出口莫桑比克米轨转向架的开发

景建辉， 吴会超， 李建锋， 霍文彪， 池茂儒

(1　中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 063035;(2　西南交通大学牵引动力国家重点实验室， 四川成都 610031



出口莫桑比克米轨转向架的开发

景建辉1， 吴会超1， 李建锋1， 霍文彪1， 池茂儒2

(1中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 063035;(2西南交通大学牵引动力国家重点实验室， 四川成都 610031

唐车公司为莫桑比克开发研制了一批轨距1 067 mm的米轨客车。为开发适应莫桑比克线路运营和维护条件的米轨转向架，首先了解客户具体需求、当地线路条件和运营环境。初步确定转向架整体结构形式和悬挂参数，然后利用SIMPACK动力学软件对转向架设计参数进行建模和计算分析。重点对一二系悬挂参数、轮轨间隙、轮对内侧距和不同线路等级等各种工况下的车辆动力学性能表现进行分析优化，均衡配置各项参数，确定优化方案。

米轨转向架； 莫桑比克； 动力学模型

相比普遍应用的标准轨距铁路，米轨铁路运输具有结构简单、制造和维护成本低、小曲线通过能力强等优势，目前在我国云南、台湾，以及东南亚、南亚、拉丁美洲和非洲等地区仍有应用，特别是在地形条件恶劣或复杂地区仍发挥着重要作用。我国分别为国外提供的米轨转向架产品主要有客车(如：马来西亚[1]、新西兰[2]、孟加拉和突尼斯[3]等)、货车(如：泰国[4]、苏丹和柬埔寨等)和机车3种用途，其中货车转向架多为3大件式，表1为我国为国外提供的米轨转向架部分技术参数。

表1　我国为国外提供的部分米轨转向架技术参数

2014年，唐山轨道客车有限责任公司(以下简称唐车公司)为莫桑比克制造一批轨距为1 067 mm(42 in)的米轨客车车辆。为了开发适应莫桑比克线路运营和维护条件的米轨转向架，研发团队首先深入了解客户具体需求、当地线路条件和运营环境，初步确定转向架整体总体方案、功能结构和悬挂参数；然后利用SIMPACK动力学软件对转向架设计参数进行建模和计算分析，重点对一二系悬挂参数、轮轨间隙、轮对内侧距和不同线路不平顺度等各种工况下的车辆动力学性能表现进行分析对比；针对各项参数变化对客车的动力学安全性、舒适性、工艺性等进行综合类比，同时充分考虑到用户的线路条件和维护能力，均衡配置各项参数，确定优化方案。

1　转向架主要技术条件

该米轨转向架设计寿命为30年，满足以100 km/h速度持续运行20 h的需要。转向架主要由构架装置、一系悬挂及轮对轴箱定位装置、二系悬挂及摇枕装置、基础制动装置等4部分组成，方案见图1。

图1　莫桑比克转向架方案

序号项目参数1轨距1067mm2最高运营速度100km/h3轴重≤12.4t4车体质量23吨(空载)/35.2吨(重载)5车辆定距14500mm6车轮直径864mm(新)/804mm(到限)

1.1转向架结构

转向架构架采用H形结构，材质为S355J2W(H)耐候钢板和锻钢件,构架的强度符合UIC515-4《客运车辆后转向架-走行部转向架构架结构强度试验》标准。车轮采用轮径为864 mm的整体辗钢车轮，执行TB/T 2708-96《铁道客车辗钢整体车轮技术条件》标准，材质为CL60钢，采用LM型踏面外形。车轴设计按TB/T 2705-2010《铁道车辆非动力车轴设计方法》执行，材质为LZ50钢。轴承的选择考虑客户的线路条件及维护水平，采用客户推荐的自密封圆锥滚子轴承CLASS D(AAR标准)，轴承的理论寿命大于300万km。

1.2悬挂方式

一系定位装置采用类似209P转向架的导柱定位方式，每轴箱设置两组钢制螺旋轴箱弹簧和两套导柱组成，导柱通过螺栓紧固于构架上。一系设置垂向弹性止挡装置，以保证轴簧折断后行车安全。由于轴承具有良好的密封结构，且密封性能经过长期的运营考核，因此轴箱采用开放式结构。

图2　一系悬挂及轮对轴箱定位装置

二系悬挂方式采用摇动台结构，此结构的枕簧不但起到缓和垂向振动作用，而且由于摇动台吊杆的摆动可使转向架具有横向复原作用，可缓和来自水平方向的振动和冲击。4个摇枕吊杆吊挂在构架上，摇枕由耐候钢板焊接而成。弹簧托梁由Q345B钢管和由G20Mn5铸造的两个弹簧托梁组焊而成。摇枕装置上设置横向缓冲装置及纵向牵引装置(纵向挡)。摇枕中部设置用于集中承载的下心盘。在摇枕与弹簧托梁间设置两个油压减振器，与摇枕弹簧并联。摇枕两侧端部设置辅助支撑的下旁承。

图3　二系悬挂及摇枕装置结构图

1.3基础制动装置

基础制动装置选用杠杆式双侧踏面制动。闸瓦采用高磷合成闸瓦。移动杠杆拉板、拉杆、拉杆吊等采用S355J2W(H)钢板焊接而成，各转动关节处采用销孔(衬套孔)小间隙配合，衬套采用奥贝套。设置闸瓦间隙调整装置，车轮磨耗后能够调节闸瓦与踏面间的组装间隙。具体结构如图4所示。

图4　基础制动装置

2　动力学建模和计算工况

本文采用SIMPACK动力学模拟软件对车辆进行建模分析。车体、转向架构架均为刚体, 不计其本身的弹性变形，客车模型由1个车体、2个构架、4条轮对、8个轴箱、2个摇枕等刚体组成，整车系统共计52个自由度。

2.1线路条件和初始结构参数

莫桑比克境内主要为1 067 mm的米轨铁路线，唐车公司提供的此批客车运行线路轨头形状主要为UIC54型，具体参数见表3。

表3　车辆初始设计参数和线路条件　mm

2.2悬挂参数

转向架悬挂参数对其动力学性能具有关键影响，确定主要设计结构后，根据设计经验初步确定各项悬挂参数，见表4。摇枕横摆刚度计入到二系钢簧的横向刚度内，计算结果均为初始参数状态。

表4　主要初始悬挂参数

2.3计算工况

轮对参数方面主要对轮轨间隙、轮对内侧距和轮缘厚度进行详细对比。模拟线路选择美国3级谱(限速96 km/h)，4级谱(限速128 km/h)和5级谱(限速144 km/h)3种线路不平顺度。

轮对轮缘与钢轨之间必须有一定的间隙，该间隙可以减小轮缘与钢轨磨耗并能实现轮对的自动对中，同时还可避免对同轴左右两轮轮径差的过高要求，避免轮轨间的过分滑动与偏磨。从车辆运行品质方面考虑，该间隙又不能过大，否则很可能产生大的蛇形振幅，从而影响乘坐舒适度；但如果轮轨间隙太小，可能会引起轮轨的严重磨耗，所以只有合理的轮轨间隙才能兼顾轮轨磨耗、车辆运行品质和过道岔能力。轮轨间隙由轨距、轮对内侧距和轮缘厚度决定，其关系为S=dr/2-dw/2-Sd，见图5。

根据铁道部TB 449-2003《机车车辆车轮轮缘踏面外型》标准规定，LM类型踏面外型有四种类型：LM(轮缘厚度32 mm)、LM-30(轮缘厚度30.2 mm)LM-28(轮缘厚度28.2 mm)和LM-26(轮缘厚度26.2 mm)，考虑到实际需要选择前3种进行计算对比。由于轮对内侧距主要影响道岔通过能力，其值越大越利于通过道岔，如果适当减小轮缘厚度就可以既保证一定的轮轨间隙，又保证较大的内侧距。从表5可以看到，随着轮轨间隙加大，等效锥度逐渐缩小。

3　计算结果与分析

动力学评价依据《GB 5599-85铁道车辆动力学性能评定》，计算时输出脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向力、平稳性指标等动力学指标。根据莫桑比克铁路客车技术规范规定，平稳性指标W不大于2.7，脱轨系数不大于1.0，减载率不大于0.6，倾覆系数不大于0.8。

3.1模态和临界速度分析

轮对车辆系统的自振频率是指车辆系统的悬挂频率，主要由系统的质量特性、悬挂参数等决定。表6为计算得到的车辆系统自振频率和阻尼比。

表6　车辆自振频率和阻尼比

当列车在某个速度下运行时，恰好又有与之“匹配”的外界线路激励，会出现由于轮对、构架和车体间的振动而引发“共振”，如果没有适当阻尼衰减，这种振动可能会逐渐放大而对车辆安全造成威胁，所以设计中就要注意避免。计算结果显示空车的非线性临界速度随着轮对内侧距增大而降低，最低临界速度为189 km/h(内侧距998 mm，轮缘厚度32 mm工况)，车辆的线性和非线性临界速度都大于110 km/h，满足最高允许速度大于10%的要求[5]。

3.2安全性和平稳性

考虑到莫桑比克线路条件，重点考察车辆的在中低速情况下的安全性和平稳度。从计算结果来看，当客车分别在曲线半径为R80 m，R300 m，R500 m和R1 000 m的线路上运行时，客车在其平衡速度范围内的各项安全性指标较好。一系钢簧纵向刚度对脱轨系数影响较大，一系钢簧垂向刚度增加，安全性指标普遍增加，但幅度不大。二系钢簧水平刚度对安全性指标影响不大，垂向刚度在0.4 MN/m左右其横向安全性指标最差，增大或减小其刚度有变好的趋势。二系垂向阻尼器阻尼增大时其脱轨系数随之减小，阻尼在50 kN·s/m左右其安全性指标较好。二系垂向阻尼器节点刚度对平稳性指标有一定影响，根据优化结果，建议其节点刚度取5 MN/m左右。

平稳性方面，客车在直线上80 km/h的速度运行时，其横向平稳性指标和垂向平稳性指标W都小于2.7，符合GB 5599规定的良好的乘坐品质要求。乘坐舒适度指标都小于2.75，属于EN 12299-1999《铁路车辆乘坐舒适度的测量和评估》标准中的中等舒适度范围。一系钢簧水平刚度对平稳性指标影响较小，垂向刚度影响较大，垂向刚度在2 MN/m左右其垂向平稳性指标最好。二系钢簧水平刚度对平稳性指标具有一定影响，水平刚度在0.3 MN/m左右其垂向平稳性指标最好。二系垂向阻尼器阻尼对平稳性指标具有较大影响，阻尼在50 kN·s/m左右其垂向平稳性指标最好，再增大其阻尼后，垂向平稳性指标提高幅度有限。

磨耗指数计算结果显示，在新轮状态下，轮轨间隙越大及内侧距越小，磨耗指数越小，重车的磨耗指数比空车状态大，图6为美国3级谱线路条件下的空车新轮磨耗指数，纵深轴为表5中依次列出的9种工况。

图6　美国3级谱线路空车新轮的磨耗指数

4　总　结

除了遵循常规转向架研发的固有流程，米轨转向架的开发有其自身特点，在充分了解客户需求和应用情况下，在研发该米轨客车的过程中，需要注意检修和运行线路的维护水平，尽量选择可靠稳定的设计结构，便于检修和维护，将整个产品纳入LCC和RAMS管理平台可提高整体经济效益。计算优化设计参数要与实际工程应用紧密结合，不追求某个动力学性能指标最优，而要使各项评价指标“均衡”配置。

根据初期的实际运营情况来看，其动力学性能表现良好，受到用户和当地乘客的欢迎，取得了很好的经济和社会效益。新造莫桑比克米轨客车整车产品外观见图7。

图7　莫桑比克米轨客车外观

[1]钟源，陈喜红，李冠军，等. 马来西亚动车组ZUA120型米轨转向架的研制[J]. 电力机车与城轨车辆,2012, 35(3):1-6.

[2]李文学，刘志远，赵文学，等. CW-720型米轨转向架的研制[J]. 铁道车辆,2009, 49(1):23-25.

[3]王日艺，陶兆山，孙海东，等. 出口突尼斯内燃动车组转向架[J]. 铁道机车车辆,2014, 34(7):43-45.

[4]黄元琳，范振合，曹兵. 出口泰国EQC-M01型米轨转向架的研制[J]. 铁道车辆,2009, 47(7):24-26.

[5]UIC 518-OR-2009 Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Ride quality[S]. Paris, Sep. 2009.

Development of Meter Gauge Bogies Exported to Mozambique

JINGJianhui1,WUHuichao,LIJianfeng,HUOWenbiao,CHIMaoru2

(1T&R Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd.,Tangshan 063035 Hebei, China;2Tribology Research Institute, Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

Tangshan Railway Vehicle Company Ltd. had developed and manufactured 1067mm meter-gauge coaches exported for Mozambique. For the sake of excellent meter-gauge bogies which can compact with running and maintaining condition of Mozambique railway lines, firstly, customer requirements, running conditions and environment had been comprehended. After the whole structure and suspension of bogie were determined on initial stage, we made a computer calculated model of the bogie with dynamic software SIMPACK. Focusing on primary and second suspensions, the play between wheel and rail, the inner distance of two wheels, we analyzed their dynamic performance and optimized these parameters on the different railway line conditions, and finally balanced and confirmed these dynamic parameters.

meter gauge bogies； mozambique； dynamic model

1008-7842 (2016) 03-0072-05

��)男，高级工程师(

2016-03-17)

U271.92

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.15