HZ160B 型快捷貨車轉向架計算載荷研究*

代魯平，鹿中華，白從凱，于連玉

（中車山東機車車輛有限公司，山東濟南 250022）

隨著我國經濟的快速發展，人們對鐵路運輸速度的需求日漸提高，多樣化的鐵路運輸方式，如快捷運輸、多式聯運、集裝化運輸和專用特種運輸等也應運而生。鐵路貨運的運輸速度和穩定性依賴于轉向架的性能，如何準確設計出高質量的高速轉向架顯得尤為重要，明確轉向架的受力特點，解析轉向架的載荷值和載荷分配方式更是重中之重。

中車山東公司研制了HZ160B 型的快捷貨車轉向架。以EN 13749 標準為基礎，對HZ160B 型轉向架的垂向疲勞載荷的分配情況進行了研究，并探討了兩種垂向疲勞載荷的計算方法［1］。

1 HZ160B 型轉向架

1.1 結構簡介

HZ160B 型快捷貨車轉向架主要由構架、軸箱轉臂、輪對、一系懸掛系統、二系懸掛系統、牽引裝置、制動系統等組成。一系采用軸箱轉臂定位結構，安裝有垂向鋼彈簧、橡膠彈簧墊和液壓減振器；二系采用橡膠彈簧，并安裝有二系橫向液壓減振器、抗蛇行減振器、二系橫向橡膠止擋。轉向架結構如圖1 所示。

1.2 技術參數

HZ160B 型快捷貨車轉向架在計算垂向載荷時用到的關鍵參數見表1～表3。

圖1 HZ160B 型轉向架結構圖

表1 轉向架技術參數

表2 橡膠彈簧垂向剛度

1.3 受力特點

與常規的貨車轉向架不同，HZ160B 型快捷貨車轉向架垂向載荷的承載方式是采用中間兩橡膠彈簧主要承載，側梁上兩常接觸旁承輔助承載。此種設計結構可有效兼顧直線和曲線通過性能。這種承載方式的難點在于計算垂向載荷在二系橡膠彈簧和常接觸旁承之間的分配。

EN 13749 中給出了常用的機車和貨車轉向架的載荷計算方法，對于雙橡膠彈簧雙旁承的貨車轉向架形式，橫向載荷、菱形載荷、扭轉載荷和縱向沖擊載荷均可借鑒標準中給出的計算公式，而對于垂向載荷的計算，目前國內外沒有相關標準可直接引用。

表3 旁承垂向剛度

2 HZ160B 型轉向架垂向疲勞載荷研究

EN 13749 標準對各類軌道車輛轉向架的載荷工況及組合進行了說明，是目前常用的軌道車輛轉向架標準。研究HZ160B 型轉向架的垂向疲勞載荷主要參考EN 13749 標準，一方面對于雙橡膠堆彈簧雙旁承承載的貨車轉向架，其大部分的垂向載荷是雙橡膠堆彈簧承載，類似于機車轉向架左右兩側彈簧承載方式，計算時可參考機車轉向架的載荷分配方式（見EN 13749 G.2）；另一方面HZ160B 型轉向架雙橡膠堆彈簧間距遠小于機車彈簧間距，可以將兩個橡膠堆等效為一個心盤，且采用貨車常用的兩個彈性旁承輔助承載，故另一種載荷分配方式參考貨車單心盤和兩個旁承的載荷分配計算方式（見EN 13749 G.3）。

轉向架的垂向疲勞載荷分為3 階段作用，載荷類型包括靜態部分，準靜態部分及動態部分。疲勞3 階段對應的載荷組成見表4。

表4 疲勞3 階段對應的載荷組成

2.1 參考機車轉向架的載荷分配方式的載荷計算（EN 13749 標準附錄G.2）

假設：將一個橡膠堆和同一側旁承視為機車轉向架一側的彈簧，靜態部分保持不變，動態部分按比例進行分配。機車雙彈簧支撐方式的載荷分配情況如圖2 所示。

圖2 機車雙彈簧支撐方式的載荷分配情況

關于側滾系數和浮沉系數的選取，采用EN 13749 標準F3.3.2 中的貨車轉向架的系數，對于旁承間距為2 000 mm 的轉向架，側滾系數α=0.2×，垂向浮沉系數β=0.3。轉向架橡膠堆和旁承載荷的靜態部分、準靜態部分和動態部分計算如下：

（1）靜態部分

重車時，旁承載荷為15.5 kN，則單個橡膠堆上載荷為146.41-15.5=130.91（kN）。

（2）準靜態部分

橡膠堆距離轉向架縱向中心線300 mm，旁承距離轉向架縱向中心線1 000 mm，認為車體是繞轉向架縱向中心線發生側滾，如圖3 所示，當側滾角度為θ時，橡膠堆的垂向位移hxjd≈300·θ，旁承的垂向位移hpc≈1000·θ，則橡膠堆垂向位移與旁承垂向位移之比約為1∶3。

假設在重車下，橡膠堆和旁承的垂向剛度在小變形范圍之內是線性的，則旁承垂向剛度約為0.58 kN/mm，橡膠堆垂向剛度約為12.63 kN/mm。準靜態和動態部分的載荷在旁承和橡膠堆上的分配比就可確認，約為0.1378∶1。由此可得橡膠堆和旁承的垂向載荷，整理后見表5。

圖3 車體側滾示意圖

2.2 參考貨車載荷分配方式的載荷計算（EN 13749 標 準 附 錄G.3）

假設：將轉向架中間兩個橡膠堆的垂向總載荷等同于貨車轉向架的心盤載荷，按照側滾時橡膠的壓縮量和彈簧剛度來分配垂向載荷。貨車單心盤和兩個旁承支撐方式的載荷分配情況如圖4所示。

圖4 單心盤和兩個旁承支撐方式的載荷分配情況

由EN 13749 標準中的F3.3.2 可知，對于旁承間距為2 000 mm 的轉向架，可計算側滾系數α=垂向浮沉系數β=0.3。轉向架橡膠堆和旁承的載荷的靜態部分、準靜態部分和動態部分計算如下。

（1）橡膠堆靜態部分

根據旁承彈簧與橡膠彈簧的初始高度、剛度曲線、載重以及結構尺寸計算，轉向架在側滾時傾角1.34°，此時一橡膠堆壓縮量為4.546 mm，另一橡膠堆壓縮量為18.325 mm，根據表2 中橡膠彈簧剛度插值可得：

可得橡膠堆和旁承的垂向載荷，整理后見表6。

表6 橡膠堆和旁承的垂向載荷 kN

2.3 兩種疲勞載荷計算結果對比

按照EN 13749 標準并結合HZ160B 型轉向架的特點，分別計算了兩種載荷分配方式下的疲勞載荷，通過對比發現：

（1）按照機車加載方式計算，載荷主要由中間兩個橡膠堆承載，兩個旁承輔助承載；

（2）按照貨車加載方式計算，載荷主要由其中一個橡膠堆承載，另一個橡膠堆和一側旁承輔助承載；

（3）側滾時，機車加載方式的兩側旁承均承載，貨車加載方式只有一側旁承承載；

（4）相比機車加載方式，貨車加載方式的計算載荷偏大，設計相對保守。

2.4 延伸研究

針對貨車加載方式，對HZ160B 型轉向架的垂向載荷分配進行了計算，發現在不同側滾系數（不同傾角）下的載荷分配差異不大，這與轉向架的橡膠彈簧剛度和旁承彈簧剛度有很大的關系，3 種側滾系數下HZ160B 型轉向架的垂向疲勞載荷分配情況見表7，供分析參考。

表7 不同側滾系數下垂向疲勞載荷分配

3 結束語

快捷貨運的快速發展對高速轉向架設計的創新性和多樣性提出了挑戰，在設計新式轉向架的同時也遇到了一些問題，需要在理論研究和標準制定等多方面進行補充，針對HZ160B 型轉向架的結構特點，對雙橡膠彈簧帶旁承的轉向架結構形式與常用機車和貨車的轉向架結構形式進行了分析和計算，提出了兩種垂向疲勞載荷的計算方法。