单摆式径向转向架机理及动力学研究

史 炎

（西南交通大学　牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

单摆式径向转向架机理及动力学研究

史 炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

给出了一种新型径向转向架，依据径向转向架设计原理，对轴箱定位方式进行了突破性设计，以最少的杆件解决了转向架曲线通过性能和横向稳定性之间的矛盾，首次提出了非对称径向转向架概念，动力学分析表明此转向架曲线通过效果比较明显。

径向转向架；非对称；单摆

德国人K L O SE在1883年提出了如果轮对在曲线上沿切线方向作纯滚动，则轮轨间的磨耗将为最小的理论，并基于此理论提出了径向转向架的基本设想。20世纪初，德国人和瑞士人在此基础上提出了径向转向架的设计理念，按此理念设计的径向转向架于20世纪30年代开始装车试验，并取得了一定的效果。最先投入广泛运用的是南非人H erbert Scheffel于20世纪70年代初发明的货车径向转向架。此外还有英国的Crossbraced、德国的D R R S V等几种货车径向转向架。这些径向转向架无一例外全部是对称结构，径向调节时绕轮轴中心转动，轴箱两端定位刚度一样，纵向定位刚度大则不利于径向调节，刚度小则降低了稳定性，这是一个两难的决策，水平定位刚度选择余地不大。

单摆式径向转向架很好地解决了这个问题，径向调节时以一端的轮轨接触点为转动中心，不再要求左右水平刚度一致，可以大幅度提高转动中心一端的纵向刚度。转K6型转向架是齐齐哈尔铁路车辆（集团）有限责任公司研制开发的25 t轴重通用货车转向架，本文以转K6型转向架参数为蓝本建立单摆式径向转向架模型，分析结果与转K6对比，取得了预期的效果。

1　单摆式径向转向架原理

车辆通过曲线时轮对理想位置是轮轴中心线指向曲线圆心，能实现这样功能的转向架就是径向转向架，文献［1］、［2］对径向转向架的原理和现有的径向转向机构作了深入的研究及详细的阐述。现有的径向转向架轮对转动中心都位于构架中心线上，其径向调节机构关于构架中心对称。设想将左端轴箱与左侧架铰接，右端自由，则轮轴能像单摆一样绕铰接点摆动，为了耦合前后轮对的运动，在右端用连杆3、4、5组成一个径向调节机构，如图1、图2所示，则2个轮轴的摆动互为镜像，相向或相背，这就是单摆式径向转向架的工作原理。

图1　单摆式径向转向架原理

图2　连杆机构示意图

这种径向转向架所用的杆件数量极少，只有3个杆，相对原有转向架改动不多，具有较好的继承性。该机构运动链共有5个活动构件（N=5），有7个回转副（P=7），此机构的自由度W=3N-2P=1，即该机构只有一个自由度：两个轮对相对摇头的自由度，横向移动自由度由左右侧架提供。

2　动力学模型

采用SIMPACK动力学软件建立转K6转向架的三维货车动力学模型，在此模型上增加3个连杆构成径向机构，同时提高图1左端轴箱纵向定位刚度以限定左轴箱相对侧架纵向移动，因为前后轮对摇头耦合，相互制约，可以大幅度减小右端轴箱纵向定位刚度，使之成为单摆式径向转向架，2种转向架的轴箱定位刚度参见表1。

表1　轴箱定位刚度　MN/m

3　动力学特性对比分析

分别对单摆式径向转向架和转K6转向架的动力学性能进行仿真计算。

3.1单摆式径向转向架对称性分析

以相同的速度通过相同半径的带直线段的左、右曲线，对比第1位轮对冲角和轮轨横向力、脱轨系数。仿真结果如图3～图5所示，在圆曲线上，左曲线比右曲线的冲角减小8.7%，横向力、脱轨系数高度对称，可认为单摆式径向转向架具有对称的动力学性能。

图3　冲角

图4　横向力

图5　脱轨系数

3.2非线性临界速度分析

在直线轨道上对车辆施加一个A A R四级轨道谱激扰，将速度递增，直至第1位轮对横向振动不再收敛，计算得到表2的结果。

表2　非线性临界速度　km/h

单摆式径向转向架空车时的蛇行临界速度最高。

3.3曲线通过性能分析比较

计算两种转向架以50 km/h速度通过超高为100 m m，曲线半径80～800 m时，第一导向轮对冲角和轮轨横向力、脱轨系数。

图6显示，曲线半径小于500 m时，单摆式径向转向架导向功能显著，曲线半径在200 m左右时，轮对径向效果最佳，冲角能减少39%，曲线半径超过500 m后，冲角趋于平缓，最终与转K6转向架一致。

图7、图8表明，两种转向架的轮轨横向力相差较小，脱轨系数相当，都不超过0.41。

单摆式径向转向架左右轴箱纵向定位刚度可以相同或不相同，两者的组合方式多样，尚需作更多的研究。

图6　冲角对比

图7　轮轨横向力对比

图8　脱轨系数对比

4　结束语

单摆式径向转向架是一种全新的径向转向架，以较少的杆件解决了转向架曲线通过性能和横向稳定性之间的矛盾，开创了非对称径向转向架研究领域。

单摆式径向调节机构不仅可以应用于货车转向架，也能应用于机车转向架。

［1］ 孙 翔.机车径向转向架的机构分析［J］.机车电传动，1995，（1）：1-7.

［2］ 孙 翔.机车径向转向架设计原理［J］.铁道学报，1995，17（2）：25-32.

［3］ 孙 翔.新一代机车的走行部──径向转向架［J］.内燃机车.1995，260（10）：1-10.

［4］ 孙 翔，石永生，张崇堂，陈北权.内燃机车增大轮径的静态粘着性能试验［J］.内燃机车.1994，239（1）：19-25，45.

［5］ 孙 翔.机车的传动、驱动、控制与粘着［J］.铁道学报. 1994，16（S1）：8-16.

［6］ 孙 翔.发展具有中国技术特色的高速铁路［J］.中国铁路.1994，（10）：19-23.

［7］ 孙 翔.高黏着利用机车的系统设计［J］.西南交通大学学报.1994，29（3）：235-248.

［8］ 孙 翔.牵引与导向在机车径向转向架上的协调［J］.机车电传动，1995，（2）：7-12.

［9］ 孙 翔.机车车辆走行部的元件功能解耦及性能协调——对机车径向转向架技术内涵的分析［J］.内燃机车，1995，261（11）：1-8.

［10］ 毕 鑫，罗世辉，马卫华.机车径向转向架的稳定性分析［J］.机车电传动，2013，（5）：1-4.

［11］ 黄 伟.机车径向转向架典型结构及设计原则分析［J］.内燃机车，1995，251（1）：26-31，39.

［12］ 李 芾，傅茂海，黄运华.径向转向架机理及其动力学特性研究［J］.中国铁道科学，2002，23（5）：46-51.

［13］ 李亨利，李 芾，廖 军，等.国外快速货车转向架的运用及发展［J］.铁道机车车辆.2013，33（4）：57-61，65.

［14］ 李 芾，傅茂海，黄运华.车辆径向转向架发展及其动力学特性［J］.交通运输工程学报.2003，3（1）：1-6.

Research of Principle and Dynamic of Pendulu m Type Radial Bogie

S H I Yan
（National Laboratory of Traction Power，South west Jiaotong U niversity，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This paper presents a new radial bogie，and based on the principle of radial bogie design，it has a breakthrough design on the axle box guidance.With minimal rod，the conflict between bogie curve passing performances and transversal stability is solved.The concept of asy m metric radial bogie is firstly proposed，and kinetic analysis showed that this bogie had a significant effect passing the curve.

radial bogie；asy m metric；pendulu m

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.10

1008-7842（2015）05-0046-03

史炎（1964—）男，高级工程师（2015-03-30）