連接間隙對副構架式徑向轉向架動力學性能的影響*

李亨利， 田光榮， 李 芾， 鄧 濤， 吳 暢

(1 西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

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連接間隙對副構架式徑向轉向架動力學性能的影響*

李亨利1， 田光榮2， 李 芾1， 鄧 濤1， 吳 暢1

(1 西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

采用SIMPACK軟件建立配裝27 t軸重DZ3型轉向架的C80EF型通用敞車動力學模型，分析輪對徑向裝置連接間隙對車輛動力學性能的影響。計算結果表明：對稱連接間隙對轉向架動力學性能的影響大于非對稱間隙；連接間隙增大后連接桿力從連續變化變為脈沖變化，10 Hz以上的高頻成分增加，車輛臨界速度顯著下降，連接間隙控制在1.5 mm之內方能保證車輛穩定性；連接間隙增加不會引起車輛曲線通過性能的惡化，連接間隙2.5 mm以上時，輪對徑向裝置基本失去對輪對運動的控制能力。現有轉K7型轉向架在運用約45萬km后，連接間隙在1 mm范圍內，對轉向架動力學性能的影響在可接受范圍內。

連接間隙； 徑向轉向架； 輪對徑向裝置； U形副構架； 動力學

輪對徑向機構是副構架式徑向轉向架的獨特結構，也是保證轉向架動力學性能的關鍵，其一般由2個U形副構架體通過交叉布置的連接桿和連接桿圓銷構成，如圖1所示。同時，由于徑向原理的需要，連接桿需要相對U形副構架繞圓銷軸線轉動，以使得前后輪對能相對搖頭而在曲線上徑向通過。從而因連接桿圓銷磨耗將會產生連接桿與U形副構架的連接間隙，此種連接間隙對徑向轉向架動力學性能的影響目前還缺乏系統研究，一定程度上影響了對徑向轉向架的設計、制造和運用標準的完善。

圖1 輪對徑向機構連接結構

1 計算模型

以我國新型27 t軸重DZ3型副構架式徑向轉向架配裝于C80EF型通用敞車為例，在動力學軟件SIMPACK中構建車輛動力學計算模型[1](圖2)。模型中連接桿等效為無質量桿件，僅計入沿桿軸線的平動和相對U形副構架的搖頭轉動，桿兩端與U形副構架的連接

采用式(1)確定的力函數F：

(1)

式中k為連接桿與副構架的軸向連接剛度；l和l0分別為連接桿實際長度和自由長度；δ為連接間隙，一根連接桿兩端均用圓銷連接，故力函數計入的總間隙為2δ。實際運用中，輪對徑向機構兩連接桿圓銷的磨耗程度不盡一致。為簡化問題，將兩連接桿存在相同間隙時定義為對稱間隙；將一連接桿無間隙，另一連接桿存在間隙時定義為非對稱間隙，從而實際連接桿間隙可表示為對稱間隙和非對稱間隙的線性組合。模型中線路激擾為AAR5級線路譜，曲線工況的線路設置為2段半徑600 m，超高100 mm，長度為350 m的S形曲線，緩和曲線長度均為70 m，2段曲線之間的夾直線長度為150 m，如圖3所示。

圖2 車輛動力學計算模型

圖3 S形曲線線路設置

2 連接桿間隙對動力學性能的影響

一般地，為取得良好的曲線通過性能，副構架式徑向轉向架的輪對縱向定位剛度僅為普通轉向架的1/10～1/5。此種情形下，輪對徑向裝置就成為約束輪對運動，影響車輛穩定性的重要部件，從而U形副構架的連接間隙將不可避免地對車輛臨界速度產生影響。

圖4列出了連接桿間隙變化時車輛臨界速度的計算結果。分析可知：對稱間隙對車輛臨界速度的影響大于非對稱間隙，且車輛臨界速度是連接桿間隙的單調減函數，間隙越大，臨界速度越低。以空車對稱間隙為例，當間隙δ從0增大到5 mm后，車輛臨界速度從149 km/h降低至115 km/h。從變化梯度分析，當間隙在1 mm范圍內變化時，車輛臨界速度下降幅度僅在5 km/h以內，間隙在1.5～3 mm之間變化時，車輛臨界速度快速下降；間隙在3.5 mm以上時，車輛臨界速度隨間隙的變化幅度重新趨于平緩，但仍能滿足車輛最高運行速度100 km/h的要求。這一結果從不同間隙時的連接桿力變化得到解釋。以空車對稱間隙連接桿力的計算結果(圖5)為例：間隙為0時，連接桿力是連續變化的；間隙為1 mm時，連接桿力峰值有所上升，但數值變化相對無間隙的連接桿力仍有良好的跟隨性，連接桿能有效地控制輪對運動，車輛臨界速度變化不大；間隙增大至3 mm，連接桿力表現為脈沖變化，失去連續控制輪對運動的能力，車輛臨界速度明顯下降。因此，為保證副構架式徑向轉向架具有穩定臨界速度，連接間隙應控制在1.5 mm以內。

圖4 連接間隙對車輛臨界速度的影響

圖5 空車直線連接桿力(對稱間隙，80 km/h)

徑向轉向架理論奠基人Wickens指出：對于任何對稱的二軸轉向架，要使其具有更良好的曲線通過性能，就要求輪對間的彎曲剛度更小。而如果彎曲剛度越小，則蛇行失穩臨界速度也越低[2-3]。上述論述表明彎曲剛度對轉向架曲線通過性能和蛇行穩定性的影響是完全相反的。在轉向架輪對懸掛剛度確定的情形下，輪對徑向裝置只可能增大轉向架彎曲剛度。另一方面，Scheffel確定的按照曲線通過時輪對縱向、橫向力的平衡條件的輪對縱向約束設計方法，其設計目標是前后輪對間的輪對徑向裝置不受橫向力作用。即最理想的曲線通過情況下，連接桿力應為零[4-5]。由此可見，輪對徑向裝置對輪對的約束的主要作用是保證轉向架的直線穩定性，而對改善轉向架曲線通過性能無有益影響。

分析車輛以速度80 km/h通過如圖3所示的曲線時，連接桿間隙與車輛動力學性能的關系，如圖6～圖8所示。當連接間隙增大后，車輛的曲線通過性能并沒有因此而惡化。且同車輛直線動力學性能一樣，對稱磨耗比非對稱磨耗的影響更大，這一結果與前述理論預測吻合。同時，從輪軌橫向力、磨耗功及輪對沖角的變化趨勢分析。在所計算的工況下當連接桿間隙在2.5 mm以上時，各指標變化很小，可認為此時連接桿基本失去對輪對運動的控制能力。

圖6 連接間隙對輪軌橫向力的影響

圖7 連接間隙對輪軌磨耗功的影響(共1 km)

圖8 連接間隙對輪對沖角的影響

圖9～圖10為車輛所計算曲線工況下連接桿力的計算結果。從力的大小看，連接桿力隨間隙增大而減小，其表明對前后輪對運動控制能力的持續減弱；間隙過大時，連接桿力接近0，意味著整個輪對徑向裝置不再傳遞前后輪對間的相互作用。從力的頻率分布看，連接桿力頻率以約10 Hz為界線，無間隙的理想結構連接桿力小于10 Hz的低頻段分布大于間隙工況，而高頻段則低于后者，其時域結果表現為連接桿力從連續變化轉變為脈沖變化，與直線計算結果一致。

圖9 連接間隙對連接桿力的影響

圖10 連接桿力功率譜密度 (空車，對稱間隙，80 km/h)

3 運用中連接間隙的調查及結構改進

為進一步研究輪對徑向裝置連接間隙在運用中的控制標準，對大秦線運用45萬km后的10輛C80BF型運煤專用敞車配裝的20臺轉K7型副構架式徑向轉向架進行了抽樣調查，其中典型的連接桿圓銷外觀如圖11所示，連接間隙測量結果見表1(圓銷位置編號與傳統意義上的車輪位置編號規則相同)[6]。

連接桿圓銷的主要磨耗發生在與連接桿襯套的接觸接觸部位，因此處是轉動副，磨痕均勻分布于整個接觸環帶；所測量的間隙最大值1 mm，最小值0.3 mm，若按正態分布進行估計其均值約為0.55 mm。結合理論分析結果，上述調查表明轉K7型轉向架在運用一個段修期內連接間隙對轉向架動力學性能的影響很小，在可控范圍之內。新一代27，30 t軸重DZ3、DZ6型副構架式徑向轉向架連接桿內設置彈性鉸[7](圖12)，實現連接桿與副構架的彈性連接，從而進一步減小了連接間隙，延長輪對徑向裝置的檢修周期。為考察該彈性鉸的運用效果，將其裝配于U形副構架并進行80萬次的縱橫向加載試驗。試驗后，彈性鉸無失效，與連接桿配合良好，無明顯間隙出現，其進一步的評估結果將從對DZ3型轉向架在大秦線的運用考核中獲得。

圖11 運用約45萬km連接桿圓銷外觀

mm

圖12 彈性鉸

4 結 論

(1)連接間隙對車輛動力學性能有重要影響，其中對稱間隙的影響大于非對稱間隙。連接間隙增大至3 mm以上后，連接桿力從連續變化將變為脈沖變化，10 Hz以上的高頻成分明顯增加。

(2)車輛蛇行臨界速度隨連接桿間隙增大而下降，連接間隙控制在1.5 mm以下時，臨界速度降低約5 km/h。連接間隙增大后，車輛曲線通過性能無明顯降低，連接間隙在2.5 mm以上時，可認為連接桿基本失去對輪對運動的控制能力。為保證副構架式徑向轉向架具有穩定的臨界速度，連接間隙應控制在1.5 mm以內。

(3)轉K7型轉向架連接桿與圓銷剛性接觸的結構，在運用45萬km后，連接間隙小于1 mm，對車輛動力學性能的影響較小。新一代DZ3和DZ6型轉向架連接桿與圓銷采用彈性鉸的彈性連接結構，可進一步減小連接間隙，延長輪對徑向裝置的檢修周期。

[1] 李亨利,李芾,潘樹平,等.貨車徑向轉向架U形副構架的結構剛度設計方法[J].中國鐵道科學,2014,35(2):72-79.

[2] 陳澤深,王成國.鐵道車車輛動力學與控制[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[3] WICKENS A H. Static and Dynamic Instabilities of Bogie Railway Vehicles with Linkage Steered Wheelsets [J]. Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility，1996，26(1)：1-16

[4] SCHEFFEL H，FROEHLING RD，HEYNS P S. Curving and Stability Analysis of Self-Steering Bogies Having a Variable Yaw Constraint [J]. Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility,1994, 23(supplement 1)：425-436.

[5] 李亨利,黃運華.轉K7型轉向架動力學性能研究[J].鐵道機車車輛,2009,29(4):26-29.

[6] 南車眉山車輛有限公司.轉K7型轉向架技術狀態的調查[R].四川眉山，2010.

[7] 南車眉山車輛有限公司.DZ3型轉向架研制工作報告[R].四川眉山，2014.

Influence of Connection Gap on Sub-frame Radial Bogie Dynamic Performance

LIHengli1,TIANGuangrong2,LIFu1,DENGTao1,WUChang1

(1 Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China; 2 Loccomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The vehicle system dynamic model of C80EF Gondola, equipment with 27 tons axle load DZ3 type radial bogie was established within SIMPACK software, and the effect of radial device connection gap on dynamic performance was analyzed. The results show that the symmetric connection gap affects more than the unsymmetrical gap. The connecting rod force from the continuous variation to changes in pulse when the gap increasing, and the high frequency above 10Hz increase at the some time. In order to avoid the vehicle critical speed decreased significantly, the gap should ensure within 1.5mm. On the other hand, the connecting gap won't deteriorate the vehicle curve negotiation, when the gap larger than 2.5mm, radial device almost lose it's ability to control the wheelset motion. According the investigation results, The K7 type radial bogie connection gaps less than 1mm after in use of about 450,000 km, and the dynamic performance influence was acceptable.

connection gap; radial bogie; wheelset radial device; U type sub-frame; dynamic

1008-7842 (2015) 03-0017-04

*國家自然科學基金資助項目(50975238);四川省科技支撐計劃項目(2013GZX0142)；中央高校基本科研業務費科技創新項目(SWJTU12CX041)

??)男，高級工程師，博士研究生(

2014-12-30)

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.04