1 435/1 520 mm高速变轨距转向架动力学滚振试验研究

2021-11-13戴晓超王泽飞许东日王瑞卓石怀龙李凡松刘志强沈文林戴焕云

铁道科学与工程学报 2021年10期

戴晓超，王泽飞，许东日，王瑞卓，石怀龙，李凡松，刘志强，沈文林，戴焕云

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031)

为推动国际联运和区域间运输的发展，实现丝绸之路经济带铁路的互联互通，提高客货运输效率，要求车辆必须适应不同国家间的不同铁路轨距、轨底坡和钢轨廓形，即要求转向架的内侧距可调。为了同时兼顾2种或多种轨距，有必要设计变轨距转向架。不同于传统转向架，变轨距转向架的轮对主要由车轴、车轮和锁紧机构组成，车轮是通过锁紧机构固定在车轴上。轨距变换时，锁紧机构被打开，允许车轮相对车轴横向滑动以适应不同的轨距，然后再锁紧车轮和车轴。在正常运行过程中，变轨距转向架轮对与传统整体式轮对无区别，车轮与车轴是个整体，但锁紧机构不可避免地造成车轮和车轴之间存在间隙，虽然该间隙值特别小。在国外，西班牙、德国、波兰和日本等国家较早地开展了变轨距转向架技术研究，发展出基于传统式整体轮对、独立旋转车轮、变构架式的变轨距转向架技术[1−5]。我国变轨距技术研究起步较晚，早期研究限于概念和结构设计[6]。2016年国家科技部通过“先进轨道交通”重点专项，对400 km/h变轨距转向架进行研发，覆盖多种轨距轨道系统，开展了一系列结构设计、轮轨关系及动力学等研究。徐彬等[7]指出，在动车组变轨距转向架设计过程中，需要关注轨距的公差带、名义尺寸、车辆限界以及轮对内侧距等问题。仿真发现，宽轨条件下的货车变轨距转向架临界速度比准轨条件下的降低5 km/h，但是空重车临界速度的差异在2种轨距条件下基本相同[8]。石怀龙等[9-10]分析了不同轨距、轨底坡、钢轨廓形、车轮踏面状态下的轮轨接触几何关系以及轮轴间隙对货车变轨距转向架动力学性能的影响，指出轮轴间隙不影响车辆运行安全性和平稳性，但会降低蛇行临界速度。马利军等[11]针对传统轮对和独立旋转车轮车辆进行了动力学性能仿真，发现独立旋转车轮的轨道对中性能较差，车轮轮缘磨耗严重，且轮对冲角较大，曲线工况下导向力不足。李国栋等[12]分析了变轨距转向架在不同轨距轨道系统下的动力学适应性，并提出可以通过调整悬挂参数来改善车辆的动力学性能。邵亚堂等[13]设计出一种基于中国标准动车组的高速变轨距转向架的轮轴锁紧机构，仿真分析了1 435 mm和1 520 mm 2种轨距条件下的运行平稳性和曲线通过安全性。崔红伟等[14]介绍了变轨距转向架轴箱的特点、结构设计以及轮对的变轨过程，并用有限元软件验证了轴箱转臂的强度。基于我国变轨距转向架研究限于结构设计和仿真分析，而缺少在不同轨距轨道线路上的适应性验证，本文开展1 435/1 520 mm高速动车组变轨距转向架动力学性能的滚动振动台架试验研究。试验的最高速度为600 km/h，包括在2种轨距线路上的动力学性能和轮轴横向间隙动态变化情况。

1 变轨距转向架滚振试验

1.1 滚振试验需求

针对兼顾轨距1 435 mm(准轨)和1 520 mm(宽轨)线路的变轨距转向架，其滚动试验的基本需求及滚振试验台能力见表1和表2。

表1 变轨距转向架的滚振试验需求Table 1 Roller rig test requirements for gauge-changeable bogie

表2 机车车辆滚动振动试验台能力Table 2 Ability transformation of railway vehicle roller test rig

西南交通大学牵引动力国家重点实验室的机车车辆滚动振动试验台如图1所示，通过滚轮模拟车轮转动和轨道的横向、垂向不平顺激励，以模拟车辆在实际线路上的运行工况。其滚动即模拟车辆沿轨道向前的运动，其激振则模拟轨道的随机不平顺激扰。试验台最高模拟速度可达600 km/h，激振的振幅横向可达到±10 mm，垂向可达到±15 mm。

图1 机车车辆整车滚动振动试验台Fig.1 Railway vehicle roller test rig

高速动车组变轨距转向架主要由焊接构架组成、一系悬挂及轮对轴箱定位装置、二系悬挂及牵引装置、摇枕、基础制动装置等组成。构架采用H型结构，重量轻强度高。一系悬挂组成由2组螺旋钢弹簧、一系垂向减振器和转臂定位装置组成。二系悬挂装置主要由空气弹簧组成、摇枕、由间隙和橡胶块提供的非线性横向止档、抗侧滚扭杆等部件组成。高速转向架主要力学参数见表3。

表3 变轨距转向架参数Table 3 Gauge-changeable bogie

1.2 滚动试验内容及方法

为了对1 435/1520 mm高速动车组变轨距转向架的动力学性能进行试验研究，利用滚振试验台进行了蛇行运动稳定性试验、运行平稳性试验，并监测了轮轴横向间隙动态变化情况。图2为整车在试验台上，图3为变轨距转向架。

图2 变轨距转向架滚振试验现场Fig.2 Roller rig test site of gauge-changeable bogie

图3 变轨距转向架在滚振试验台上Fig.3 Gauge-changeable bogie on the roller test rig

台架试验时，以一定的速度步长(5～10 km/h)逐渐提高车速，在每一车速下试验台滚轮以相应的轨道谱激振，测量和观察轮对的横移，如果取消激振后轮对的横移振动不收敛，则这时的速度即为车辆系统在实际轨道谱激扰下的临界速度。试验台滚轮纯滚动，并以较小的加速度值逐渐提高车速(每秒车速提高1～3 km/h)，测量和观察轮对的横移，当轮对相对滚轮的横移出现较规则的等幅振动时，则该速度即为车辆系统的线性临界速度。由于线路上轨道激励一直存在，通常采用简化法进行失稳评判，以转向架构架横向加速度峰值有连续6次以上达到或超过8 m/s2(0.5～10 Hz滤波，与转向架的设计相适应)来判定转向架横向失稳[15]。

运行平稳性包括平稳性指标以及舒适度指标，平稳性指标是对机车车辆上旅客乘员乘坐舒适性的度量方法，其试验方法、指标计算采用GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》[15]。舒适度指标是对机车车辆上乘务员和乘员的平均舒适度的度量方法，其评定准则和计算方法见UIC513-1994。文献[16]详细论述了铁道车辆运行平稳性的评价内容以及不同方法之间的差异与关联性。

本次1 435/1 520 mm变轨距转向架动力学滚振试验所采用的激振用轨道谱和被试车实际运行线路的轨道谱相当，为武广客专轨道谱。滚振试验速度及速度等级见表4。试验采用加速度传感器LC0707-10和位移传感器TDZ-1/75分别测定加速度及位移信号，测点布置见表5。

表4 试验速度Table 4 Test speed

表5 传感器测点布置Table 5 Layout of sensor measuring points

2 蛇行运动稳定性试验

机车车辆动力学的主要性能之一是保持蛇行运动稳定性，列车正常运行时不允许发生蛇行失稳，否则影响运行平稳性，严重时甚至有可能会造成脱轨和线路破坏。在速度80～600 km/h范围内，开展试验台纯滚动条件下变轨距转向架的线性临界速度试验，考虑1 435 mm准轨和1 520 mm宽轨2种线路条件；进一步，开展轨道随机不平顺激励下的架构端部横向加速度测试，测定实际轨道激励下的临界速度。

2.1 纯滚条件下的线性临界速度

试验结果如图4所示，在轨距1 435 mm和1 520 mm工况下，试验速度达到600 km/h时及过程中轮对横向未出现谐波运动，因此，变轨距转向架在准轨线路上的线性临界速度高于600 km/h；变轨距转向架在350～450 km/h速度范围内出现小幅蛇行运动，2种轨距条件下，轮对横移量均小于0.5 mm，且宽轨条件下的稳定性略好；综上，1 435/1 520 mm变轨距转向架同时满足宽轨和准轨线路上线性临界速度600 km/h以上。

2.2 随机激励下的构架横向加速度

武广客专轨道谱激励下的构架横向加速度试验结果如图5所示，在最高440 km/h速度条件下，无论是在1 435 mm轨距还是1 520 mm轨距下，构架端部横向加速度在0.5～10 Hz带通滤波后幅值远小于8 m/s2，即满足标准要求，表明转向架蛇行运动稳定性裕量充足。在2种轨距线路上，构架端部横向加速度都是随着速度先增加后减小，最后趋于稳定。1 520 mm轨距下结果与1 435 mm轨距类似，表明该变轨距转向架在准轨和宽轨线路上以400 km/h速度运行时具有足够的蛇行运动稳定性裕量。

图5 构架端部横向加速度Fig.5 Lateral acceleration of bogie frame end

3 运行平稳性试验

车辆的运行平稳性可采用平稳性指标和舒适度指标来评价。平稳性指标如图6所示，在试验速度440 km/h范围内，变轨距转向架不论是在准轨1 435 mm还是在宽轨1 520 mm轨道上，其横向和垂向平稳性指标均小于2.0，远小于客车、动车组车辆的标准要求2.5，达到优级。分析发现在较高速度时，准轨线路上的横向平稳性指标大于宽轨线路，与图4的蛇行稳定性结果类似。

图4 不同轨距下的轮对横移量Fig.4 Wheelset lateral movement under different gauges

舒适度指标如图7所示。在试验速度440 km/h范围内，舒适度指标均小于1.5，达到1级，评定为非常舒适，指标满足标准要求。对比图6(a)和6(b)可见，宽轨线路上的车体前中后测点的舒适度指标差别较小，而准轨上差异较大；准轨和宽轨线路上的舒适度指标都是中部较大，前部最小，可见车体中部振动较端部恶劣，与车体弹性振动相关。

图6 平稳性指标Fig.6 Sperling index

图7 舒适度指标Fig.7 Ride comfort index

4 轮轴横向间隙测试

1 435/1 520 mm变轨距转向架相对于传统转向架区别在于轮对侧距可以调整，以适应准轨线路和宽轨线路需求，从而实现不同轨距线路的互联互通。轮对内侧距的改变依靠车轮沿车轴的横向移动，然后利用锁紧机构锁紧，由于轮轴是间隙配合，因此不可避免轮轴之间存在间隙。

图8为轮轴横向间隙动态变化情况的测试结果。准轨线路上，除试验速度380 km/h以外，其他速度等级的轮轴横向间隙都小于0.7 mm；间隙值随速度的提高而增加，这可能与测试工装在试验速度提高时的弹性变形或轴箱轴承的间隙有关。在速度400 km/h以内，2种轨距工况下的轮轴横向间隙基本都小于0.6 mm，满足文献[9-10]中变轨距转向架的建议控制间隙。相同速度等级下，宽轨距工况下4个测点位置的轮轴横向间隙差值比准轨线路上小，且分布较集中。