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现代轨道结构


A.国外重载货车转向架
1. Dresser DR-1 转向架 Dresser DR-1 转向架是美国研发的一种自导向转向架,在通过曲线时轮对趋于径向位 置,因此车辆通过曲线时阻力小,轮轨间磨损小。 (它是在现有三大件转向架承载鞍上加装一对弓形导向臂,前后轮对的弓形导向臂在 摇枕孔附近销接在一起,两个弓形导向臂在水平面内可以相对转动。当车辆通过曲线时, 一个轮对产生摇头转动,并通过导向臂迫使转向架上另一个轮对做相反方向的摇头转动, 两个轮对相对成八字形并接近曲线的径向位置。 通过解除对轮对的摇头约束,依靠轮轨之间的蠕滑力导向,并通过径向拉杆使转向架 的前后轮对同时趋于曲线的径向位置。 ) 这种转向架在美国和加拿大轴重为30t以上的重载铁路上进行了大量实验,证明其在曲 线上减小轮轨作用力有相当显著的效果。

自导向转向架

传统三大件式转向架 径向转向架示意图 (图片)

径向转向架

2. Devine-scaIes 转向架 Devine—scales转向架由英国人设计、美国公司生产的一种迫导向转向架。转向架每侧 有导向杠杆系统把轮对和车体连接起来。 (当车辆进入曲线时,由于车体和转向架间的相对回转运动,导向杠杆系统使同一 转向架上两轮对曲线外侧的轴距扩大, 曲线内侧的轴距缩小, 从而使轮对处于径向位置。 在直线线路上,刚性构架和导向杠杆系统使轮对保持与线路中心线相垂直,抑制轮对的 蛇行运动、增强车辆的横向稳定性) 。 这种转向架在加拿大铁路31t轴重的重载运煤列车上试用,运用结果比较令人满意。

迫导向转向架

杠杆式迫导向转向架的导向原理 (图片)
3.侧架交叉支撑式转向架 由于传统三大件转向架的抗菱刚度较小, 美国、 加拿大等国对三大件转向架进行了改造。 改造方案是在三大件转向架两个侧架之间加装弹性交叉成为交叉支撑式转向架。 (这种转向架在侧架上焊接筋板,两根交叉支撑通过橡胶衬垫固定在侧架筋板上,两 根支撑杆交叉于转向架的中心线上。两根交叉支撑可以从摇枕下部穿过,也可以在摇枕两 侧腹板上开孔穿过。交叉支撑可以增加两侧架在水平面内的抗菱形刚度,提高三大件转向 架的抗蛇行稳定性,提高车辆的临界速度,但交叉支撑并不妨碍两侧架在纵、垂平面内的 相对转动,保持了三大件转向架各车轮载荷均匀的优点。 ) 在交叉支撑式转向架的轴承承载鞍和侧架导框座间加装了橡胶垫,适当选择橡胶垫垂 向、纵向和横向刚度使轮对易于通过曲线。 (画图说明)

侧架交叉支撑式转向架

交叉支撑等效模型 (图片) 4. LTF 转向架 英国开发了一种低轨道作用力(Low Track Force Bogie)转向架,简称 LTF 转向架。它实 现低动力作用的主要途径是降低转向架自重,尤其是降低转向架的簧下质量。 (这种转向架采用内置轴箱,即轴箱安装在车轮内侧,采用重量较小的锻铝轴箱,盘 形制动,采用构架式两系悬挂:一系悬挂为高圆簧,二系悬挂为橡胶弹簧,它们提供垂向 和横向的刚度;二系悬挂中有一个倾斜安装的油压减振器提供垂向和横向减振阻尼。 ) (图片) 5. Scheffe I 自导向转向架 南非是一个在米轨铁路上开展重载运输较成功的国家, 由于通过小半径曲线时的轮缘磨 耗严重,所以南非研制的 Scheffe I 转向架是在原三大件转向架的基础上加一个副构架,安 装在一个轮对的左右两个承载鞍上,前后两个副构架由两根交叉支撑销接。 这种交叉支撑结构能保证轮对径向通过曲线, 转向架侧架和副构架间在承载鞍前后位置

有剪切刚度较小的橡胶垫,也便于轮对径向通过曲线。

弹簧减振装置 承载弹簧采用两级内、外双圆柱螺旋弹簧组承载。承载外圆弹簧比承载内 圆弹簧高 26mm。空车时仅承载外圆弹簧承载,重车时内圆弹簧也参与承载,实 现空、重车两级刚度。这样,既可以提高空车静挠度,改善空车运行品质,又 可以保证重车时,弹簧组具有合适的挠度,保证空、重车车钩之间的连挂。

橡胶堆
橡胶堆由金属和橡胶硫化而成,橡胶堆的作用: 1.采用橡胶堆也可大大改善车轮踏面磨耗状况; 2.采用橡胶堆实现了轮对的弹性定位,减少转向架簧下质量,隔离轮轨间高频振动, 降低对轨道的冲击,改善轮轨之间的磨耗。 3.采用橡胶堆缓和轮轨冲击,同时有利于提高转向架侧架等零部件的疲劳寿命。

B.我国重载货车转向架
我国早期主型货车转向架为转 8A 型转向架,其侧架—摇枕定位刚度不足,致使菱形刚 度低,容易产生菱形变位,导框式轴箱定位致使转向架蛇行运动稳定性差,滚动轴承损坏过 快。转 8A 系列的转向架不能适应重载运输的需要,已经停止生产。

转 8A 转向架

楔块式摩擦减震器 (图片) 株洲车辆厂采用摆式转向架技术、 齐车公司采用交叉支撑技术分别研制出 25t 轴重的转 K5、转 K6 型转向架。眉山车辆厂于 2003 年引进南非 Scheffel 径向转向架技术,研制出 25t 轴重的转 K7 型转向架。25t 轴重转 K5、转 K6、转 K7 型转向架均已装配在 C80 运煤专用 敞车上,并在大秦线上得到运用。

转 K7 转向架 (图片) 虽然目前我国重载专用货车的最大轴重仅为 25t,但我国却成功出口了许多轴重大于或 等于 25t 的重载货车转向架。 1)出口委内瑞拉 30t 轴重转向架

(图片)

南车集团眉山车辆厂与委内瑞拉某公司签订了自翻车出口合同,该转向架为安装有常 摩擦减振装置的控制型转向架,主要由摇枕、侧架、轮对、双列圆锥滚子轴承、减振装置和 基础制动装置等组成。 2)出口澳大利亚 35.7t 轴重转向架

(图片) 齐齐哈尔铁路车辆有限责任公司为澳大利亚力拓矿石公司开发研制了 35.7t 轴重的货车 转向架。该转向架为铸钢三大件控制型转向架,主要由侧架、摇枕、中央弹簧悬挂装置、减 振装置、轮对、基础制动装置、弹性旁承等组成。

C.我国 25t 轴重以上重载货车选型
随着货物列车重载化的发展, 特别是随着货车轴重的增加, 列车与线路间动态相互作用 显著增强,加剧了车辆磨损,降低了车辆部件的使用寿命;同时,列车对轨道结果的破坏作 用及线路变形也随之加剧。开发低动力作用转向架可以减轻重载列车和线路间的相互作用 a)低动力作用转向架选型原则 1)减小簧下质量 簧下质量对轮轨垂向动作用力特别是低频作用力只影响很大。 降低簧下质量的有效措施 是采用一系悬挂。 2)优化车轮参数 车轮参数主要指车轮半径和踏面形状。 (随着轴重的增加,轮轨接触应力也相应地增加。这意味轮轨疲劳循环荷载下的应力 水平也随之增高,必然导致疲劳循环次数相应地降低。其结果是轮轨提前出现各种损伤, 以致缩短轮轨使用寿命。 ) 加大轮径能够使轮轨接触应力有所下降。使用磨耗型踏面替代锥型踏面可使轮轨接触 应力减小。 3)减小一系横向定位刚度 一系弹簧横向定位刚度对轮轨间横向作用力影响很大, 减小横向定位刚度不仅可以降低 车辆对轨道的动力作用,还可以提高抗脱轨安全性。

一系横向刚度对轮轨横向力的影响 (但是一系悬挂在纵向和横向的定位刚度对于车辆蛇行稳定性有很大影响,故只能在 保证横向蛇行稳定性的前提下减小轴箱弹簧的横向定位刚度。 ) 4)发展径向转向架 采用径向转向架能减小或消除轮对冲角,有效的减小轮轨磨损。

不同型式转向架的磨耗功率 b)因此我国 25t 轴重以上重载货车转向架要有以下结构特点: 1)采用侧架交叉支撑式三大件转向架 侧架交叉支撑式转向架结构相对简单,磨耗件小,易于推广,检修方便。 2)二系悬挂由两级刚度弹簧和变摩擦减振器装置组成。 采用两级刚度弹簧,增加空车状态下的弹簧静挠度,改善空车的动力学性能。变摩擦减 振器装置能控制车辆的垂向动力性能。 3)采用一系悬挂装置,减轻转向架的簧下质量 使转向架通过曲线时趋于径向,改善转向架曲线通过性能,减小轮轨磨耗。

D. 25t 轴重以上重载货车参数选择及优化
a)重载铁路轮轨动力作用评价体系 (1)轮轨垂向动作用力;是导致车轮扁疤、轨头破损、螺栓孔裂纹、鱼尾板折断、轨道 变形及轨下基础破坏的主要原因。 (2)最大轮轨接触应力;轮轨间接触应力是导致轮轨踏面疲劳剥离,引起疲劳损伤的关 键因素。 (3)最大轮轨横向力;

(4)最大轮轴横向力; (5)蛇行运动临界速度; (6)脱轨系数; (7)轮重减载率; (8)车辆垂向平稳性指标; (9)车辆横向平稳性指标; (10)轮轨磨耗功率; (11)轮轨磨耗指数。为轮轨磨损程度的标志,反映轮轨磨耗的大小,其中轮轨磨耗功率 为蠕滑力和蠕滑率的乘积,轮轨磨耗指数为轮轨横向力与冲角之积。 b)重载货车轮径选择 重载货车轮径大小对其动力学性能和轮轨接触性能有重要影响。 小直径车轮可以降低车辆地板面的高度,在限界容许的范围内增加货车车辆容积;小 直径车轮也能够减轻车辆簧下部分的重量并降低车辆重心,减轻簧下部分重量可以改善轮 轨间相互作用,而降低重心则能够提高车辆的稳定性并有可能加大车辆在曲线上的允许运 行速度。

轮轨接触示意图和接触椭圆 但是,小直径车轮减小了车轮和钢轨的接触面积,因而增加车轮的变形、接触应力和 轮轨间磨耗,增加车轮踏面与钢轨接触面的疲劳破损。所以小直径车轮的允许载荷大大降 低。 加大轮径可有效减小轮轨的接触应力, 但是轮径增加将导致车辆簧下重量增加, 轮轨间 相互作用加剧,并且使车辆重心升高,对车辆运行平稳性不利,所以重载轮径应限制在一个 合理的范围。

各个国家轴重和轮径比 目前,我国主型货车的轴重在 21t~25t 之间,车轮直径为 840mm,美国、澳大利亚和 巴西等国 30t 轴重车辆正是采用直径为 915mm 的车轮。 有人研究了轮径变化对 30t 轴重车辆动力学性能的影响,建议我国 30t 轴重重载货车轮 径取 915mm 比较合适。 c)重载货车空间模型参数确定 目前文献、资料中鲜有关于 30t 重载货车完整的动力学计算参数,参照 25t 重载货车参 数建立 30t 重载货车-轨道空间耦合动力分析模型, 30t 轴重条件下车辆的关键动力学参数 对 等(如车辆的一系悬挂参数、二系悬挂参数等)进行动力学分析,确定 30t 轴重货车的各参 数取值。 30t 轴重货车空间模型参数一览表 参数 车体质量(kg) 转向架侧架质量(kg) 摇枕质量(kg) 轮对质量(kg) 车体绕 x 轴转动惯量(kg· m2) 车体绕 y 轴转动惯量(kg· m2) 车体绕 z 轴转动惯量(kg· m2) 摇枕绕 x 轴转动惯量(kg· m2) 摇枕绕 y 轴转动惯量(kg· m2) 摇枕绕 z 轴转动惯量(kg· m2) 侧架绕 x 轴转动惯量(kg· m2) 侧架绕 y 轴转动惯量(kg· m2) 侧架绕 z 轴转动惯量(kg· m2) 轮对绕 x 轴转动惯量(kg· m2) 轮对绕 y 轴转动惯量(kg· m2) 轮对绕 z 轴转动惯量(kg· m2) 一系悬挂纵向刚度(每轴箱)(MN/m) 一系悬挂横向刚度(每轴箱)(MN/m) 一系悬挂垂向刚度(每轴箱)(MN/m) 二系悬挂纵向刚度(摇枕一端)(MN/m) 二系悬挂横向刚度(摇枕一端)(MN/m) 二系悬挂垂向刚度(摇枕一端)(MN/m) 一系悬挂垂向阻尼(每轴箱)(kN· s/m) 二系悬挂垂向阻尼(摇枕一端)(kN· s/m) 一系悬挂横向跨距之半(m) 二系悬挂横向跨距之半(m) 车轮滚动圆半径(m) 数值 109800 497 745 1277 1.428× 105 1.7267× 106 1.7468× 106 138 244 244 190 176 176 740 130 740 16 13 160 7.0 7.0 6.0 4 50 0.978 0.978 0.4575 取值依据 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 综合分析确定 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献

两滚动圆跨距之半(m) 车辆定距之半(m) 转向架轴距之半(m) 车体质心至摇枕质心垂向距离(m) 摇枕质心至侧架质心垂向距离(m) 侧架质心至轮对质心垂向距离(m)

0.7465 4.6 0.915 1.4 0.051 0.12

参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献 参照相关文献

(具体原则: a)对于文献、资料中已明确给出的计算参数,计算时主要依据文献进行取值。 b)对于文献、资料中未明确给出的计算参数,本报告中基于多体动力学仿真软件 SIMPACK,建立了 30t 轴重重载货车-轨道空间耦合模型,对车辆的关键动力学参数进行规 律分析,在此基础上,通过选取动力学性能较优的参数范围,对目标参数进行取值,从而 确定出 30t 轴重重载货车的未知参数取值区间。 c)针对计算所选取的参数,由于同实际车辆动力学参数可能存在较大出入,本次计算 仅作规律分析。 ) d)重载货车运行速度确定 国外重载货车普遍采用的运营速度为 60~80km/h, ,我国还没有轴重和速度匹配关系 的规定和相关标准。 在我国重载线路大秦线上,装配 23t 轴重转 K6 转向架的 C70 敞车的商业运行速度为 120km/h;装配 25t 轴重转 K6 转向架的 C76 敞车商业运行速度为 100km/h。 装配 30t 轴重转向架载重 95t 的重载专用敞车的商业运行速度应该是多少? 用 SIMPACK 建立 30t 轴重重载货车空间模型, 评价运行速度对车辆动力学性能的影响。
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170

Q(KN)

v(km/h)

P(KN)

v(km/h)

(a)轮轨横向力变化曲线
0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170 0.7 0.6

(b)轮轨垂向力变化曲线

(P1-P2)/(P1+P2)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170

Q/P

v(km/h)

v(km/h)

(c)脱轨系数变化曲线 (d)轮重减载率变化曲线 重车工况下运行速度对 30t 轴重货车动力学性能的影响

制定选择 30t 轴重货车商业运行速度的相应准则: (1)30t 轴重货车在最高运行速度内的各项动力学指标应该满足 GB5599-85 的相关规定。 (2)30t 轴重货车在低于或等于最高运行速度运行时, 速度增加对车辆的各项动力学指标 的变化影响不大。 从上面的变化曲线可以知道,30t 轴重货车适宜的商业运行速度为 100km/h。 本次的建模计算仅用做规律分析,提供相关参考。



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