形位误差对三大件式转向架曲线通过性能影响分析*

王 萌，隋顺琦，高贤波，凌 亮

（1 神华铁路装备有限责任公司，北京 100120；2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031）

三大件转向架通过交叉支撑装置侧架弹性固定，使转向架保持正位状态。在车辆实际运用过程中侧架导框的中心会发生偏转进而导致轮对的定位中心偏差，这种偏差称为形位误差。目前，关于形位误差对三大件转向架曲线通过性能影响的研究相对较少。文献［1］研究了独立轮对安装偏差对轮缘磨耗及轮轨横向力的影响规律。文献［2］基于现场试验研究表明车轴不平行度对车辆运行阻力及车轮磨耗的影响。池茂儒［1-2］研究了形位误差状态下转向架的运动状态和受力以及形位误差对行车安全性、稳定性的影响，并根据轮对偏角对稳定性的影响将其划分为易稳定区、欠稳定区和亚稳定区。沈钢［3-4］分析了直线线路条件下形位误差对三大件转向架运行特性的影响，提出了正位偏差的测量方法。王卫东［5］分析了铁道车辆转向架装配误差对铁道车辆运行稳定性、平稳性和轮轨动作用力的影响。丁军君［6］分析了初始安装偏转角、轮径差对车轮磨耗的影响。文献［7］研究轴距误差对车辆动力学性能的影响，并指出广深线试验中转臂式轴箱定位方式导致轮对偏磨。文中采用某型货车进行动力学计算，分析不同形位误差对三大件转向架曲线通过性能的影响。

1 形位误差常见形式

车辆实际运营过程中，形位误差的表现形式虽然各不相同，如图1所示，但基本都可由图1的4种典型形式组合得到。图1（a）~（d）依次为：前轮对偏转、后轮对偏转、前后轮对同向偏转、前后轮对反向偏转。

图1 形位误差种类

2 仿真分析

2.1 车辆动力学模型

基于SIMPACK多体动力学软件建立某型货车动力学模型，如图2所示。车辆及线路设置见表1，车轮踏面为LM型踏面，轨道为60 kg/m钢轨，线路为400 m半径曲线，为分析形位误差对车辆曲线通过性能影响，线路未施加不平顺。车辆前转向架设置形位误差，计算不同形位误差下车辆以不同的速度惰行通过曲线，分析前转向架曲线通过性能指标最大值随速度、形位误差动态演变特性。

表1 车辆及线路设置

图2 货车动力学模型

2.2 仿真结果分析

2.2.1形位误差与线路方向相对关系

为分析曲线线路条件下线路方向与形位误差偏转方向相对关系对车辆动力学性能影响，以前轮对偏转为例，计算对称工况条件下车辆动力响应，工况设置见表2。

表2 工况设置

对称工况下一位轮对轮轨垂向力、横向力时程曲线如图3、图4所示，对比可知，对称条件下2种工况的轮轨力完全一致。转向架前轮对偏转0.3°通过右曲线时，右轮轮轨力与前轮对偏转-0.3°通过左曲线时的左轮轮轨力一致，左轮反之。因此对称条件下可视为同一工况，后续计算中以右曲线为例。

图3 轮轨垂向力

图4 轮轨横向力

2.2.2形位误差对曲线通过性能影响

（1）前轮对偏转

对于前轮对偏转形位误差，一位轮对偏转由-0.4°~0.4°。形位误差为负表示一位轮对逆时针偏转，形位误差为正表示一位轮对顺时针偏转。

前轮对偏转状态下，曲线通过性能指标随速度、偏角变化如图5所示。由图5可知，脱轨系数、轮轨横向力随速度变化相对较小；一位轮对顺时针偏转0.1°时脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力3项指标达到最小，一位轮对顺时针偏转0°~0.1°范围内轮轴横向力达到最小，随偏转角进一步增大或减小4项指标均有不同程度增加。车辆运行速度超过70 km/h、前轮对偏转达到0.2°，轮重减载率、轮轴横向力分别随速度和偏转角的增大而显著增加。

图5 前轮对偏转形位误差对曲线通过性能指标影响

当三大件式转向架存在前轮对偏转形位误差，一位轮对顺时针偏转0.1°通过右曲线时脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力更小，更有利于曲线通过。

（2）后轮对偏转

对于后轮对偏转形位误差，二位轮对偏转由-0.4°~0.4°。形位误差为负表示二位轮对逆时针偏转，形位误差为正表示二位轮对顺时针偏转。

后轮对偏转形位误差下，曲线通过性能指标随速度、形位误差变化如图6所示。由图6可知，后轮对逆时针偏转0.1°~0.2°（-0.1°~-0.2°）范围内脱轨系数、轮轨横向力相对较小且随速度先减小后增大。后轮对顺时针偏转超过0.2°、运行速度达到60 km/h时，脱轨系数、轮轨横向力分别随速度、偏转角的增大而显著增加。后轮对逆时针偏转时，轮重减载率变化相对较小；后轮对顺时针偏转0.3°时，轮轴横向力达到最小。

图6 后轮对偏转形位误差对曲线通过性能指标影响

当三大件式转向架存在后轮对偏转形位误差，二位轮对逆时针偏转通过右曲线时脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力更小，二位轮对顺时针偏转0.3°时，轮轴横向力更小。

（3）前后轮对同向偏转

对于前后轮对同向偏转形位误差，一、二位轮对偏转由-0.4°~0.4°。形位误差为负表示一、二位轮对逆时针偏转；形位误差为正表示一、二位轮对顺时针偏转。

前后轮对同向偏转形位误差下，曲线通过性能指标随速度、形位误差变化如图7所示。由图7可知，前后轮对逆时针偏转0.15°至顺时针偏转0.3°（-0.15°~0.3°）范 围 内 脱 轨 系 数、轮 轨 横 向 力相对较小且随速度增大先减小后增大。前后轮对顺时针偏转0.1°~0.2°范围内轮重减载率、轮轴横向力相对较小。前后轮对逆时针偏转超过0.15°、运行速度达到60 km/h时，脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力分别随速度、偏转角的增大而显著增加。

图7 前后轮对同向偏转形位误差对曲线通过性能指标影响

当三大件式转向架存在前后轮对同向偏转形位误差，前后轮对顺时针偏转通过右曲线时，脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率、轮轴横向力相对更小，更有利于曲线通过。

（4）前后轮对反向偏转

对于前后轮对反向偏转形位误差，一、二位轮对偏转由-0.4°~0.4°。形位误差为负表示一位轮对逆时针偏转、二位轮对顺时针偏转；形位误差为正表示一位轮对顺时针偏转、二位轮对逆时针偏转。

前后轮对反向偏转形位误差下，曲线通过性能指标随速度、形位误差变化如图8所示。由图8可知，前后轮对反向偏转0°~0.1°范围内脱轨系数、轮轨横向力相对较小，随偏转角增大而增大。前后轮对反向偏转-0.1°~0.1°范围内轮重减载率相对较小。一位轮对逆时针偏转、二位轮对顺时针偏转（即前后轮对反向偏转角小于0）状态下通过曲线时轮重减载率对速度、偏转角变化更敏感。一位轮对逆时针偏转、二位轮对顺时针偏转时，轮轴横向力相对较小，前后轮对反向偏转角-0.25°通过曲线时，轮轴横向力达到最小。

图8 前后轮对反向偏转形位误差对曲线通过性能指标影响

当三大件式转向架存在前后轮对反向偏转形位误差，前后轮对反向偏转0°~0.1°范围内脱轨系数、轮轨横向力相对较小；一位轮对顺时针偏转、二位轮对逆时针偏转通过右曲线时，轮重减载率相对更小；一位轮对逆时针偏转、二位轮对顺时针偏转通过右曲线时，轮轴横向力相对更小。

3 结论

文中分析了不同种类形位误差的分布方式对三大件式转向架动态曲线通过的影响规律。主要结论如下：

（1）形位误差分布方式对三大件式转向架曲线通过性能有较大影响，不同种类形位误差对动态曲线通过的影响规律有所不同。

（2）对于前轮对偏转形位误差，一位轮对顺时针偏转0.1°通过右曲线时，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力更小，更有利于曲线通过。

（3）对于后轮对偏转形位误差，二位轮对逆时针偏转通过右曲线时，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力更小，二位轮对顺时针偏转0.3°时，轮轴横向力更小。

（4）对于前后轮对同向偏转形位误差，前后轮对顺时针偏转通过右曲线时，脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率、轮轴横向力相对更小，更有利于曲线通过。

（5）对于前后轮对反向偏转形位误差，前后轮对反向偏转0°~0.1°范围内脱轨系数、轮轨横向力相对较小；一位轮对顺时针偏转、二位轮对逆时针偏转通过右曲线时，轮重减载率相对更小，一位轮对逆时针偏转、二位轮对顺时针偏转通过右曲线时，轮轴横向力相对更小。