铁路提速及重载货车转向架交叉支撑技术的研究与应用

第30卷第2期铁 道 学 报V ol.30　N o.2 2008年4月JO U RN A L O F T HE CHI NA RA I LWA Y SO CIET Y A pril2008文章编号:1001-8360(2008)02-0065-06

铁路提速及重载货车转向架交叉支撑技术的研究与应用

崔殿国1,　于连友2,　吕可维2

(1.中国北方机车车辆工业集团公司,北京100038;

2.中国北车集团齐齐哈尔铁路车辆(集团)有限责任公司,黑龙江齐齐哈尔　161002)

摘　要:阐述了铁路货车三大件转向架交叉支撑技术的作用原理和技术关键,并应用动力学仿真软件研究了车辆

的动力学性能与交叉支撑装置特性参数的关系,应用疲劳理论和试验研究手段对交叉支撑装置的可靠性和结构

进行了研究改进,完善了提速、重载货车转向架的结构及参数,提高了交叉支撑装置的使用寿命和交叉支撑转向

架的可靠性。应用转向架参数测试台对交叉支撑转向架进行了系统的参数测试,并通过线路动力学试验验证了

装用交叉支撑转向架的货车可满足我国铁道车辆动力学规范的要求。

关键词:铁路货车;转向架;交叉支撑;车辆动力学

中图分类号:U270.331 文献标志码:A

Study and Application of Frame Brace Bogie Technology for Railway

Freight Cars with Increased Speeds and Higher Loading Capacities

CUI Dian-g uo1,　YU Lian-yo u2,　LU Ke-w ei2

(1.C hina Northern Locomotive&Roll ing S tock Industry(G rou p)Corporation,Beijing100038,China;

R Qiqihar Railw ay Rolling Stock(Group)C o.Ltd,Qiqihar161002,C hina)

A bstract:The operation principle and key points of frame brace technolog y for bogies o f railw ay freig ht cars are described.The relationship between the characteristic parameters o f the frame brace equipment and the vehicle dy namic perform ance is illustrated by dy namics sim ula tion.The reliability and structure o f the fram e brace e-quipment are im pro ved under the fatig ue theory and by means of experimental w ay s.This re sults in perfected structures and parameters o f freigh t car bogies,longer service life of the frame brace equipment,and betterreli-ability of frame brace bogies.The characteristics of the fram e brace bogies are sy stematically tested w ith the bo gie param eter test rig.It is ve rified thro ug h field tests that freight cars with frame brace bo gies can satisfy all requirements o f the chinese natio nal dynamics specificatio ns for railw ay vehicles.

Key words:railw ay freight car;bogie;frame brace;vehicle dynam ics

我国铁路主要技术政策[1]中明确提出快运货物列车最高运行速度160km/h,普通货物列车最高运行速度120km/h,而我国原有50余万辆装用转8A型转向架的货车最高运行速度仅达“空车70km/h,重车80km/h”,难以满足铁路运输提速、重载的需要。

20世纪70～80年代,北美铁路在研究提高三大件转向架性能的过程中,提出采用侧架对角交叉支撑装置[2]提高三大件转向架正位能力的方法,在保持既有三大件式转向架结构简单、造修方便、对线路适应能

收稿日期:2007-04-16;修回日期:2007-07-25

作者简介:崔殿国(1954—),男,辽宁大连人,教授级高级工程师。

E-mail:cuidianguo@cn 力强等优点的同时,提高了转向架的运行稳定性。

20世纪90年代初,齐齐哈尔铁路车辆(集团)有限责任公司(简称:齐车公司)开始研究提高三大件转向架正位能力的方法,如在转向架两侧架间加装弹性交叉支撑装置,将两侧架稳定、弹性地连接起来,提高转向架抗菱刚度;在承载鞍和侧架间加装橡胶元件,将原摩擦副转化成具有三向刚度的弹性定位,提高转向架的稳定性和运行品质。经一系列的研究改进,1998年定名为转K1型中交叉支撑转向架[3]。

在此基础上,1998年齐车公司引进美国SC T公司的下交叉支撑技术,开发了适合中国国情的转K2型下交叉支撑转向架,用在运营速度120km/h的P65

型行包快运棚车上;2002年载重60t 级新造货车批量装用转K2型转向架,2004年对装用转8A 型转向架的既有各型货车进行换装转K2型转向架。与此同时又开发了载重70～80t 级货车用转K6型重载货车转向架,2004年开始批量装车,2006年开始在中国铁路全面推广。

1　侧架弹性交叉支撑技术原理

与传统H 型构架转向架不同,三大件式货车转向架是由1个摇枕和2个侧架组成转向架的“构架”。作为三大件转向架的摇枕相对左右侧架作浮沉、滚摆运动是正常的,但不应有持续的相对摇头运动。与转8A 型转向架类似的传统三大件式转向架,其侧架相对摇枕的水平(摇头)转动是通过摇枕两端的弹簧和斜楔减振装置来约束的,这种约束方式稳定性较差,它所提供的阻止摇枕与侧架之间发生菱形变形的约束与弹簧减振装置承受的载荷大小、斜楔的磨耗状态和几何形状有关,在空车状态或斜楔严重磨损和变形时,这种约束比较松散。

转向架运行时,由于前后轮对会产生同相摇头及反相横摆蛇行运动,使左右侧架相对摇枕发生水平平面内的同相角位移,即转向架“构架”发生菱形变形,如图1所示。摇枕与侧架间约束菱形变形的能力通常用抗菱刚度K L 表示

。

抗菱刚度的定义是使两侧架前后变位而施加的剪切力矩与两侧架中心连线相对于原侧架中心线的转角

(侧架的菱形变位角)之比。

一侧侧架的抗菱刚度为

K L =

Fb θ或K L =M L

θ

(1)式中,F 为作用于一侧侧架的纵向力;M L 为作用于一

侧侧架纵向力产生的菱形变形力矩,M L =Fb 。

传统三大件转向架抗菱刚度由摇枕弹簧提供的抗菱刚度和由减振器提供的抗菱刚度很小,试验测试表明,其抗菱刚度值仅有1～2M N ·m /rad 。

理论研究指出,抗菱刚度可有效控制三大件式转向架的蛇行运动稳定性;抗菱刚度小,两轮对容易产生同相摇头和反相横移运动,转向架直线运行的稳定性差,易发生蛇行失稳,并降低车辆运行平稳性。因此,提高三大件式转向架的抗菱刚度是非常重要的。

侧架交叉支撑技术的原理就是在三大件式转向架的基础上,采用一组相互交叉的杆件结构把转向架的左右侧架弹性地连接起来,如图2(a )所示。

图2中原三大件转向架摇枕与侧架之间在水平平面内相互菱形运动的抗菱刚度用K L 0表示。每个交叉连杆端与侧架在水平面内的连接刚度用K 表示,而且

定义为沿交叉连杆轴线的刚度。为分析加装交叉支撑装置转向架的抗菱刚度,在左右侧架上加一对方向相反的力F ,如图2(b )所示,假设左右侧架在外力矩2Fb 的作用下分别反向移动了一个很微小的纵向位移Δx ,那么在侧架与摇枕的连接处则产生平衡反力矩M L ,在侧架与两交叉杆连接处则产生压缩及拉伸反力F 3与F 2。由于结构、位移和轴向橡胶元件刚度的对称性,可以认为F 3=F 2。对一个侧架而言,F 2、F 3对侧架与摇枕的交接点产生的回转力矩M F 2、M F 3同原三大件抗菱力矩M 1一起平衡Fb ,即

M F 2+M F 3+M 1=Fb (2)

此时交叉支撑转向架抗菱刚度可表示为

K L =

M F 2+M F 3θ+M 1

θ

(3)66

　铁 道 学 报第30卷