1 435 mm/1 520 mm货车变轨距转向架研制

穆凤军，徐世锋，邵文东，刘振明，周国东

(1.中车齐齐哈尔车辆有限公司 大连研发中心，辽宁 大连 116052； 2.中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

2013年习主席提出了“一带一路”(丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路)的倡议，基础设施互联互通是“一带一路”建设的优先领域。我国与东北亚、中亚、南亚及东南亚有8条铁路通路，除中朝铁路联运外，其他铁路通道均存在轨距不同的问题，长期以来采用货物转运和更换转向架方式来解决不同轨距之间的国际联运问题。变轨距转向架是实现不同轨距之间的国际联运问题最优的解决方案，是一种能够充分适应发展需要、周转快、效率高、收益大的联运方式，尤其在运输危险、易腐坏、易污染环境、加固费用较高和需要防护的货物时，这一技术更能显示其优越性。

因此在“十三五”交通领域科技发展战略研究报告中，明确将“转向架轨距可变技术”列入到“自适应转向架的关键技术”中进行重点研发。中车齐齐哈尔车辆有限公司于2016年承担了中国国家铁路集团有限公司重点课题——1 435 mm/1 520 mm变轨距转向架及配套设施关键技术研究，研制了1 435 mm/1 520 mm货车变轨距转向架。

1 技术路线

变轨距转向架采用变轨距轮对结构，除了轮对特殊外，其他结构与传统转向架差别不大，制造成本明显低于采用独立旋转车轮的变轨距转向架。轮对出现擦伤等问题可临时更换为常规轮对，对车辆正常运输影响较小。

ZK1型转向架为铸钢三大件式转向架，具有结构简单，制造、检修、运用成本低的优点，它在三大件式转向架的基础上又加装了侧架弹性中交叉支撑装置，克服了原三大件式转向架运行速度不高、车轮磨耗严重的缺点。多年的运用结果表明，该转向架具有造价低、运行速度高、磨耗轻微及检修成本低等优点。1 435 mm/1 520 mm转向架将来适用于中国和独联体国家境内，如采用铸钢三大件式转向架，检修将更加便利。

踏面制动具有造价低、易于更换、便于观察等优点，中国和独联体国家的货车基本上均采用踏面制动。盘形制动制造成本高，制动闸片磨耗及裂损不易观察，而且必须在特殊的作业场地(地沟)才能更换闸片，这与中国和独联体国家现有的运用条件差距很大。

从可行性、可维修性、经济性及创新性等方面考虑，确定了1 435 mm/1 520 mm货车变轨距转向架方案：研制拥有独立知识产权的变轨距轮对，采用ZK1型铸钢三大件式转向架，采用踏面制动并配套研制变轨距制动梁。

2 结构特点

1 435 mm/1 520 mm变轨距转向架(ZK1型转向架)装用变轨轮对，可实现轨距自动变换，采用踏面制动，配套采用变轨距制动梁。图1为转向架三维示意图。

2.1 转向架主要结构

1 435 mm/1 520 mm变轨距转向架采用侧架弹性中交叉支撑装置，可提高转向架的运行速度；采用耐低温八字形轴箱橡胶垫，可降低轮轨动作用力并改善曲线通过性能；车轴材质为LZW钢；车轮材质为CL60钢；采用耐低温双列圆锥滚子轴承；采用两级刚度弹簧，提高空车弹簧静挠度；摇枕、侧架采用耐低温DB级铸钢铸造，采用高摩合成闸瓦；采用耐低温DWJC型常接触弹性旁承；采用耐低温心盘磨耗盘；斜楔材料为贝氏体球墨铸铁；各主要摩擦副采用耐磨件。

变轨距轮对结构见图2。车轮可以在车轴上横向移动，横向力通过锁紧销与轮毂上的环槽传递。当车轮通过地面变轨距设施时，地面的解锁导轨向轨道外侧挤压解锁盘，控制杆通过斜面效应带动锁紧销离开轮毂环槽，完成解锁；车轮在车轮导轨作用下移动到合适位置后，解锁导轨逐步释放解锁盘，在复原弹簧作用下控制杆带动锁紧销在新的位置锁定，完成轨距变换。

图2 变轨距轮对示意图

变轨距制动梁结构见图3。闸瓦托套装在制动梁端头上，可以横向移动，通过弹片凸起与制动梁端头不同位置凹窝配合实现闸瓦托的横向定位。当车轮通过地面变轨距设施横向移动时，车轮通过拨挡推动闸瓦托横向移动，在该横向力作用下使得弹片凸起脱出梁架凹窝实现解锁；当移动到新的位置时，在弹性力作用下弹片凸起重新落入梁架凹窝里实现锁闭。

图3 变轨距制动梁示意图

2.2 转向架主要参数

1 435 mm/1 520 mm变轨距转向架主要参数如表1所示。

3 分析计算情况

3.1 动力学分析

该转向架配装哈萨克斯坦低开门敞车车体，在考虑轮对横向间隙和扭转间隙的情况下进行了动力学性能仿真分析，主要结论如下：

(1) 准轨线路上，车辆临界速度为164 km/h；宽轨线路上车辆临界速度为155 km/h，均满足车辆最高运营速度120 km/h的运行要求。

(2) 轮轴径向间隙对车辆临界速度基本无影响，轮对横向间隙和旋转间隙对车辆临界速度有影响，应尽可能减小该间隙。

(3) 轮对横向间隙及旋转间隙对车辆运行平稳性及安全性基本无影响。

3.2 变轨距轮对运动学分析

对变轨距轮对进行了运动学分析，考虑各部位摩擦的情况下，得出如下结论：

(1) 在解锁盘上施加最大10 kN的横向力，可完成车轮与车轴的主动解锁。

(2) 重车工况下移动车轮的横向阻力最大为36 kN。

(3) 在最大轮轴横向力作用下，锁紧装置不会被动解锁。

综上认为，变轨距轮对的锁紧装置主动解锁力较小，能够实现解锁功能；在最大轮轴横向力作用下不会被动解锁，运行安全可靠；变轨距车轮移动时的最大横向阻力在可接受范围内。

3.3 变轨距轮对强度分析

按TB/T 2705—2010《铁道车辆非动力车轴设计方法》对变轨距轮对进行了静强度分析计算，结果表明，锁紧部件强度满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定，具体部件应力见表2。

表2 变轨距轮对静强度计算结果对比

3.4 变轨距制动梁强度分析

采用C70型敞车制动系统参数，按照TB/T 1978—2018《铁路货车转向架 组合式制动梁》对变轨距制动梁进行了有限元分析计算，结果表明，变轨距制动梁主要部件强度满足TB/T 1335—1996的规定。表3为变轨距制动梁挠度载荷和切向载荷共同作用下的应力计算结果。

表3 变轨距制动梁挠度载荷和切向载荷共同作用下的应力计算结果 MPa

4 试验情况

变轨距转向架在专用变轨试验平台(图4)上进行了变轨功能试验.该平台一端为准轨线路(轨距1 435 mm)，另一端为宽轨线路(轨距1 520 mm)，中间为变轨装置。将转向架放置在变轨距平台准轨线路的一端，然后将转向架分别加载砝码到空车载荷7 t和重车载荷45 t，缓慢推动转向架向宽轨端移动，到达宽轨端后再返回准轨端。转向架在空重车条件下分别进行了3次往返试验，均顺利完成轨距变换，变轨距过程中未发生卡阻现象和异常声响。转向架变轨试验状态见图5。

图4 专用变轨试验平台

图5 地面健康管理平台

5 结束语

变轨距转向架的成功研制使我国货车向变轨距技术迈出了重要一步，为变轨距列车的开行做好了重要的技术储备。变轨距转向架通过地面设施可以实现自动变换轨距，货物无需换装，具有周转快、效率高、货物损耗少的优点。它为解决我国同周边国家不同轨距间联运问题提供了新的解决方案，并且随着我国“一带一路”倡议的深入推进，未来几年内变轨距转向架技术在铁路货车领域将会得到更快的发展。