钓竿式变轨距转向架动力学研究*

史 炎， 何 健

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031)

自中国提出一带一路倡议以来，不仅赢得越来越多国家的理解和积极响应，也得到了联合国的鼎力支持，国际经贸活动的发展必将带动国际铁道货运量的增加。由于历史的原因，世界各国铁路一直存在着多种轨距阻碍了国际铁路联运，实现不了一列惯通，只能在口岸转运货物。实现不同轨距区间的直通运行最便捷的方式就是采用变轨距轮对，旅客无需换乘，货物无需换装。

1 国内外变轨距转向架技术

国外早在20 世纪 60 年代就开展了自动变轨距转向架研究[1]，已开发出多种结构形式变轨距转向架。如西班牙的Talgo型、德国的DBAG/Rafil V型、波兰的 SUW2000 和日本的E30B等。西班牙Talgo系列的变轨距转向架利用销钉插入凹槽来约束车轮沿轴向运动，每一轮对的锁紧机构有4个，与地面装置配合层次多而且只适合独立旋转车轮形式。图1是德国的DBAG/Rafil V型转向架所采用的变轨距机构[2]，其锁紧机构利用锁紧杆绕凸轮转动的原理设计，由缓解盘、锁紧杆、压力弹簧和锁紧衬套组成，锁紧杆前端与轮毂的凹槽为斜面配合，曲线通过时在横向力的作用下，锁紧杆前端产生一个径向分力要由锁紧衬套承担。

1-缓解盘；2-锁紧杆；3-压力弹簧；4-锁紧衬套。图1 DBAG/ Rafil V型变轨距轮对

2 钓竿式变轨距锁紧机构

在借鉴国内外变轨距锁紧机构方案基础上，提出一种变轨距轮对设计方案用于传统轮对，使用前提是两边车轮与车轴用花键联接、传递扭矩，车轮相对于车轴只有一个自由度：轴向移动。钓竿式变轨距锁紧机构如图2所示，锁紧机构由套筒、缓解盘、缓解筒、复位弹簧、限位柱等构成。套筒与车轴过盈配合，轮毂上开设有两排盲孔，每排盲孔沿圆周方向均匀布置4个，两排盲孔分别对应两种轨距；圆柱形限位柱上开设相惯孔，其中心线与柱体中心线的夹角成45°；缓解盘沿圆周方向均匀布置4个钓竿，钓竿与缓解盘轴线夹角成45°，钓竿插入限位柱的相惯孔中。

1-车轴；2-轮毂；3-限位柱；4-弹簧；5-套筒；6-缓解筒；7-钩竿；8-缓解盘。图2 钓竿式变轨距锁紧机构

车辆采用车轮承载方式，以10 km/h左右速度通过地面轨距变换设施时车轮自动完成轨距变换，两种轨距之间的变换过程是可逆的。以车辆从准轨线路进入宽轨线路为例论述钓竿式变轨距锁紧机构工作过程：

① 轮对从准轨线路进入地面变轨距区域，右侧车轮保持锁闭担当轮对运行职能，左侧车轮初始位置如图3(a)所示，缓解筒在地面解锁轨的作用下压缩弹簧，带动缓解盘一起向轨道中心线的反方向移动，只能径向移动的限位柱被钓竿提起直到与第一排盲孔完全脱离，左侧车轮解锁，如图3(b)；

② 解锁后的左侧车轮沿槽轨位移，直到宽轨轨距的一半，第二排盲孔对准限位柱，图3(c)；

③ 缓解筒在压缩弹簧的作用下复位，限位柱落入第二排盲孔，左侧车轮闭锁，图3(d)；

④ 右侧车轮重复以上步骤，轮对转换到宽轨线路。

图3 轨距变换过程

3 变轨距转向架动力学模型

将车辆系统视为一个多刚体系统，不考虑车体、转向架构架、车轮等部件本身的弹性变形，各刚体通过弹簧和减振器相互连接形成多自由度的非线性振动系统。中欧货运列车途经很多前苏联的加盟共和国，它们沿用了宽轨线路，转向架的动力学性能要兼顾准轨和宽轨。使用Simpack动力学仿真软件建立货车动力学计算模型，使用虚拟车体建立好一个转向架模型再装配成整车模型，如图4所示，转向架结构为转K6型交叉支撑式，主要参数见表1[3]。轨距参数在Simpack轮轨全局变量中修改，准轨轨距1 435 mm、滚动圆横向跨距之半0.746 5 m，宽轨轨距1 520 mm、滚动圆横向跨距之半0.789 m。

图4 整车动力学计算模型

名称空车重车车体质量/kg1140091400侧架质量/kg497497摇枕质量/kg745745轮对及轴箱质量/kg12571257车轮滚动圆半径/m0.460.46轴距/m1.831.83车辆定距/m99侧架质心至轮对质心垂向距离/m0.120.12摇枕质心至侧架质心垂向距离/m0.050.03车体质心至摇枕质心垂向距离/m0.871.42轴箱纵向刚度/(MN·m-1)1313轴箱横向刚度/(MN·m-1)1111轴箱垂向刚度/(MN·m-1)160160二系悬挂纵向刚度/(MN·m-1)0.724.4二系悬挂横向刚度/(MN·m-1)1.654.4二系悬挂垂向刚度/(MN·m-1)2.784.89车轮踏面LM踏面钢轨UIC60

4 计算结果

4.1 临界速度

截取一段长度为50 m的美国5级轨道谱作为输入激励，车辆预先通过50 m长的激扰线路产生不稳定的状态，激发车辆的自身振动，设置车辆起始运行经过不平顺线路到最后通过平顺线路的线路总长度为300 m，以轮对的横移量判定蛇行运动稳定性。通过仿真计算出的变轨距车辆在不同轨距线路下空、重车的蛇行临界速度见表2。

变轨距转向架车辆在1 435 mm轨距线路运行时，重车的临界速度比空车的增加15%；在1 520 mm轨距线路运行时，重车的临界速度比空车的增加19%；轨距增加，空车、重车的临界速度有所下降。

表2 蛇行临界速度 km·h-1

4.2 重车曲线通过性能

为使研究具有普遍性，设置了5种曲线运行工况，最大欠超高均取为60 mm，圆曲线长度均为120 m, 缓和曲线长度均为150 m。线路其他条件如表3所示，计算结果见图5。

在两种轨距的曲线线路上，载重车辆的动力学性能差别不大，轮轨横向力和脱轨系数都符合GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》相关标准。

表3 曲线参数

图5 重车曲线通过性能

5 结 论

世界各地轨距不统一阻碍了国际联运，大规模更换线路不现实，只能考虑改变车辆，采用变轨距转向架技术解决不同轨距区间直通运行是一种简易有效方法。本文提出了一种新型变轨距转向架的钓竿式锁紧机构方案，并对其动力学特性进行了仿真计算，结果表明钓竿式锁紧机构变轨距转向架是可行性的，按1 435 mm轨距设计的车辆也适用于1 520 mm轨距，曲线通过性能差别不大。

[1] Sakai M, Oda K. Gauge change train[J]. Japanese railway engineering, 1999, 39(2):12-15.

[2] Wilhelm Saliger. 可调轨距轮对[J]. 国外铁道机车与动车, 2002(2):28-33.

[3] 王孔明. 重载货车轮轨动力作用研究[D]. 成都：西南交通大学,2006.