1 435/1 520 mm变轨距转向架关键参数优化匹配分析*

王欢声， 冯永华， 罗 赟， 梁树林， 池茂儒

(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031；2 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心， 山东青岛 266111)

铁路运输以运量大、能耗低、污染小、安全快捷等诸多优点，成为国际联运和区域间运输方式的首选，在我国对外贸易中更是起着举足轻重的作用。中俄边境铁路在中俄两国的经济贸易发展中发挥着至关重要的作用，但是俄罗斯基本以宽轨(1 520 mm)为主，不同于我国的标准轨距(1 435 mm)，而目前列车要想通过中俄不同轨距的铁路，需采用转运、交换走行部或铁路驮背运输车[1]等方法来实现，这大大降低了客货运输效率。相比于以上解决方式采用变轨距转向架，调整轮对内侧距以适应不同轨距的方法更方便、更快捷[2-3]。

图1 中俄蒙3国联运客车更换转向架[4]

然而，中国与俄罗斯铁路不仅轨距不同(中国轨距1 435 mm，俄罗斯轨距1 520 mm)，钢轨廓形也不相同(中国主要采用CN60 轨，俄罗斯大部分为Russia65轨)，而且轨底坡也不相同(中国轨底坡1∶40，俄罗斯轨底坡1∶20)，因而在中俄边境轨距变换前后，必然引起轮轨关系的巨大变化，进而可能引起车辆动力学性能存在较大差异。如何通过车辆悬挂参数的优化匹配，来适应轨距变换前后的轮轨接触关系，是变轨距转向架研发关注的重点[5-6]。

文中将首先针对轨距变换前后的轮轨接触关系展开对比分析，进而分析不同轮轨接触关系对车辆动力学性能的影响，找出关键影响指标，针对主要影响指标，对变轨距转向架进行关键参数优化匹配分析，来兼顾轨距变化前后的车辆动力学性能。

1 轨距变换前后的轮轨接触关系对比分析

LMA标准踏面与中国准轨线路(轨距1 435 mm，轨底坡1∶40，钢轨型号CN60)、俄罗斯宽轨线路(轨距1 520 mm，轨底坡1∶20，钢轨型号P65)的轮轨匹配关系如图2～图5所示，分别对比了两种线路的钢轨廓形、轮轨接触迹线图、等效锥度以及接触角差。

将两种钢轨的轨距测量点(轨顶下16 mm处)对齐并作其廓形图如图2所示。若不考虑轨底坡的影响，中国CN60 轨与俄罗斯Russia65 轨横断面的轨头廓形在轮轨接触区相差不大，仅在轨肩处CN60轨略高；若考虑轨底坡(中国轨底坡1∶40，俄罗斯轨底坡1∶20)的影响，对比两种钢轨的廓形，可以看出两种钢轨轨头横断面廓形特别是轨肩部分有很大差别，这是因为俄罗斯钢轨轨底坡较大，故钢轨向内侧倾斜程度更大，易使轮轨接触点向踏面外侧移动；可见轨底坡的变化是LMA踏面与两种钢轨轮轨接触关系差异的主要影响因素。

*国家重点研发计划(2016YFB1200501-005)；国家重点研发计划(2018YFB1201701)；牵引动力国家重点实验室自主课题(2018TPL_T04)

王欢声(1995—)男，硕士研究生(收稿日期：2019-05-04)

图2 准轨、宽轨钢轨廓形对比

准轨、宽轨轮轨接触迹线图如图3所示。LMA踏面与准轨匹配的接触迹线图分布均匀；而宽轨P65-LMA匹配的接触带较窄，当轮对产生横移时，宽轨线路轮轨接触点在钢轨上的位置没有太大改变，并且由于宽轨轨底坡较准轨更大，故LMA踏面与宽轨的接触带比准轨更偏向于外侧区域，这对轮轨接触关系极为不利。为了使变轨距车辆在准轨和宽轨两种不同轮轨接触关系的线路上均有较好的动力学性能，可对车辆悬挂参数进行优化设计兼顾两种线路条件。

图3 准轨、宽轨轮轨接触迹线图

由轮轨接触迹线图4可以看出，LMA踏面与宽轨的接触带宽主要集中在斜率为1∶40的直线段，所以车轮踏面在一定轮对横移范围内轮对与宽轨匹配的等效锥度均为0.025；LMA踏面与宽轨匹配的名义等效锥度0.025(轮对蛇行运动幅值为3 mm时所对应的等效锥度)要低于准轨0.038，降低等效锥度有利于提升车辆运行稳定性，但是不利于曲线通过，而且较低的等效锥度容易诱发一次蛇行(即“晃车”)现象，严重影响乘坐舒适度。

由图5可以看出，随着轮对横移量的增加，准轨线路上轮轨接触角差也随之增大，轮轨接触角差越大，则轮对重力刚度、重力复原力越大，有利于提高轮对的对中性能以及抑制车辆的一次蛇行现象；而宽轨线路上左右轮轮轨接触角绝对值基本相同，其轮轨接触角差几乎为0且不随轮对横移量变化而有较大变化，其轮对对中性能较差。

图4 准轨、宽轨等效锥度对比

2 轨距变换前后车辆动力学性能对比分析

本小节计算的所有工况车轮踏面均采用LMA踏面，计算变轨距车辆在准轨线路(轨距1 435 mm,钢轨廓形CN60,轨底坡1∶40)与宽轨线路(1 520 mm, Russia P65,1∶20)运行的动力学性能。直线工况设置50～450 km/h共11个运行速度等级，线路激励采用实测武广客运专线通用轨道谱；曲线通过性能计算采用R250 m曲线并设置10～50 km/h共5个运行速度等级，模拟变轨距车辆在车辆段内小半径曲线上运行时的工况。

图5 准轨、宽轨接触角差对比

变轨距车辆与两种线路匹配的极限环幅值如图6所示，横坐标为不同的计算车速，纵坐标代表轮对横移量；首先让变轨距车辆运行在一段施加实测轨道谱激励的有限长轨道上，激发车辆系统的振动，然后让车辆运行在理想的光滑直线轨道上，记录最终轮对振动的横移量幅值，即为车辆蛇行运动极限环幅值[7]。变轨距车辆在准轨线路上运行的临界速度为600 km/h，能够满足我国目前高速动车组的运营要求；而在宽轨线路上运行，速度为100 km/h左右时，轮对会出现小幅晃动的现象，随着速度继续升高，轮对将会收敛。

图6 1 435/1 520 mm车辆蛇行运动极限环幅值

图7为车辆运行平稳性对比，宽轨上变轨距车辆在速度为100 km/h左右时，其横向平稳性会突然增大，与车辆蛇行运动极限环幅值中轮对小幅横向晃动相对应，这是由于蛇行频率与车体的悬挂频率相近，车体的模态位移较大，加之车辆系统运动阻尼比不足，则容易发生车体的明显晃动，这种运动称为车体一次蛇行[8]。由于LMA踏面与宽轨匹配的名义等效锥度较低，且接触角差基本为0，故变轨距车辆在宽轨线路上比准轨线路更容易出现一次蛇行的现象。在线路激励相同的情况下，不同线路对变轨距车辆横向平稳性性能影响明显，而对车辆系统垂向平稳性性能影响不大。

图7 1435/1520 mm平稳性性能对比

变轨距车辆以低速通过R250 m曲线时，其在不同轨距线路上运行的轮重减载率与脱轨系数如图8所示。车辆轮重减载率随着曲线运行速度的提高而增大，但不同线路对其影响不大；车辆在准轨线路运行的脱轨系数要优于宽轨，且两者均未超过安全运行限值。故对变轨距转向架进行关键参数优化匹配时，主要对车辆运行稳定性、横向平稳性以及脱轨系数进行对比分析。

3 转向架关键参数优化匹配分析

变轨距车辆在不同线路(1 435/1 520 mm)上运行的动力学性能会有较大差异，车辆在宽轨线路上的“二次蛇行”(也叫转向架蛇行)临界速度高于准轨线路，较高的“二次蛇行”临界速度利于提高车辆运行稳定性及安全性，但是当车辆在宽轨线路上以低速运行时，容易诱发车体的一次蛇行运动，严重影响车辆的乘坐性能(如使横向平稳性性能突增)。车辆的两种蛇行运动都是需要力求避免的，故本小节在轮轨关系确定后，对变轨距转向架悬挂参数的设计需要综合考虑和协调两种线路的车辆运行品质。

针对LMA踏面与中国准轨线路、俄罗斯宽轨线路轮轨匹配关系的差异，为了适应两种轨距线路。需要对变轨距转向架的一系定位刚度和二系回转阻力矩进行优化，故本节在准轨与宽轨(1 520 mm)两种特定线路条件下，对车辆转臂纵向定位刚度、抗蛇行减振器阻尼系数(CSX)进行了车辆运行稳定性以及横向平稳性的优化匹配分析。转臂纵向定位刚度取5～30 MN/m，抗蛇行减振器阻尼系数取400～5 000 kNs/m。

图8 1435/1520 mm曲线通过性能对比

转臂纵向定位刚度的改变对临界速度、横向平稳性的影响如图9、图10所示。当变轨距车辆运行在准轨线路上，车辆的转臂纵向定位刚度在一定范围内越高，其稳定性越好、二次蛇行临界速度也越高，对应的横向平稳性越优；不过当车辆的直线运行速度超过其临界速度时，车体横向平稳性性能会马上恶化，如转臂纵向定位刚度为5～7 MN/m时，其临界速度均低于450 km/h，故车辆以450 km/h运行在直线线路上的横向平稳性会突增。宽轨线路上变轨距车辆的稳定性、平稳性规律不同于准轨线路，由宽轨线路车辆蛇行运动的极限环幅值图可以看出，当转臂纵向定位刚度大于10 MN/m且车速在100 km/h附近时车辆容易发生车体一次蛇行现象，这可能与轮轨匹配的等效锥度、接触角差较低有关；当车辆发生一次蛇行现象时，车体的横向平稳性会较大程度恶化，严重影响乘客的乘坐舒适度。

图9 转臂纵向定位刚度对临界速度的影响

图10 转臂纵向定位刚度对横向平稳性的影响

准轨线路上转臂纵向定位刚度改变对变轨距车辆脱轨系数的影响程度要大于宽轨线路，且随着转臂纵向定位刚度的增大，车辆在小半径曲线上运行的脱轨系数总体呈增大的趋势，如图11所示。为了使变轨距车辆在不同线路上均能达到较高的临界速度，并且避免车辆在宽轨线路上低速运行时发生一次蛇行现象，使变轨距车辆运行过程中动力学性能不超过限值[9-11]，准轨线路要求车辆的转臂纵向定位刚度不能取太小，而宽轨线路要求车辆的转臂纵向定位刚度不能取太大，建议取9 MN/m左右较为合适。

图11 转臂纵向定位刚度对脱轨系数的影响

抗蛇行减振器阻尼系数的改变对临界速度、横向平稳性的影响如图12、图13所示。准轨线路上，当抗蛇行减振器阻尼系数取400～5 000 kNs/m时，减振器阻尼系数的改变对车辆二次蛇行临界速度影响不大；但是在宽轨线路上，抗蛇行减振器阻尼系数过低会导致车辆在低速运行时出现一次蛇行现象，如抗蛇行减振器阻尼系数为400 kNs/m、600 kNs/m时，变轨距车辆在宽轨线路上以100 km/h、300 km/h左右速度运行的横向平稳性明显变差。

当抗蛇行减振器阻尼系数取400～5 000 kNs/m，变轨距车辆以低速通过小半径曲线时脱轨系数随着抗蛇行减振器阻尼系数增大而增大，如图14所示，意味着阻尼系数的提高会在一定程度上增加车辆脱轨的风险。为了避免变轨距车辆在宽轨线路上正常运行时蛇行频率与车体悬挂频率发生耦合，从车辆运行稳定性以及横向平稳性考虑，车辆的阻尼系数取越大越好；但考虑到车辆的阻尼系数取太大可能会引起变轨距车辆通过小半径曲线时脱轨，故取抗蛇行减振器阻尼系数1 000 kNs/m左右较为合适。

图12 抗蛇行减振器阻尼系数对临界速度的影响

图13 抗蛇行减振器阻尼系数对横向平稳性的影响

图14 抗蛇行减振器阻尼系数对脱轨系数的影响

4 参数优化前后动力学性能对比

依据优化匹配分析结果，优化匹配方案选取转臂纵向定位刚度、抗蛇行减振器阻尼系数分别为9 MN/m、1 000 kNs/m，优化前后车辆蛇行运动极限环幅值以及横向平稳性对比结果如图15、图16所示。采用优化后的参数，不仅提高了变轨距车辆在准轨线路上的二次蛇行临界速度，同时消除了在宽轨线路上低速运行时一次蛇行现象；变轨距车辆优化参数后在准轨、宽轨线路上运行的横向平稳性均优于优化前；变轨距车辆优化参数后在通过小半径曲线时的脱轨系数与优化前差别不大，均未超过运行安全限值。采用变轨距转向架关键参数优化匹配方案，兼顾了轨距变化前后的车辆动力学性能，使变轨距转向架车辆在轨距变换前后都能获得较好的动力学性能。

图15 优化前后车辆蛇行运动极限环幅值对比

图16 优化前后横向平稳性对比

图17 优化前后脱轨系数对比

5 结 论

文中对变轨距车辆与不同线路的轮轨匹配接触关系进行对比分析，找出影响车辆动力学性能的关键指标，针对主要影响指标，进行变轨距转向架关键参数优化匹配分析来适应轨距变换前后的轮轨接触关系，得出以下结论：

(1)变轨距车辆运行在我国准轨线路(轨距1 435 mm，轨底坡1∶40，钢轨型号CN60)与俄罗斯宽轨线路(轨距1 520 mm，轨底坡1∶20，钢轨型号P65)，轨底坡变化是引起轮轨接触关系差异的关键因素，其差异主要体现的关键指标有等效锥度以及接触角差；

(2)在线路激励相同的情况下，由于不同线路轮轨接触关系不同引起的动力学差异主要体现在车辆系统稳定性、直线运行横向平稳性和小半径曲线运行的脱轨系数，对垂向平稳性和轮重减载率的影响不大；

(3)为了使变轨距车辆在不同线路上均能达到较高的临界速度，并且避免车辆在宽轨上低速运行时发生一次蛇行现象，建议车辆的转臂纵向定位刚度取9 MN/m左右；抗蛇行减振器阻尼系数过低会导致车辆在宽轨上低速运行时出现一次蛇行现象，阻尼系数过高会在一定程度上增加车辆小曲线半径脱轨的风险，故建议抗蛇行减振器阻尼系数取1 000 kNs/m左右。

文中提出的变轨距转向架关键参数优化匹配方案，可以使变轨距转向架车辆在轨距变换前后都能获得较好的动力学性能，为变轨距车辆转臂纵向定位刚度以及抗蛇行减振器阻尼系数的取值提供了一定的参考价值。