半径越小车轮磨耗越严重，这导致了踏面磨耗加剧，而内置转向架质量更小、线路适应性更强，轮轨力也越小，使得内外置转向架的磨耗差异更大。

2) 随着运营里程增加，磨耗深度的减小比例越来越小。当列车在客专线路和高铁线路上运营里程超过25万km时，2种转向架的车轮磨耗深度的增长速度都开始变快。

表7 350 km/h高铁线路踏面最大平均磨耗深度

图2 350 km/h高铁线路踏面最大平均磨耗深度

表8 250 km/h客专线路踏面最大平均磨耗深度

图3 250 km/h客专线路踏面最大平均磨耗深度

表9 160 km/h既有线路踏面最大平均磨耗深度

图4 160 km/h既有线路踏面最大平均磨耗深度

4 结论

1) 在线路条件、载荷和运行速度等因素的影响下，不论高铁线工况还是既有线工况，轴箱内置转向架的轮轨横向力和轮轴横向力均低于轴箱外置转向架。表明轴箱内置转向架的动力学性能优于轴箱外置转向架，内置转向架能有效地提高高速列车线路运行适应性，提高列车运行安全性，降低车轮磨耗，改善轮轨接触关系并提高乘车舒适性。

2) 当列车最高运行速度≥250 km/h，运营里程大于25万km时，2种转向架的车轮磨耗深度增长速度均变快，这说明在一定运行范围内轴箱内置转向架能有效降低车轮磨耗，使车轮镟修周期变长，延长了车轮使用寿命。

3) 与高铁线路相比，车辆在既有线及客专线上运营时，运行速度降低，计算时考虑的小半径曲线比例更大，同时线路不平顺幅值增大，所以计算出的车轮磨耗指标也更大，且内外置转向架差异更明显。车轮磨耗是由多种因素共同作用产生的，要验证轴箱内置转向架能否广泛应用于高速列车，还需要综合车辆模态、列车运行环境及线路条件等因素做进一步研究。

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Dynamics analysis of high-speed railway bogies with inner bearing and outer bearing suspensions

ZHANG Lixin1, 2

(1. CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China;2. Hebei Railway Vehicle Bogie Technology Innovation Center, Tangshan 063035, China)

According to the structure types of vehicle suspension system, bogie is divided into the inner bearing bogie and outer bearing bogie. Compared with the outer bearing bogie, the inner bearing bogie has a more compact structure and little mass, which is conducive to pass small radius curved track and reduce wheel wear. The inner bearing bogie has better running adaptability. In this paper, the high-speed EMU at the speed of 350 km/h was taken as the research object. Considering the operating conditions of high-speed railway lines and existing lines, the wheel-rail force and wheel wear of the inner bearing bogie and outer bearing bogie have been calculated in dynamics simulation software SIMPACK. We have also compared the safety, stationarity and running adaptability performance of the two bogies. As the results shows, under the premise that the two bogies have the same hunting stability, that is, the critical speed. The wheel-rail force of the inner bearing bogie is reduced by more than 20% compared with the outer bearing bogie, and the wheel wear and tread wear depth are reduced by more than 30%.The results fully demonstrate the dynamic performance superiority of the inner bearing bogie.

high-speed train; inner bearing bogie; dynamic; wheel-rail force; wheel wear

U27

A

1672 − 7029(2021)03 − 0581 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200385

2020−05−09

国家重点研发计划资助项目(2018YFB1201702)

张隶新(1974−)，男，河北唐山人，高级工程师，从事转向架系统技术研发；E−mail：sjc-zhanglixin@tangche.com

(编辑 涂鹏)