一種貨車轉(zhuǎn)向架新型減振裝置的研制

許善超

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心,遼寧 大連 116041)

1 既有鐵路貨車構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架減振裝置概況

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架可分為鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架和構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架兩大類。構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架組成、減振裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、心盤及旁承等組成。其中,減振裝置直接影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能,是轉(zhuǎn)向架的核心技術(shù)。目前,構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架減振裝置主要有三大類,即:斜楔式減振裝置、直頂式減振裝置以及利諾爾減振裝置[1]。

我國(guó)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架主要采用斜楔式減振裝置和直頂式減振裝置。斜楔式減振裝置,是在軸箱和導(dǎo)框間設(shè)置斜楔,利用斜楔斜面角度將豎直載荷分解產(chǎn)生水平分力,在水平分力作用下產(chǎn)生與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力實(shí)現(xiàn)減振作用;直頂式減振裝置,是通過在軸箱和導(dǎo)框間設(shè)置水平放置的彈性元件產(chǎn)生水平力,在水平分力作用下產(chǎn)生與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力實(shí)現(xiàn)減振作用。

歐洲Y25型轉(zhuǎn)向架采用利諾爾減振裝置,通過在軸箱和導(dǎo)框間設(shè)置具有傾斜角度的吊環(huán),使豎直載荷產(chǎn)生水平分力,在水平分力作用下產(chǎn)生與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力實(shí)現(xiàn)減振功能。

三大類減振裝置主要有以下5種配置型式:

(1) 軸箱一側(cè)采用斜楔+對(duì)側(cè)采用剛性導(dǎo)框,如圖1所示。

圖1 斜楔+對(duì)側(cè)剛性導(dǎo)框減振裝置

(2) 軸箱一側(cè)采用斜楔+對(duì)側(cè)采用直頂減振,如圖2所示。

圖2 斜楔+對(duì)側(cè)直頂減振裝置

(3) 軸箱兩側(cè)采用斜楔減振,如圖3所示。

圖3 雙側(cè)斜楔減振裝置

(4) 軸箱兩側(cè)采用直頂減振,如圖4所示。

圖4 雙側(cè)直頂減振裝置

(5) 利諾爾減振,包括軸箱雙側(cè)采用利諾爾減振或軸箱一側(cè)采用利諾爾減振、對(duì)側(cè)采用剛性導(dǎo)框,如圖5所示。

圖5 利諾爾減振裝置(單側(cè))

上述三大類5種減振裝置各具有不同的特點(diǎn)。其中,斜楔式減振裝置、直頂式減振裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、可靠性高、減振性能穩(wěn)定,在我國(guó)鐵路貨車構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架上普遍采用。利諾爾減振裝置由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、制造工藝要求高,主要用于歐洲各國(guó)普遍采用的Y25型及其系列轉(zhuǎn)向架。

既有構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架減振裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表1。

表1 既有構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架減振裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2 新型減振裝置

2.1 基本結(jié)構(gòu)

新型減振裝置如圖6所示,主要由焊接在構(gòu)架上的導(dǎo)框、壓桿、壓桿座、軸箱及軸箱彈簧等組成。

圖6 新型減振裝置結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)框1、導(dǎo)框2焊接到構(gòu)架側(cè)梁下平面,軸箱彈簧放置在軸箱兩側(cè)彈簧承臺(tái)上,壓桿座放置在左側(cè)軸箱彈簧上平面位置,壓桿座下端圓臍為內(nèi)圓彈簧提供定位,下平面為彈簧支撐面,上面設(shè)置凹形半圓柱面,右側(cè)為鑲裝磨耗板用凹槽,磨耗板與軸箱側(cè)面配合。壓桿放置在壓桿座與導(dǎo)框間,壓桿兩端為凸圓柱面,與壓桿兩端凸圓柱面對(duì)應(yīng)配合的壓桿座和導(dǎo)框位置為凹圓柱面,通過凸凹圓弧面配合實(shí)現(xiàn)柱面連接,壓桿橫向通過導(dǎo)框內(nèi)壁限位。

軸箱右側(cè)彈簧上平面支撐在導(dǎo)框2的下平面,通過導(dǎo)框2將彈簧力傳遞給構(gòu)架。軸箱結(jié)構(gòu)如圖7所示,軸箱兩側(cè)水平面為彈簧承臺(tái)面,豎直面為與磨耗板配合面。軸箱內(nèi)可設(shè)置為圓弧型直接與軸承配合,也可設(shè)置為平面與承載鞍配合的結(jié)構(gòu),還可以在軸箱與承載鞍之間設(shè)置橡膠墊。

圖7 軸箱

2.2 作用原理及受力分析

新型減振裝置作用原理如圖8所示,以力平衡關(guān)系為基礎(chǔ),利用與豎直方向成一定角度的壓桿作用在導(dǎo)框和壓桿座之間,使壓桿軸向力分解為水平分力和垂向分力,且沿壓桿長(zhǎng)度方向的軸向力、水平力及垂向力相互作用,實(shí)現(xiàn)三力平衡。

N—水平分力;P—垂直分力;F—軸向力。

水平分力通過壓桿座施加在軸箱側(cè)面,使軸箱兩側(cè)受到正壓力。當(dāng)軸箱相對(duì)壓桿座豎直接觸面產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí),在摩擦力作用下產(chǎn)生阻尼作用,實(shí)現(xiàn)減振功能。

2.3 與利諾爾減振裝置對(duì)比分析

圖9為歐洲經(jīng)典的Y25型轉(zhuǎn)向架,采用利諾爾減振裝置。利諾爾減振裝置主要由軸箱彈簧、彈簧帽、吊環(huán)及軸箱等組成。輪對(duì)一側(cè)為導(dǎo)框剛性定位,對(duì)側(cè)采用吊環(huán)、彈簧帽結(jié)構(gòu)的減振裝置。

圖9 Y25型轉(zhuǎn)向架

新型減振裝置與利諾爾減振裝置的主要區(qū)別為:

(1) 利諾爾減振裝置采用吊環(huán)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)框兩側(cè)焊接懸臂軸,吊環(huán)兩端分別吊掛在導(dǎo)框懸臂軸和彈簧帽懸臂軸上,吊環(huán)受拉力;新型減振裝置采用壓桿結(jié)構(gòu),壓桿設(shè)置在導(dǎo)框內(nèi)部,壓桿受壓力。

(2) 利諾爾減振裝置磨耗后,吊環(huán)傾斜角度變小,水平分力減小,阻尼作用下降;新型減振裝置磨耗后,壓桿傾斜角度變大,水平分力變大,阻尼作用增加。

新型減振裝置與利諾爾減振裝置對(duì)比見表2。

表2 新型減振裝置與利諾爾減振裝置對(duì)比

3 動(dòng)力學(xué)性能仿真對(duì)比分析

動(dòng)力學(xué)仿真的主要內(nèi)容有:

(1) 車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的臨界速度;

(2) 車輛在直線上運(yùn)行時(shí)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo);

(3) 車輛通過曲線時(shí)的輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率。

輪軌接觸幾何模型的建立條件為:

(1) 采用TB/T 449—2003[2]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的LM型車輪踏面;

(2) 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 353 mm;

(3) 軌道輪廓采用GB 2585—2007[3]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的60 kg/m鋼軌橫斷面輪廓。

為了精確地模擬車輛的運(yùn)行性能,建立了車輛系統(tǒng)的橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)耦合的數(shù)學(xué)模型,并作出如下假定:

(1) 輪對(duì)、構(gòu)架和車體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多,均視為剛體,即忽略各部件的彈性變形;

(2) 不考慮牽引和制動(dòng)工況,只考慮車輛勻速運(yùn)行的情況。

采用由美國(guó)鐵路運(yùn)輸技術(shù)中心(TTCI)開發(fā)并頒布的NUCARS程序,進(jìn)行該車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模和計(jì)算。動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 5599—2019[4]標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 新型減振裝置與利諾爾減振裝置及單側(cè)斜楔減振裝置對(duì)比[5]

為對(duì)比分析裝用新型減振裝置、利諾爾減振裝置及單側(cè)斜楔減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能,選用C70E型通用敞車配裝Y25型轉(zhuǎn)向架的模型參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,其中減振裝置分別按新型減振裝置、利諾爾減振裝置與單側(cè)斜楔減振裝置配置,進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

3.1.1 計(jì)算方案

采用以下幾種計(jì)算方案:

(1) 方案1,新型減振裝置的壓桿放置在端軸內(nèi)側(cè);

(2) 方案2,新型減振裝置的壓桿放置在端軸外側(cè);

(3) 方案3,新型減振裝置的端軸兩側(cè)均設(shè)置壓桿;

(4) 方案4,利諾爾減振裝置的吊環(huán)設(shè)置在端軸內(nèi)側(cè);

(5) 方案5,單側(cè)斜楔減振裝置的斜楔放置在端軸內(nèi)側(cè)。

3.1.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

空重車工況下車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度如表3所示,除方案3車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度較低外,其他方案車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度相當(dāng)。車輛在直線上運(yùn)行時(shí)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo),在100 km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi),5種方案空、重車工況下均為優(yōu)級(jí),其中,方案1與方案2最大橫向加速度、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、輪軸橫向力略優(yōu)于方案4。車輛通過曲線時(shí)的輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 空重車工況下車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度 km/h

3.2 新型減振裝置與雙側(cè)斜楔減振裝置對(duì)比[6]

為對(duì)比分析裝用新型減振裝置與雙側(cè)斜楔減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能,選用某型集裝箱車配裝三軸轉(zhuǎn)向架的模型參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,其中減振裝置分別按新型減振裝置和雙側(cè)斜楔減振裝置配置,進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

3.2.1 計(jì)算方案

采用以下幾種計(jì)算方案:

(1) 方案1,新型減振裝置的壓桿放置在端軸內(nèi)側(cè);

(2) 方案2,新型減振裝置的壓桿放置在端軸外側(cè);

(3) 方案3,新型減振裝置的端軸兩側(cè)均設(shè)置壓桿;

(4) 方案4,雙側(cè)斜楔減振裝置的端軸兩側(cè)均放置斜楔。

3.2.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

空重車工況下車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度如表4所示,除方案3外均能夠滿足車輛120 km/h運(yùn)行速度的要求。車輛在直線上運(yùn)行時(shí)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo),在120 km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi),方案1、方案2、方案4空車工況下為優(yōu)級(jí);方案1、方案2重車工況下為優(yōu)級(jí),方案4重車工況下為良好級(jí)。車輛通過曲線時(shí)的輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 空重車工況下車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度 km/h

4 結(jié)論

(1) 基于構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架減振裝置導(dǎo)框既有結(jié)構(gòu)型式,新型減振裝置壓桿設(shè)置在導(dǎo)框內(nèi)部,具有結(jié)構(gòu)合理、工藝性好的特點(diǎn);

(2) 新型減振裝置采用無焊接壓桿結(jié)構(gòu),其工藝性和可靠性優(yōu)于采用懸臂軸方式的焊接吊耳軸結(jié)構(gòu)利諾爾減振裝置;

(3) 新型減振裝置具有磨耗后阻尼增加的特點(diǎn),利諾爾減振裝置具有磨耗后阻尼減小的特點(diǎn);

(4) 通過對(duì)裝用新型減振裝置與裝用利諾爾減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能仿真對(duì)比分析,得出重車工況下裝用2種減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能相當(dāng),空車工況下裝用新型減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能略優(yōu)于裝用利諾爾減振裝置的車輛;

(5) 通過對(duì)裝用新型減振裝置與裝用雙側(cè)斜楔減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能仿真對(duì)比分析,得出空車工況下裝用2種減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能相當(dāng),重車工況下裝用新型減振裝置車輛的動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)于裝用雙側(cè)斜楔減振裝置的車輛。