單擺式徑向轉向架機理及動力學研究

史 炎

（西南交通大學　牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

單擺式徑向轉向架機理及動力學研究

史 炎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

給出了一種新型徑向轉向架，依據徑向轉向架設計原理，對軸箱定位方式進行了突破性設計，以最少的桿件解決了轉向架曲線通過性能和橫向穩定性之間的矛盾，首次提出了非對稱徑向轉向架概念，動力學分析表明此轉向架曲線通過效果比較明顯。

徑向轉向架；非對稱；單擺

德國人K L O SE在1883年提出了如果輪對在曲線上沿切線方向作純滾動，則輪軌間的磨耗將為最小的理論，并基于此理論提出了徑向轉向架的基本設想。20世紀初，德國人和瑞士人在此基礎上提出了徑向轉向架的設計理念，按此理念設計的徑向轉向架于20世紀30年代開始裝車試驗，并取得了一定的效果。最先投入廣泛運用的是南非人H erbert Scheffel于20世紀70年代初發明的貨車徑向轉向架。此外還有英國的Crossbraced、德國的D R R S V等幾種貨車徑向轉向架。這些徑向轉向架無一例外全部是對稱結構，徑向調節時繞輪軸中心轉動，軸箱兩端定位剛度一樣，縱向定位剛度大則不利于徑向調節，剛度小則降低了穩定性，這是一個兩難的決策，水平定位剛度選擇余地不大。

單擺式徑向轉向架很好地解決了這個問題，徑向調節時以一端的輪軌接觸點為轉動中心，不再要求左右水平剛度一致，可以大幅度提高轉動中心一端的縱向剛度。轉K6型轉向架是齊齊哈爾鐵路車輛（集團）有限責任公司研制開發的25 t軸重通用貨車轉向架，本文以轉K6型轉向架參數為藍本建立單擺式徑向轉向架模型，分析結果與轉K6對比，取得了預期的效果。

1　單擺式徑向轉向架原理

車輛通過曲線時輪對理想位置是輪軸中心線指向曲線圓心，能實現這樣功能的轉向架就是徑向轉向架，文獻［1］、［2］對徑向轉向架的原理和現有的徑向轉向機構作了深入的研究及詳細的闡述。現有的徑向轉向架輪對轉動中心都位于構架中心線上，其徑向調節機構關于構架中心對稱。設想將左端軸箱與左側架鉸接，右端自由，則輪軸能像單擺一樣繞鉸接點擺動，為了耦合前后輪對的運動，在右端用連桿3、4、5組成一個徑向調節機構，如圖1、圖2所示，則2個輪軸的擺動互為鏡像，相向或相背，這就是單擺式徑向轉向架的工作原理。

圖1　單擺式徑向轉向架原理

圖2　連桿機構示意圖

這種徑向轉向架所用的桿件數量極少，只有3個桿，相對原有轉向架改動不多，具有較好的繼承性。該機構運動鏈共有5個活動構件（N=5），有7個回轉副（P=7），此機構的自由度W=3N-2P=1，即該機構只有一個自由度：兩個輪對相對搖頭的自由度，橫向移動自由度由左右側架提供。

2　動力學模型

采用SIMPACK動力學軟件建立轉K6轉向架的三維貨車動力學模型，在此模型上增加3個連桿構成徑向機構，同時提高圖1左端軸箱縱向定位剛度以限定左軸箱相對側架縱向移動，因為前后輪對搖頭耦合，相互制約，可以大幅度減小右端軸箱縱向定位剛度，使之成為單擺式徑向轉向架，2種轉向架的軸箱定位剛度參見表1。

表1　軸箱定位剛度　MN/m

3　動力學特性對比分析

分別對單擺式徑向轉向架和轉K6轉向架的動力學性能進行仿真計算。

3.1單擺式徑向轉向架對稱性分析

以相同的速度通過相同半徑的帶直線段的左、右曲線，對比第1位輪對沖角和輪軌橫向力、脫軌系數。仿真結果如圖3～圖5所示，在圓曲線上，左曲線比右曲線的沖角減小8.7%，橫向力、脫軌系數高度對稱，可認為單擺式徑向轉向架具有對稱的動力學性能。

圖3　沖角

圖4　橫向力

圖5　脫軌系數

3.2非線性臨界速度分析

在直線軌道上對車輛施加一個A A R四級軌道譜激擾，將速度遞增，直至第1位輪對橫向振動不再收斂，計算得到表2的結果。

表2　非線性臨界速度　km/h

單擺式徑向轉向架空車時的蛇行臨界速度最高。

3.3曲線通過性能分析比較

計算兩種轉向架以50 km/h速度通過超高為100 m m，曲線半徑80～800 m時，第一導向輪對沖角和輪軌橫向力、脫軌系數。

圖6顯示，曲線半徑小于500 m時，單擺式徑向轉向架導向功能顯著，曲線半徑在200 m左右時，輪對徑向效果最佳，沖角能減少39%，曲線半徑超過500 m后，沖角趨于平緩，最終與轉K6轉向架一致。

圖7、圖8表明，兩種轉向架的輪軌橫向力相差較小，脫軌系數相當，都不超過0.41。

單擺式徑向轉向架左右軸箱縱向定位剛度可以相同或不相同，兩者的組合方式多樣，尚需作更多的研究。

圖6　沖角對比

圖7　輪軌橫向力對比

圖8　脫軌系數對比

4　結束語

單擺式徑向轉向架是一種全新的徑向轉向架，以較少的桿件解決了轉向架曲線通過性能和橫向穩定性之間的矛盾，開創了非對稱徑向轉向架研究領域。

單擺式徑向調節機構不僅可以應用于貨車轉向架，也能應用于機車轉向架。

［1］ 孫 翔.機車徑向轉向架的機構分析［J］.機車電傳動，1995，（1）：1-7.

［2］ 孫 翔.機車徑向轉向架設計原理［J］.鐵道學報，1995，17（2）：25-32.

［3］ 孫 翔.新一代機車的走行部──徑向轉向架［J］.內燃機車.1995，260（10）：1-10.

［4］ 孫 翔，石永生，張崇堂，陳北權.內燃機車增大輪徑的靜態粘著性能試驗［J］.內燃機車.1994，239（1）：19-25，45.

［5］ 孫 翔.機車的傳動、驅動、控制與粘著［J］.鐵道學報. 1994，16（S1）：8-16.

［6］ 孫 翔.發展具有中國技術特色的高速鐵路［J］.中國鐵路.1994，（10）：19-23.

［7］ 孫 翔.高黏著利用機車的系統設計［J］.西南交通大學學報.1994，29（3）：235-248.

［8］ 孫 翔.牽引與導向在機車徑向轉向架上的協調［J］.機車電傳動，1995，（2）：7-12.

［9］ 孫 翔.機車車輛走行部的元件功能解耦及性能協調——對機車徑向轉向架技術內涵的分析［J］.內燃機車，1995，261（11）：1-8.

［10］ 畢 鑫，羅世輝，馬衛華.機車徑向轉向架的穩定性分析［J］.機車電傳動，2013，（5）：1-4.

［11］ 黃 偉.機車徑向轉向架典型結構及設計原則分析［J］.內燃機車，1995，251（1）：26-31，39.

［12］ 李 芾，傅茂海，黃運華.徑向轉向架機理及其動力學特性研究［J］.中國鐵道科學，2002，23（5）：46-51.

［13］ 李亨利，李 芾，廖 軍，等.國外快速貨車轉向架的運用及發展［J］.鐵道機車車輛.2013，33（4）：57-61，65.

［14］ 李 芾，傅茂海，黃運華.車輛徑向轉向架發展及其動力學特性［J］.交通運輸工程學報.2003，3（1）：1-6.

Research of Principle and Dynamic of Pendulu m Type Radial Bogie

S H I Yan
（National Laboratory of Traction Power，South west Jiaotong U niversity，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This paper presents a new radial bogie，and based on the principle of radial bogie design，it has a breakthrough design on the axle box guidance.With minimal rod，the conflict between bogie curve passing performances and transversal stability is solved.The concept of asy m metric radial bogie is firstly proposed，and kinetic analysis showed that this bogie had a significant effect passing the curve.

radial bogie；asy m metric；pendulu m

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.10

1008-7842（2015）05-0046-03

史炎（1964—）男，高級工程師（2015-03-30）