一種快捷貨車輕量化轉向架及動力學性能研究

望博文，周張義，丁軍君

一種快捷貨車輕量化轉向架及動力學性能研究

望博文，周張義，丁軍君

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

為了適應快捷貨運的發展和實現“雙碳”目標，提出并完成了一種新型輕量化內軸箱轉向架總體方案設計。該轉向架在采用軸箱內置的基礎上，一系結構采用簡單的懸掛裝置和扭轉剛度極低的鉸接構架相結合，二系懸掛采用組合橡膠彈簧形式。在滿足運用要求的基礎上使得轉向架簧下質量和自重均得到顯著降低，自重小于等于3.85 t。在此基礎上利用多體動力學仿真軟件SIMPACK對車輛懸掛參數進行優化，完成車輛動力學評估，動力學指標均滿足要求。進一步針對該轉向架特點，著重對不同構架扭轉剛度對動力學性能的影響進行研究，驗證該轉向架使用鉸接構架的必要性。相對于剛性構架，采用一系垂向剛度較大的懸掛裝置結合鉸接構架的轉向架適應線路不平順能力提高。

快捷貨車；內軸箱轉向架；輕量化；動力學性能評估；鉸接構架

由國家鐵路局發布的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》總體要求中的發展目標及任務提到：全面形成全國1/2/3天快貨物流圈，研發時速160 km及以上快捷貨運[1]。因此需要發展快捷貨運列車，轉向架是貨運列車的核心部件，故研發一種快捷貨車轉向架有重要意義，同時為了適應“十四五”節能規劃，需要對轉向架的結構進行輕量化創新研究。

本文分析了國內外快捷貨車轉向架的發展狀況，總結當前快捷貨車轉向架存在的不足，提出了適合當前發展規劃的一種軸重18 t、時速160 km的輕量化內軸箱快捷貨車轉向架的結構方案，同時依據GB/T 5599－2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》[2]，對轉向架關鍵參數進行優化設計，并完成動力學評估，針對轉向架特點，對構架扭轉剛度對動力學性能的影響進行研究，驗證了本方案轉向架使用鉸接構架的必要性。

1 國內外快捷貨車轉向架發展現狀及趨勢分析

1.1 國內外快捷貨車轉向架發展現狀

國外快捷貨車轉向架有法國國鐵研發的Y37型貨車轉向架、德國Talbot公司研發的DRRS轉向架（圖1）和TVG貨運動車組轉向架等，國內如中車齊齊哈爾車輛有限公司（以下簡稱中車齊車公司）研發的160 km/h快捷貨車轉向架（圖2），中車山東機車車輛有限公司、中車眉山車輛有限公司、中車長江車輛有限公司均研制了160 km/h快捷貨車轉向架[3]。國內正在線路使用的特快行郵專列XL25T型行李車，其最高運營速度能達到160 km/h[4]，該行李車采用傳統客車轉向架結構。

1.2 國內外快捷貨車轉向架發展趨勢分析

目前只有采用客車模式的行李車是既有成熟產品，但其不利因素是載重低、不經濟。新開發的轉向架采用了整體焊接構架、新型橡膠彈簧、液壓減振器等裝置，可以實現大載重，驗證了在快速鐵路上開行160 km/h快捷貨物列車技術的可行性。當前該類轉向架主要不足之處是自重大，因此當前快捷貨車轉向架總體發展趨勢是輕量化，目前受到高度關注的是采用內軸箱轉向架結構。

圖1 DRRS轉向架[3]

圖2 中車齊車公司160 km/h快捷貨車轉向架[3]

當前內軸箱轉向架在國外已得到應用，包括用于客車及高速動車組車輛的B5000、TR400及Flexx Eco系列轉向架，用于貨車的LEILA轉向架，用于城際動車組車輛的SF7000系列轉向架[3]，用于地鐵的美國波士頓轉向架[5]。國內李博之等[6]也提出快捷貨車內軸箱轉向架方案，并對其進行相關研究。上述內軸箱轉向架不只是簡單將軸箱內置，同時在結構上普遍采用短軸距、小輪徑、輕量化承載結構技術來進一步降低簧下質量和轉向架質量。

2 轉向架結構

2.1 轉向架實現輕量化的設計原則

（1）采用內軸箱結構，使得主要承載部件（輪對、構架）的橫向尺寸減小；

（2）使用短軸距，減少轉向架縱向尺寸，改善構架縱向梁的受力，進一步減輕構架質量；

（3）采用結構簡單、可靠、輕量化的一系懸掛系統和二系懸掛系統；

（4）為滿足極限工況下貨車空重車鉤高差不超過70 mm的限制，轉向架采用一系懸掛垂向剛度較硬、二系懸掛剛度較軟的結構特點；

（5）由于一系懸掛裝置垂向剛度較硬，本方案轉向架構架應不采用傳統剛性構架，必須采用扭轉剛度較小或為零的鉸接構架。

2.2 總體方案

本方案三維結構圖如圖3所示，具體為：

（1）采用小直徑、實心車軸，加裝雙軸盤的直輻板車輪及分體式內置軸箱體組成的輕量化輪對；

（2）一系懸掛裝置采用垂向剛度較大的八字形橡膠堆，位于軸箱上方；

（3）構架采用H形焊接、扭轉剛度為零的鉸接構架，構架由左右T形梁組成，左右T形梁可以繞軸做自由點頭運動，構架上焊有與一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、基礎制動裝置及牽引裝置相連接的各種安裝座，鉸接構架具體結構如文獻[7]所示；

（4）新型二系懸掛采用四組疊層橡膠彈簧和錐形橡膠彈簧串聯的形式，布置抗蛇行減振器、二系橫向減振器、二系垂向減振器及二系橫向止擋裝置，具體結構如文獻[8]所示；

（5）基礎制動裝置采用四組單元軸盤制動裝置；

（6）牽引裝置采用單拉桿牽引，其位于轉向架中部左右兩組串聯彈簧之間。

該轉向架技術參數如表1所示。

圖3 160 km/h快捷貨車內軸箱轉向架

表1 轉向架技術參數

針對輕量化轉向架結構方案，按照CEN/TS 13103-2:2020 Railway applications - Wheelsets and bogies - Part 2: Design method for axles with internal journals[10]對關鍵受力部件車軸進行了強度校核，車軸疲勞強度滿足相關要求。

通過研究我國既有鐵路快運貨物班列情況及市場需求，提出采用“160 km/h棚車＋”集裝化運輸模式[9]，因此該快捷貨車轉向架搭載棚車車體，車體自重25.3 t，載重39 t。

3 主要懸掛參數優化及車輛動力學性能評估

3.1 主要懸掛參數優化

采用SIMPACK建立配裝該轉向架的棚車車輛整車動力學模型，在此基礎上重點優化了空重車一、二系懸掛剛度，如表2所示。

表2 主要懸掛參數優化值

3.2 車輛動力學性能評估

按照GB/T 5599－2019對參數優化后車輛的動力學性能進行評估。

直線工況下，評估蛇行穩定性、運行平穩性及運行品質，結果如表3所示。由評估結果可知：①車輛在輪對踏面等效錐度0.4工況下，空重車臨界速度均大于200 km/h，滿足快捷貨車160 km/h的運營速度要求；②空重車的橫向平穩性指標W、垂向平穩性指標W均小于3.50，達到貨車平穩性指標的1級優秀標準；③空重車的橫向運行品質a小于5.0 m/s2、垂向運行品質a小于3.0 m/s2，滿足貨車運行品質標準。

表3 車輛直線工況動力學性能評估結果

表4 不同曲線設置

表5 曲線運行穩定性評估結果

動力學仿真結果表明，配裝該轉向架的棚車車輛動力學性能滿足GB/T 5599－2019要求。

4 鉸接構架扭轉剛度對車輛動力學性能影響研究

由于該轉向架一系垂向剛度大，不能采用傳統剛性構架，必須降低構架扭轉剛度。為了明確構架扭轉剛度對車輛動力學影響，對此提出驗證研究。分別設定構架不同等級的扭轉剛度（0 MN·m/rad、0.5 MN·m/rad、5 MN·m/rad、20 MN·m/rad、50 MN·m/rad及剛性構架）后進行動力學仿真，取0.5 MN·m/rad模擬實際結構中軸承摩擦可能帶來的較小的扭轉剛度。

4.1 直線工況對比

直線工況下，構架不同扭轉剛度對空重車等效錐度0.15和0.40時臨界速度的影響如圖4所示，構架不同扭轉剛度對空重車平穩性及運行品質評價的影響如圖5所示，構架不同扭轉剛度對空重車輪重減載率及輪軌垂向動作用力的影響如圖6所示。

（1）輪對踏面相同等效錐度條件下，隨著構架扭轉剛度的增加，空重車車輛臨界速度變化幅值均小于1%，隨著構架扭轉剛度的增加，車輛平穩性指標變化幅值均小于1%，空重車車輛運行品質指標a、a變化幅值均小于2%，說明構架扭轉剛度對車輛穩定性、平穩性和運行品質影響基本沒有影響；

圖4 構架不同扭轉剛度下空重車臨界速度

（2）構架扭轉剛度0MN·m/rad時，采用剛性構架的空、重車的輪重減載率分別相對增加74%、67%，輪軌垂向動作用力分別相對增加56%、45%，說明直線上較大的構架扭轉剛度對車輛輪重減載率、輪軌垂向動作用力影響顯著；相對剛性構架，采用扭轉剛度0 MN·m/rad的鉸接構架能夠大幅度降低輪重減載率和輪軌垂向動作用力，減少輪軌磨耗及噪音；

（3）當構架扭轉剛度為0.5 MN·m/rad時，空重車輪重減載率和輪軌垂向動作用力相對于扭轉剛度為0時變化幅值小于1%，證明直線工況下，實際鉸接構架結構中存在較小的扭轉剛度，對輪重減載率和輪軌垂向動作用力幾乎不產生影響。

圖5 構架不同扭轉剛度下空重車平穩性指標和運行品質

圖6 160 km/h時構架不同扭轉剛度下空重車輪重減載率及輪軌垂向動作用力

4.2 曲線工況對比

采用表4所示曲線設置，構架不同扭轉剛度下空重車的曲線運行穩定性評估結果如圖7所示。

（3）采用剛性構架，曲線半徑400 m時空車輪軸橫向力相對于扭轉剛度0 MN·m/rad增加21.5%，曲線半徑800 m時空車輪軸橫向力相對于扭轉剛度0 MN·m/rad增加14.7%，其他工況下相對于扭轉剛度0 MN·m/rad，輪軸橫向力變化均小于3%，脫軌系數增加均小于9%，說明構架扭轉剛度對輪軸橫向力和脫軌系數影響較小。

5 結論

（1）在采用新型內軸箱結構形式轉向架的基礎上，同時運用結構簡單的一系懸掛裝置、二系懸掛裝置，可使得轉向架自重小于3.85 t，實現結構輕量化。

（2）通過對轉向架動力學參數優化，對該轉向架裝配的棚車車體進行車輛動力學評估，車輛直線穩定性、平穩性、運行品質、曲線通過性指標均符合GB/T 5599－2019。

（3）在車輛通過曲線時，采用剛性構架的空車輪重減載率將會超過標準規范值，這說明該轉向架必須采用扭轉剛度較小或扭轉剛度為零的鉸接構架。

（4）在直線上，相對于剛性構架，低扭轉剛度構架能夠顯著降低空重車輪重減載率和輪軌垂向動作用力；在曲線上，相對于剛性構架，低扭轉剛度構架能夠顯著降低空重車輪重減載率，因此采用一系垂向剛度較大的懸掛裝置結合鉸接構架的轉向架結構形式能夠提高轉向架適應線路不平順能力。

圖7 構架不同扭轉剛度下空重車曲線運行穩定性評估結果

[1]國鐵集團. 新時代交通強國鐵路先行規劃綱要[J]. 鐵路采購與物流，2020，15（8）：26-32.

[2]中華人民共和國國家市場監督管理總局中國國家標準化管理委員會. 機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范：GB/T 5599－2019[S].

[3]勞良鋮. 高速貨車新型內軸箱轉向架設計及動力學性能研究[D]. 成都：西南交通大學，2021.

[4]刁曉明，熊芯，苗曉雨. 鐵路行李車裝載技術條件試驗方法研究[J]. 中國鐵路，2021（7）：87-91.

[5]劉志遠，張文康，高純友，等. 美國波士頓地鐵軸箱內置式轉向架結構設計[J]. 城市軌道交通研究，2019，22（3）：162-165.

[6]李博之. 快捷貨車內軸箱轉向架總體方案設計及動力學性能研究[D]. 成都：西南交通大學，2020.

[7]周張義，勞良鋮，劉書揚. 一種用于軌道車輛轉向架的鉸接構架[P]. 四川：CN214356033U，2021-10-08.

[8]周張義，望博文. 一種用于軌道車輛轉向架的二系懸掛裝置[P]. CN216833665U，2022-06-28.

[9]賀茂盛. 160km/h塞拉門棚車車體設計及結構優化[D]. 北京：北京交通大學，2021.

[10]CEN/TS 13103-2: 2020，The British Standards Institution, ComiteEuropeen de Normalisation. Railway applications-Wheelsets and bogies-Part 2: Design method for axles with internal journals[S].

[11]國家市場監督管理總局國家標準化管理委員會. 標準軌距鐵路限界第1部分機車車輛限界：GB 146.1-2020[S].

[12] 國家鐵路局. 鐵路線路設計規范：TB 10098－2017[S].

Research on A Lightweight Bogie of Express Freight Train And Its Dynamic Performance

WANG Bowen，ZHOU Zhangyi，DING Junjun

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In order to adapt to the development of express freight train and achieve the goal of “Double Carbon Policy”, a new type of lightweight inner axle box bogie overall scheme design is proposed and completed. Based on the inner axle box, a combination of a suspension with simple first structure and an articulated frame with extremely low torsional rigidity is adopted for the bogie. And a structure in the form of a combined rubber spring is adopted for the bogie’s secondary suspension. On the premise that the application requirement has been met, the unsprung weight and dead weight of the bogie are significantly reduced, and the dead weight is less than or equal to 3.85 t. Next, the multi-body dynamics simulation software SIMPACK is used to optimize the vehicle suspension parameters. According to the relevant industry standards, all the dynamic indicators meet the requirements. Further, according to the characteristics of the bogie, the research that attaches great importance to the influence of different frame torsional stiffness on the dynamic performance is carried out to verify the necessity of using the articulated frame for the bogie. Compared with the rigid frame, the bogie that adopts the first suspension with higher vertical rigidity combined with the articulated frame has an improved ability to adapt to line irregularities.

express freight train；inner axle box bogie；lightweight；dynamic performance assessment；articulated frame

U272.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.006

1006-0316 (2023) 07-0038-06

2022-08-11

國家自然科學基金——基于車輛－軌道耦合動力學理論的重載鐵路曲線段輪軌磨耗機理及其控制措施研究（51965016）；四川省國際科技創新合作項目——面向東南亞米軌鐵路的輪軌磨耗機理及控制策略研究（2022YFH0038）

望博文（1997－），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要研究方向為軌道車輛轉向架設計和車輛動力學，E-mail：wangbowen@my.swjtu.edu.cn。