转K7型转向架承载鞍结构优化及动力学性能研究*

李亨利，李 芾，廖 军，张显锋，吴 畅，祝 笈

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 南车眉山车辆有限公司，四川眉山620032）

综合技术研究

转K7型转向架承载鞍结构优化及动力学性能研究*

李亨利1，2，李 芾1，廖 军2，张显锋2，吴 畅2，祝 笈2

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 南车眉山车辆有限公司，四川眉山620032）

转K7型转向架是我国至今唯一投入商业运用的货车副构架式径向转向架。为进一步提高转向架的运行性能，对转K7型转向架与U形副构架铸造一体式的承载鞍系统进行了优化。分离U形副构架和承载鞍功能，设置独立的承载鞍和承载鞍弹性垫。现采用理论分析、动力学仿真计算和线路试验验证的方法对优化承载鞍系统转向架的动力学性能进行了系统研究。仿真结果表明当承载鞍弹性垫刚度在30 MN/m以上时，对转向架动力学性能基本无影响，仅起定位板或磨耗板的功能；动力学试验表明承载鞍系统优化后车辆整体动力学性能得到改善。

转K7型转向架；径向转向架；承载鞍系统；动力学；线路试验

转K7型转向架是在我国发展重载提速技术的背景下，引进南非径向转向架技术自主研发的一种货车自导向径向转向架。该转向架2007年8月定型，并于同年12月开始小批量装车使用。迄今，转K7型转向架已安全运行了6年，并经历了3次全面检修，表现出了良好的技术特性。为适应近年来我国重载货车转向架大部件无磨耗、无焊接，适应寿命管理的目标，逐步推行换件修和状态修的新要求，南车眉山车辆有限公司对转K7型转向架的承载鞍系统进行了优化设计，以期进一步完善副构架式径向转向架技术，提高转K7型转向架的使用性能。

1 承载鞍结构优化

图1 转K7型转向架承载鞍系统优化

转K7型转向架原型承载鞍与U形副构架铸造为一体，U形副构架直接装配在轴承上，垂向力通过前后布置的轴箱橡胶堆传递给承载鞍，如图1（a）所示。此结构一方面不可避免直接金属磨耗，当承载鞍面磨耗后只能对U形副构架进行选配或焊补；另一方面承载鞍结构较为复杂，不利于提高制造效率。我国新颁布的铁路货车运用规程不再允许对承载鞍焊补进行维修，在实际运用对个别有磨耗的U形副构架只能实施选配或换件修。为此，优化设计采用了独立的承载鞍，实现U形副构架体与承载鞍功能上的分离，并在U形副构架与承载鞍之间增设了承载鞍弹性垫，承载鞍装配于U形副构架体承载鞍导框中，与U形副构架设置纵向、横向间隙。承载鞍弹性垫装配于承载鞍顶面实现轮对弹性定位，垂向力通过承载鞍弹性垫传递给承载鞍，从而构成新的承载鞍系统，如图1（b）所示。该承载鞍系统与现有主型转向架完全相同，在承载鞍磨耗到限时，仅需更换承载鞍，从而实现了U形副构架全寿命周期内无直接金属磨耗，方便了U形副构架的寿命管理。同时，由于承载鞍弹性垫的弹性适应性，一定程度上也提高了U形副构架的装配工艺性。

为提高转向架的标准化和模块化水平，优化前后的转K7型转向架接口尺寸、性能参数和适用标准完全一致。轮轴、侧架、摇枕、基础制动装置、弹性旁承和中央悬挂装置等部件也没有变化，而仅对承载鞍和U形副构架结构进行了改变。改进的U形副构架增加设置了承载鞍导框、导框凸台、承载鞍弹性垫卡槽等结构，使之满足体式承载鞍及橡胶垫的装配要求，其结构如图2所示。依据运用经验和理论研究的结果，新结构优化了副构架各截面的尺寸，以改善副构架的铸造工艺性，减小铸造缺陷。另一方面，新型U形副构架进行机械加工时，仅需加工副构架承载鞍导框顶部的平面与两个凸台，承载鞍面加工精度要求不高，加工量减小，大幅度提高了制造生产率，有利于加工质量的控制，精度更容易得到保证。

图2 改进的U形副构架体

2 新承载鞍系统对车辆动力学性能的影响

2.1 轮对等效刚度的改变

A.H.Wickens指出，转向架所有悬挂系统从水平特征上分析，都可以归结为前后轮对的相互连接关系，主要表征参数为轮对之间的抗剪刚度和抗弯刚度。抗剪刚度定义为前轮对作横向位移时，后轮对作用于前轮对的弹性复原力与两轮对横向相对位移的比值。抗弯刚度的概念与此类似，定义为前后轮对相对摇头时弹性复原力矩与相对摇头角度的比值。

对于仅有承载鞍橡胶垫定位的普通转向架，前后轮对抗剪刚度ks1和抗弯刚度kb1可表示为［1－3］：

式中b为同一轮对轴箱定位距离；l为轴距；k1x和k1y分别为承载鞍橡胶垫纵向刚度和横向刚度。

原型转K7型转向架轮对间抗剪刚度ks和抗弯刚度kb为轴箱悬挂等效刚度与轮对径向装置等效刚度并联刚度：

式中ks3和kb3为轮对径向装置提供的抗剪和抗弯刚度。同时由于式（1）和式（2）反映了轴箱定位刚度与抗剪和抗弯刚度的关系，承载鞍弹性垫提供的轮对抗剪刚度ks2和抗弯刚度kb2应具有与其相同的表达式。而改进承载鞍系统转K7型转向架轮对间总刚度应为轴箱悬挂等效刚度与承载鞍弹性垫刚度产生的等效刚度串联，再与轮对径向装置提供的等效刚度并联，因此，新承载鞍系统的转K7型转向架的轮对抗剪刚度k′s和抗弯刚度k′b可表示为：

式中k2x和k2y分别为承载鞍弹性垫纵向和横向刚度。对比式（3）～式（6）可知，新承载鞍系统中轮对径向装置的作用力须由U形副构架先传递给承载鞍弹性垫，再传递给承载鞍和轮轴形成对轮对运动的约束，引起了转向架前后轮对间等效抗剪和抗弯刚度的变化，从而将会影响转向架的动力学性能。

2.2 车辆动力学性能仿真

为研究引入承载鞍弹性垫对转向架动力学性能的影响程度，并优选承载鞍弹性垫的刚度，以装配转K7型转向架的C70EF型敞车为研究对象，建立车辆系统动力学模型进行分析计算。模型中承载鞍、U形副构架均为独立的刚体，承载鞍弹性垫和作用于U形副构架的连接杆抽象为以连接刚度表示的力函数，车辆计算模型如图3所示。计算中，线路不平顺等级为AAR5，弹性垫纵向、横向刚度初值取均为35 MN/m，而刚度值取无穷大时，可等效认为是原型转K7型转向架承载鞍与U形副构架铸造一体的值。

图3 C70EF型敞车车辆动力学计算模型

图4为承载鞍弹性垫刚度对车辆临界速度的影响。车辆临界速度随承载鞍弹性垫纵向和横向刚度增加而升高，当承载鞍刚度小于20 MN/m时，车辆临界速度变化梯度较大，在25 MN/m以上变化时对车辆临界速度影响较小，刚度取30 MN/m左右的车辆稳定性与原型转K7型转向架相近。车辆以速度100 km/h运行时车辆的横向平稳性如图5所示，承载鞍纵向、横向刚度越大，车辆平稳性更好，且其作用规律与临界速度相近，刚度在30 MN/m以上时即基本接近原型转K7型转向架的水平。另一方面，由于平稳性指标是反映车辆直线动力学的一个综合指标，也代表了承载鞍弹性垫刚度对车体加速度大小的影响趋势；同时，车辆垂向动力学性能的变化也相近，在此不再赘述。

从计算结果还可知，承载鞍弹性垫纵向刚度对车辆直线运行性能的影响大于横向刚度，其与普通转向架承载鞍定位刚度对转向架动力学性能影响的规律一致。此外，结合式（5）和式（6）分析，纵向刚度对于轮对抗剪和抗弯刚度都有影响，而横向刚度对抗弯刚度无影响，因而其对转向架动力学性能的影响处于次要地位。

图6和图7为车辆以速度70 km/h、通过半径300 m、预设线路超高120 mm曲线时，轮对冲角和轮轨横向力最大值的计算结果，一定范围内较小的承载鞍弹性垫刚度值对转向架曲线通过性能具有有益的影响。通常认为副构架式径向转向架是通过降低轮对冲角来改善轮轨接触状态和降低轮轨磨耗的，因此轮对冲角是衡量转向架径向性能的主要指标。承载鞍弹性垫刚度越大，轮对冲角越大，转向架径向性能反而有所下降，这与轴箱悬挂刚度对原型转K7型转向架动力学性能影响的规律一致［4］。此外，轮对冲角在承载鞍弹性垫刚度小于15 MN/m时，变化十分明显，大于该值时变化十分平缓并逐渐逼近原型转K7型转向架。另从车辆曲线运行安全性分析，图7表明轮轨横向力也与承载鞍弹性垫刚度同步上升，且由于车辆以较大欠超高通过小半径曲线时，外侧车轮均贴向钢轨，纵向和横向刚度的影响程度相似。

图4 车辆临界速度

图5 车体横向平稳性

图6 轮对冲角

图7 轮轨横向力

综合以上分析，当承载鞍弹性垫纵向、横向刚度取值在30 MN/m以上时，车辆动力学性能的变化很小，车辆临界速度和直线运行性能接近原型转K7型转向架，曲线通过性能还略有改善。实际设计中，由于承载鞍弹性垫刚度取值相对轴箱悬挂刚度大一个数量级，其影响转向架动力学性能的悬挂功能可以忽略不计，而主要发挥定位板或磨耗垫的作用。

4 试验及分析

为说明改进承载鞍系统的实际效果，对比承载鞍系统改进前后两次线路动力学试验的结果。2011年5月在哈尔滨铁路局管内的齐齐哈尔南至泰康站和龙江站区间，装配改进承载鞍系统转K7型转向架的C70EF型敞车进行的动力学试验；以及2007年9月在济南铁路局管内的沙岭庄站至高密站，装配原型转K7型转向架的C70F型敞车进行的动力学试验［5-6］。两次试验在速度131 km/h范围内，车辆各项动力学指标均符合GB/T 5599－1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定，试验的部分结果如图8～图10所示。除去两次试验线路和试验数据离散性的因素，转K7型转向架承载鞍系统改进后，空、重车动力学性能与原型转向架相差不大，甚至还有所提高：空车直线性能略好于原型转向架，重车直线性能较原型稍差（图8，图9）；空重车曲线通过性能均有所提高，车辆轮轴横向力减小较为明显，如图10所示。

图8 车体横向平稳性试验结果

图9 车体横向加速度最大值试验结果

图10 车辆轮轴横向力最大值试验结果

5 结束语

针对转K7型转向架承载鞍系统的改进是在总结原来转K7型转向架运用、检修经验的基础上，进行技术创新的结果。该设计一方面提高了U形副构架和承载鞍的模块化、标准化和工艺水平，还保持了转K7型转向架作为货车径向转向架的性能优势，进一步提升了转K7型转向架的技术优势和实用性，丰富了副构架式径向转向架的技术内涵。

［1］ 陈泽深，王成国.铁道车辆动力学与控制［M］.北京：中国铁道出版社，2004.

［2］ A.H.Wickens.Static and Dynamic Instabilities of Bogie Railway Vehicles with Linkage Steered Wheelsets［J］.Vehicle System Dynamics，1996，26（1）：1-16

［3］ Scheffel.H.Curving and stability analysis of self-steering bogies having a variable yaw constraint［J］.Vehicle System Dynamics，1994，23（suppl）：425-436

［4］ 李亨利，黄运华.转K7型转向架动力学性能研究［J］.铁道机车车辆，2009，29（4）：26-29.

［5］ 四方车辆研究所.中国南车集团眉山车辆厂C80B、C70敞车（装用转K7型转向架）动力学试验报告［R］.青岛，2007.

［6］ 四方车辆研究所.南车眉山车辆有限公司70 t级通用敞车动力学性能试验报告［R］.青岛，2011.

ZK7 Type Bogie Adapter Structure Optimization and Dynamic Performance Research

LI Hengli1，2，LI Fu1，LIAO Jun2，ZHANG Xianfeng2，WU Chang2，ZHU Ji2
（1 Department of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 CSR Meishan Rolling Stock Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

ZK7 type bogie is the only commercial operation freight radial bogie in China.The adapter and U type sub-frame are casting incorporate in the bogie prototype.In order to improve the bogie application performance，the new adapter system design separates thefunction of adapter and sub-frame，and the independent adapter and adapter elasticity pad are set.In this paper，the dynamic performance of optimization design is researched based on theory analysis，simulation and field test.The simulation results show that there is nearly no effects on the dynamic performance when the adapter pad stiffness is up to 30 MN/m，and it is only a wear pad.And the field test indicates that the new adapter system can improve the dynamic performance slightly.

ZK7 type bogie；radial bogie；adapter system；dynamic；field test

U270.331＋.7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.01

1008－7842（2014）03－0001－04

*国家自然科学基金项目（50975238）；四川省科技支撑计划（2013GZX0142）；青年科学基金项目（51005190）

1—）男，博士生（

2013－10－21）