铁路快捷货车转向架关键技术研究

段仕会，徐世锋，李立东，孔维刚，李智泽，穆凤军，邵文东

(中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

为适应我国发展铁路快捷货物运输需要，做好铁路快捷货车及关键技术储备，2000—2014年，中车齐齐哈尔车辆有限公司先后4次在中国国家铁路集团有限公司(原铁道部)立项、1次在国家科技部立项开展了我国铁路快捷货车及其转向架关键技术研究工作[1]。2017年，中车齐齐哈尔车辆有限公司牵头，依托2017年国家重点研发计划重点专项“轨道交通货运快速化关键技术研究”，针对快捷货车转向架，从转向架技术路线、技术方案，标准体系、动力学、新型材料、工程化研究、自发电技术、安全监测技术、检修运维技术等方面开展了技术研究，并取得了良好的效果。

1 技术路线

依据我国国情和路情，面向高铁线路、准高速线路和既有提速线路，运用列车和运输需求，借鉴我国客车、高铁转向架成熟技术，立足自主创新，“产、学、研、用”相结合，系统研究国内外典型高速转向架技术发展、关键技术、关键结构以及系统集成，定位快捷货车转向架技术路线为：

(1) 采用焊接构架式转向架。该转向架结构整体性好，绿色环保，通过合理配置两系悬挂系统可满足铁路快捷货车长期高速稳定、安全运行要求。

(2) 一系悬挂系统优先采用弹性转臂定位；二系悬挂系统在货车时速160 km时优先采用橡胶弹簧，时速200 km以上时优先采用空气弹簧等高性能二系结构。两系悬挂系统结构简单，技术成熟，通过合理匹配悬挂参数可满足铁路快捷货车动力学性能和运用维护要求。

(3) 采用技术成熟的垂向、横向液压减振器。该减振器性能稳定，可提供合理阻尼参数，实现减振装置无磨耗。

(4) 转向架与车体的连接形式可分为心盘连接和无心盘连接：心盘连接采用传统的货车心盘和旁承连接，满足铁路快捷货车时速160 km的运用要求，且组装、维护、检修方便；无心盘连接采用牵引拉杆、抗蛇行减振器连接，满足铁路快捷货车时速160～200 km及以上的运用要求。

基于快捷货车转向架技术路线，我国已完成220 km/h、160 km/h快捷货车转向架等系列产品的研制，如图1所示。

2 标准体系研究与应用

2.1 车轮、车轴和轴承的材料、设计及试验标准

我国车轮、车轴和轴承的材料、设计、试验标准与欧洲、美国、日本及国际相关标准基本相当，个别标准的要求更严格、更全面、更具有操作性。

2.1.1 材料标准

采用TB/T 1013—2011《碳素钢铸钢车轮》、TB/T 2235—2016《铁道车辆滚动轴承》、TB/T 2817—2018《铁路货车用辗钢车轮》、TB/T 2945—1999《铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件》、Q/CR 592—2017《铁路货车轴承用渗碳轴承钢》、Q/CR 593—2017《铁路货车轴承用高碳铬轴承钢》。

2.1.2 设计标准

采用GB/T 4662—2012《滚动轴承 额定静载荷》、GB/T 6391—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》、GB/T 37454—2019《铁路车辆非动力车轴设计方法》、TB/T 3463—2016《铁道车辆车轮强度评定方法》。

2.1.3 试验标准

采用TB/T 3017.1—2016《机车车辆轴承台架试验方法 第1部分：轴箱滚动轴承》、TJ/CL 275A—2016《动车组车轮暂行技术条件》、TJ/CL 446—2016《铁路货车LZ45CrV钢车轴暂行技术条件》、TJ/CL 447—2016《铁路货车用CL65、CL70辗钢整体车轮暂行技术条件》、TJ/CL 519—2016《动车组用D2辗钢整体车轮暂行技术条件》、TJ/CL 520—2016《动车组用DZ2车轴暂行技术条件》、TJ/CL 521—2016《动车组轮对组成用(DZ2车轴)暂行技术条件》，这些标准均能满足160 km/h快捷货车运用要求。

目前，按照上述车轮、车轴和轴承的材料、设计及试验标准，我国完成了铁路快捷货车技术方案设计、仿真计算及校核、样件试制、试验等各项工作，并验证了系列标准的适应性[2]。

2.2 构架、摇枕及转臂考核标准及试验方法

对比分析TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及鉴定规范》、TB/T 3549.1—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 转向架 第1部分：转向架构架》、UIC系列规程、EN 13749：2011《铁路设备 轮对和转向架 规定转向架构架结构要求的方法》、JIS等标准，吸取我国高铁转向架的研发和试验经验，结合货车转向架结构特点，快捷货车转向架构架、摇枕、转臂等关键结构件的静强度及疲劳性能的考核标准宜采用TB/T 3549.1—2019，试验条件、试验方法和评定方法等可借鉴高铁转向架相关标准。对于采用构架、转臂结构的铁路快捷货车转向架，可将构架、转臂组装后共同进行考核；对于采用构架、摇枕、转臂结构的铁路快捷货车转向架，可将构架、摇枕、转臂组装后共同进行考核。

目前，按照上述试验标准、工况及评定方法，我国完成了160 km/h快捷货车转向架的构架、摇枕及转臂的相关试验[3]。

2.3 橡胶元件、钢弹簧相关标准

中车齐齐哈尔车辆有限公司通过对转向架一系、二系悬挂系统等的橡胶元件技术研究，结合我国铁路货车核心橡胶元件技术管理现状及高铁转向架核心部件技术要求，形成了系列橡胶元件的工程图纸和专用技术条件，满足我国快捷货车转向架技术参数、安全性和可靠性要求，满足批量生产和装车要求[4]。

钢弹簧满足Q/CR 660—2018《铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧》要求，采用60Si2CrVAT弹簧钢，垂向疲劳寿命不低于3×106次。试验方法按TB/T 2211—2010《机车车辆悬挂装置钢制螺旋弹簧》的规定执行，试验结果满足TB/T 2211—2010要求[5]；牵引装置结构件试验参考TB/T 3549.1—2019要求执行，试验结果显示，超常载荷工况应力小于材料许用应力，运行载荷工况应力的峰值和谷值均在疲劳极限范围之内[6]。

2.4 动力学试验方法

对比GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和UIC 518—2009《铁路车辆的试验与验收依据 动力学性能 安全性、轨道疲劳、运行性能》规定，结合我国实际试验条件和2004年完成的160 km/h货车动力学试验结果，参考《200 km/h电动车组动力学性能试验鉴定方法和评定标准》要求，系统研究了适合于160 km/h铁路快捷货车的线路动力学试验方法。研究结果表明，GB/T 5559—1985规定的试验方法基本满足160 km/h快捷货车的动力学性能试验要求。通过分析研究，认为GB/T 5599—2019适用于160 km/h铁路快捷货车的线路动力学试验。

为使试验方法更加科学合理，建议调整轮重减载率指标：当试验速度≤160 km/h时限度值调整为0.65，当试验速度>160 km/h时限度值调整为0.8；建议转向架失稳评价采用构架横向加速度指标和车体横向运行平稳性指标：构架横向加速度峰值连续6次以上达到或超过8 m/s2，车体横向运行平稳性指标大于4.0，两者之一达到限值即认为转向架失稳；对于其他评价指标、试验条件、测点布置、数据处理方法，建议参考UIC 518标准[7]。

2.5 构架载荷谱及疲劳可靠性评价技术体系

针对我国快捷货车车体及转向架可靠性设计及可靠性评价，开展了快捷货车车体及转向架构架的损伤一致性载荷谱以及疲劳可靠性评价技术体系研究。利用测力构架和相应的测力元件实测快捷货车车体及转向架构架载荷及关键部位动应力，结合构架关键部位的载荷-应力传递关系进行载荷谱的损伤一致性校准和疲劳可靠性评价[8]。

2.6 焊接结构焊缝疲劳寿命预测方法

焊接结构焊缝疲劳寿命预测采用美国2007年颁布的ASME标准中的主S-N曲线法。提取有限元分析结果的节点力，运用解析法计算焊缝处的结构应力分布，获得对有限元网格尺寸不敏感的结构应力；将对结构应力进行修正获得的等效结构应力作为主S-N曲线参量，实现了以一条主S-N曲线的模型来预测焊缝疲劳强度的目标。该方法可有效解决名义应力法的2个技术难题：一是焊接接头分类难以把握；二是有限元法计算应力时，难以可靠地获得焊缝上的应力集中。

利用上述方法完成了HZ160C3型转向架构架的焊缝疲劳评估，共评估了50条关键焊缝，得到了焊缝的应力集中部位及多工况的累计损伤值，为后续构架结构优化、编制产品技术要求提供了有效的技术依据[9]。

3 动力学仿真及滚动、振动试验研究

3.1 线路适应性仿真

基于西南交通大学提出的车辆-轨道耦合动力学理论进行线路适应性仿真分析。将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用、相互耦合的大系统，分析了车辆道岔、钢轨焊缝不平顺、车轮扁疤不平顺、车轮擦伤不平顺、车轮周期性不圆和不平顺、随机不平顺等激扰的动力响应，分析结果表明，装用快捷货车转向架的铁路货车以160 km/h的速度运行时，轮轨各项动态安全性能指标均满足行车要求[10]。

3.2 线路动力学仿真

依据GB/T 5599—1985要求对转向架配装全侧开快捷棚车、塞拉门快捷棚车、4×20 ft集装箱快捷平车的不同方案进行动力学仿真研究，结果显示：配装于棚车且运行速度大于300 km/h时、配装于平车且运行速度大于230 km/h时，车辆蛇行运动临界速度满足时速160 km的运行要求，且安全裕量较大；在160 km/h速度范围内，车辆的横向平稳性指标、垂向平稳性指标均小于3.5，达到优级；车体最大横向加速度小于0.5g，最大垂向加速度小于0.7g，满足GB/T 5599—1985要求；轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均满足GB/T 5599—1985要求，且有一定的安全裕量。

3.3 车辆滚动、振动试验

针对基于一系转臂技术平台研制的铁路快捷货车转向架，进行了220 km/h快捷货车转向架配装于集装箱平车的滚动、振动试验，试验速度达到300 km/h，试验结果表明，各项性能指标达到优级；还进行了160 km/h快捷货车转向架配装于棚车的滚动试验，试验结果显示，最高试验速度达到280 km/h时车辆未失稳。图2为220 km/h快捷货车转向架滚动、振动试验和160 km/h快捷货车转向架滚动试验。

图2 快捷货车转向架滚动、振动试验

4 新型材料研究

目前快捷货车转向架钢板材料为Q355NE钢，该材料低温冲击性能和塑韧性指标均较好，可保证转向架安全性和可靠性。因我国地域广，车辆运用环境变化较大，为进一步提高转向架材料对温度、湿度、大陆性、海洋性等气候的适应性，研制了强度水平适中、冲击性能和耐腐蚀性能较好的K-355NH耐候钢[11]。

4.1 新型耐候钢的成分优化设计

通过对25种钢材进行成分设计、试验室制备及试验，系统分析了C、Si、Nb、S、Cr、CU、P等元素及含量对钢材显微组织、拉伸性能、冲击性能、弯曲性能、腐蚀失重、腐蚀锈层形貌、腐蚀锈层物相的影响规律，探讨了化学成分-微观组织-力学性能-耐腐蚀性能之间的关系，最终确定新型低合金高强度的K-355NH耐候钢的成分及范围，如表1所示。与进口钢相比，试验室制备的钢板的低温冲击韧性有了一定程度的提高，同时在-40 ℃条件下的冲击功仍能满足欧洲标准中“-20 ℃环境下大于27 J”的要求。

表1 K-355NH耐候钢的成分范围 %

4.2 大气环境因素对耐候钢腐蚀性能影响及评价体系的建立

4.2.1 新型耐候钢耐腐蚀性能试验

耐腐蚀性能试验对比分析了K-355NH耐候钢和Q345E(Q235替代)耐候钢的耐腐蚀性能，大气暴露腐蚀试验选择在大连、北京、武汉、福建4种典型环境下进行，试验时间(暴露时间)分别设置为1个月、3个月、6个月和12个月，不同区域的样品在不同时间段内腐蚀速率的变化见表2。

表2 不同区域的样品在不同时间段内腐蚀速率 g·(m2·h)-1

试验结果显示，K-355NH耐候钢腐蚀速率随着试验时间的增长而逐渐下降，最后都稳定在0.02～0.04 g/(m2·h)范围之内，是Q235耐候钢腐蚀速率的13%～33%，这是由于K-355NH耐候钢长期暴露在空气中，其表面生成的锈层可有效保护基体，显著降低腐蚀速率。

4.2.2 耐候钢腐蚀性能评价体系

结合试验室加速试验和大气暴露腐蚀试验的试验结果，初步建立了快捷货车转向架构架用耐候钢腐蚀性能评价体系，具体评价程序见图3。

图3 耐候钢腐蚀性能评价体系

基于上述研究成果，初步制订适合我国快捷货车转向架用耐候钢板的采购技术条件，可在国内的鞍钢、宝武钢等钢铁企业进行工业规模的生产，其成本与Q355NE耐候钢板相差不大，但其低温冲击性能、塑韧性、可焊性以及耐候性方面均有明显的提高，具有潜在的推广价值。

5 工程化研究

(1) 工艺装备。为满足铁路快捷货车转向架批量生产要求，中车齐齐哈尔车辆有限公司配备了激光切割机和水切割机等设备；焊接专区集中配置12台套焊接机械手系统等装备，建成了构架、摇枕等大部件自动化焊接生产线；配置数控龙门加工中心、数控龙门铣床等大型设备及其配套的加工随形夹具，可实现构架、摇枕、转臂体的整体加工，并能保证加工精度；配置热处理窑对构架、摇枕进行回火处理；配置预处理线、转台式抛丸机对板材件、结构件进行表面处理，同时配置专用设备对其内腔进行防腐处理；配置三坐标划线检测仪对构架进行检测，一次装夹便可完成构架组成的检测工作，减少人为因素对划线加工及检测精度的影响。

(2) 制造技术。为保证制造及组装质量符合设计要求，对构架、轮轴、橡胶元件、弹簧等关键零部件制造技术及转向架组装技术进行研究。提出了构架焊接、尺寸控制、加工基准、检查基准等的质量要求；建议车轮材质采用CL65或CL70钢，车轴材质采用LZ45CrV钢，同时提出了控制同一轮对车轮直径差、动态不平衡值的技术要求；提出了橡胶元件刚度制造公差及关键部位橡胶元件的选配装用原则；提出了弹簧主要尺寸的控制要求；提出了控制两侧固定轴距之差及对角线差、一系钢弹簧高度差、二系弹簧高度差，同一轮对轮重差等转向架组装要求。

6 自发电及转向架安全监测技术研究

6.1 轴端发电装置

为满足快捷货车安全监测及制动系统用电需求[12]，结合铁路快捷货车转向架的结构形式，研制了轴端发电装置，并完成了轴端发电装置的试制、安装及各项试验，试验结果满足相关标准的要求，可实现不同速度级下DC 24 V、200 V的供电能力，达到了设计目标。图4为轴端发电装置试装现场及功能运转试验结果。

图4 轴端发电装置试装现场及功能运转试验结果

6.2 转向架安全监测技术

目前铁路货车转向架安全监测主要采用地面5T系统以及人工列检方式，满足120 km/h及以下速度级铁路货车运用的安全要求。而铁路快捷货车转向架运用速度达到160 km/h，同时采用了减振器等设备，因此，为进一步保证其运用安全，对转向架安全监测技术进行了研究。

铁路快捷货车转向架安全监测系统主要包括轮轴监测模块和运行品质监测模块。轮轴监测模块：在转向架轴箱或转臂上设置温度、振动复合传感器，实时采集轴承温度及一系簧下振动谱，通过数据分析来判断轴承温度、车轮踏面擦伤等故障并预警；运行品质监测模块：在转向架构架上设置加速度传感器，实时监测构架加速度，通过数据分析来判断其关键部件失效引起的失稳或异常等故障并预警。

7 检修运维技术研究

鉴于160 km/h快捷货车的运行速度、编组辆数及车辆轴重与普通货运车辆存在明显的技术差别，但均与25T型旅客列车相近，为保证运输的时效性，快捷货物运输装备宜采用固定配属、固定编组、固定线路等班列组织方式和客车化管理模式，因此其检修周期建议参考采用25T型客车检修修程。

根据快捷货车结构，结合铁路货车运用、维护特点，提出了铁路快捷货车转向架运用、维护技术要求。采取转臂底部开孔等技术措施，充分适应现有5T技术应用要求；采取防松、防脱等技术措施，实现车辆始发及到达时不进行入库检查的目标；采用智能监测技术，实时监测、预报轮轴系统故障、转向架运行情况，保障车辆运行安全、可靠。

8 结束语

通过对铁路快捷货车转向架技术路线、标准体系、动力学、新型材料、工程化能力建设、自发电及转向架安全监测技术、检修运维技术等的研究，全面掌握了满足轨道交通货运快速化需求的转向架关键技术，形成自主创新、自主知识产权的铁路快捷货车转向架系列产品，建立了适应我国国情的技术和标准体系以及试验和制造平台，为我国发展快捷铁路运输，建立便捷、安全、经济、高效的现代物流体系，奠定了坚实的技术基础。