基于低动力作用的高速铁路客货共运的货车选型研究

周义昌，王开云，吕凯凯，杨 敏，姚 力

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

基于低动力作用的高速铁路客货共运的货车选型研究

周义昌1，王开云1，吕凯凯1，杨 敏1，姚 力2

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

宽轨距；客货共运；货车选型；三大件式转向架；构架式转向架

某高速铁路项目是欧亚高速运输走廊的试点项目，有着宽轨距(1 520 mm)、超高速(400 km/h)和客货混运的特点。由于货车与客车的车辆结构动力性能存在较大差异，运营速差明显，所以对轨道结构的动力作用水平也不尽相同，这给设计时车辆的选型，尤其是货车选型带来了极大的技术挑战。

在客货共运线路上，选择合适的货车类型可以有效地降低轮轨动态相互作用，减小车辆对轨道结构的动力作用。针对客货混运和货车选型问题，国内外学者做了大量基础性的研究工作：王开云[1]研究了福厦铁路高低速客货混运时的动力学性能；王福[2]、雷晓燕等[3]分析了客货混运线路重载运输条件下的轨道结构振动情况；彭东辉[4]对客货混运线路CRTS I型无砟轨道动力学性能进行了评价，并提出了合适的轨道设计参数；王勇等[5]、黄孝亮[6]建立了传统三大件式转向架货车的动力学分析模型；Roy E Smith[7]比较了迫导向货车转向架与标准三大件转向架的动力学性能；程平[8]、王勇等[9]研究了构架式转向架货车的动力学性能和悬挂参数。然而，关于在客货共运高速铁路上货车与轨道低动力作用的研究并不多见。

为了使重载货车在高速铁路轨道上能安全、平稳地运行，本文将从货车和轨道整体大系统的角度、运用TTISIM[10]动力学仿真软件，研究三大件式货车和构架式货车在高速铁路CRTS III型无砟轨道上的轮轨动力学性能指标，并与高速动车组作用下的性能指标进行对比分析，为高速铁路客货共线的货车选型提供理论依据。

1 2种类型货车转向架

1.1 传统的三大件式转向架货车

传统货车采用三大件式转向架，典型结构如图1所示。转向架的构架是由左右两个独立的侧架与一个摇枕组成的三大件结构。每一侧架联系前后两个轮对一侧的轴箱，左右两个侧架之间在中央部位用一根横向放置的摇枕联系在一起。摇枕和侧架可有上下方向的相对移动，而前后、左右方向的相对位移则限制在间隙容许范围之内，一般移动量很小。悬挂系统采用一系中央悬挂，弹簧减振装置主要包括弹簧和摩擦楔块减振器[11]。

图1 三大件式转向架

1.2 新型快捷构架式转向架货车

新型快捷货车采用的是构架式转向架，图2给出了其中一种类型的转向架。其主要结构特点为：为减轻簧下质量，采用两系悬挂装置，轴箱悬挂由两侧弹簧和轴箱顶部螺旋钢弹簧组成，此为一系悬挂；中央悬挂装置采用橡胶堆弹簧，位于转向架侧梁中部和摇枕中间，此为二系悬挂；轴箱和构架之间安装了垂向液压减振器，与摩擦减振器相比无磨耗且性能稳定；采用常接触弹性旁承，提供一定的回转阻力矩以限制摇枕和车体之间的摇头运动，以提高车辆的运动稳定性。

图2 构架式转向架

图3 三大件式转向架货车-Ⅲ型板式无砟轨道耦合动力学模型端视图

图4 构架式转向架货车-Ⅲ型板式无砟轨道耦合动力学模型侧视图

模型中：均把钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，分别考虑左、右钢轨的垂向、横向及转动自由度；轨道板和混凝土底座垂向视为弹性基础上的弹性薄板，横向视为刚体运动，考虑其平动和转动自由度；轮轨之间的法向作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定，切向蠕滑力由蠕滑理论确定。

3 轮轨动力响应特征分析

为了对比分析不同货车对轨道的动力作用性能，设置了2种计算工况：1 000 m的直线轨道和半径10 000 m、超高150 mm、缓和曲线长度570 m、圆曲线长度600 m的曲线轨道，货车车辆的运行速度是160 km/h。随机不平顺激扰选用的是中国高速轨道标准谱。另外，为了更好地反映2种类型货车的轮轨动力作用，以轴重17 t、时速400 km的高速动车作用下的轮轨动力学性能指标为参照。

3.1 车辆与轨道动态作用评价指标限值

为了研究宽轨距客货共运条件下的车辆与轨道系统的动力学性能，选取了轮轨垂向力、轮轨横向力、钢轨垂向和横向动态位移、轨距动态扩大量5项指标作为车辆与轨道动态作用的评价指标。

根据我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB5599—85)[13]和《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2014)[14]，各评价指标的限值如表1所示。

表1 评价指标限值

3.2 轮轨动态作用力

以第1位轮对为例，图5和图6分别给出了高速动车、三大件式转向架货车和构架式转向架货车在直线和曲线工况下各轮轨动态作用力的最大值。

图5 直线工况下3种车型的轮轨力最大值

图6 曲线工况下3种车型的轮轨力最大值

从图5可知：直线工况下，3种车型与轨道间的轮轨垂向和横向力均满足安全性要求；三大件式转向架货车轮轨垂向力的最大值接近160 kN，远大于高速动车和构架式转向架货车的轮轨垂向力；高速动车和构架式转向架货车轮轨垂向力的最大值均在120 kN左右，轮轨横向力都不超过15 kN，相差不大。如图6所示：相比于直线工况，曲线工况下3种车型的轮轨动态作用力最大值均有不同程度的增加，其中，三大件式转向架货车轮轨垂向力的最大值超过了安全限值170 kN，不利于车辆的安全运行。

综合来看，无论是直线工况还是曲线工况，三大件式转向架货车的轮轨动态作用力最大值都明显大于其余2种车型；构架式转向架货车的轮轨垂向和横向力最大值与高速动车的比较接近。因此，选择构架式转向架货车与高速动车共线运行有利于车辆的安全运行。

3.3 钢轨振动位移

表2给出了3种车型通过直线轨道时钢轨的振动位移及轨距动态扩大量的最大值。由计算结果可知：三大件式转向架货车的轨距动态扩大量为2.47 mm，明显高于其余2种车型；与三大件式转向架货车相比，构架式转向架货车作用下的钢轨横向振动位移减少了1 mm左右，钢轨垂向振动位移下降了0.2 mm左右，轨距动态扩大量显著降低，满足轨道结构运用要求；而高速动车作用下的钢轨振动位移与构架式转向架货车作用下的钢轨振动位移相差不大。由此可知：在直线工况下，构架式转向架货车对轨道结构的动力作用明显小于三大件式转向架货车对轨道结构的动力作用，构架式转向架货车在直线轨道的性能明显要优于三大件式转向架货车。

表2 直线工况钢轨振动位移的最大值

曲线工况下钢轨振动位移的最大值由表3列出。与直线工况相比，3种车型作用下的钢轨横向振动位移最大值均有不同程度的增加；与高速动车相比，三大件式转向架货车作用下的钢轨横向振动位移增大了6倍之多，垂向振动位移增加了0.35 mm左右，轨距动态扩大量增大了9倍左右，无法满足高速铁路的线路要求；与直线工况的情况相似，三大件式转向架货车作用下的钢轨横向、垂向振动位移和轨距动态扩大量都明显大于构架式转向架货车作用下的钢轨动态位移指标。

从钢轨振动位移来看，三大件式转向架货车作用下的轨距动态扩大量指标偏大，不能满足线路要求；采用构架式转向架货车时，可减少对轨道结构的破坏作用。

表3 曲线工况钢轨振动位移的最大值 mm

4 结论

本文针对宽轨距客货共运高速线路上货车的选型问题，对比分析了高速动车、三大件式转向架货车和构架式转向架货车的轮轨动态相互作用特征。分析结果表明：无论是直线工况还是曲线工况，三大件式转向架货车作用下的轮轨力和钢轨振动位移均明显大于高速动车和构架式转向架货车，部分指标存在超限情况，不利于车辆的安全运行；构架式转向架货车与高速动车作用下的轮轨动态响应比较接近，且明显低于各自限值。因此，在客货共运高速铁路上，应选择构架式转向架货车为货运车辆运营模式。

[1] 王开云.福厦铁路高中速客车混跑与高低速客货混跑时的动力学性能研究[R].成都:西南交通大学列车与线路研究所,2003.

[2] 王福.客货混运线路重载运输条件下钢轨适应性分析及强化措施[J].中国铁路,2013(7):1-4.

[3] 雷晓燕,邓福清.客货混运铁路专线轨道振动分析[J].铁道工程学报,2007(3):16-20.

[4] 彭东辉.客货混运线路CRTS I型板式无砟轨道动力学性能评价及参数研究[D].兰州：兰州交通大学,2013.

[5] 王勇,曾京,吕可维.三大件转向架货车动力学建模与仿真[J].交通运输工程学报,2003(4):30-34.

[6] 黄孝亮.铁路货车转向架三大件结构优化研究[D].大连：大连交通大学,2013.

[7] ROY E S.Performance comparision of a steered freight car truck and a standard three-piece truck[C]//Proceeding 7thInternational Heavy Haul Conference.2001:31-36.

[8] 程平.构架式货车转向架动力学性能及悬挂参数的研究[J].铁道车辆,2003(6):4-8.

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[10] 王开云，翟婉明.车辆-轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证[J].中国铁道科学,2004(6):49-54.

[11] 严隽耄,傅茂海.车辆工程[M].3版.北京:中国铁道出版社,2015.

[12] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].4版.北京:科学出版社,2015.

[13] GB/T 5599—1985,铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范[S].

[14] TB 10621—2014,高速铁路设计规范[S].

(责任编辑林 芳)

ResearchontheSelectionofFreightVehiclesforMixedPassengerandFreightRailwaysBasedonLowDynamicInteractions

ZHOU Yichang1, WANG Kaiyun1, LYU Kaikai1, YANG Min1, YAO Li2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031, China)

To select the freight vehicle for high speed railways with wide gauge and passenger and freight traffic, the dynamic responses of the vehicle/track systems are investigated for the high speed vehicle, the freight vehicle with the three-piece bogie and the freight vehicle with the frame bogie. The wheel/rail forces and the displacements of the rail are focused on for the freight vehicles with the three-piece bogie and the frame bogie. The TTISIM simulation software is adopted, based on the theory of vehicle-track coupled dynamics. The result shows that the safety index of wheel/rail of the three-piece vehicle is obviously higher than that of the freight vehicle with the frame bogie, and the maximum of the vertical force has exceeded the limit. Furthermore, frame-bogie vehicle has less influence on the track compared with the three-piece bogie vehicle. Consequently, it is rational to choose the frame-bogie vehicle for railways with passenger and freight traffic.

wide gauge; passenger and freight traffic; selection of freight trains; three-piece bogie; frame-bogies

2017-07-26

四川省科技计划资助项目(2016GZ0333)；中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(2016G002-A)

周义昌(1993—)，男，河南济源人，硕士研究生，主要从事轮轨动力学研究，E-mail:18043197625@163.com； 通讯作者 王开云(1974—)，男，江西萍乡人，博士，研究员，博士生导师，主要从事机车车辆-轨道耦合动力学研究，E-mail: kywang@swjtu.edu.cn。

周义昌，王开云，吕凯凯，等.基于低动力作用的高速铁路客货共运的货车选型研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(10):66-70.

formatZHOU Yichang, WANG Kaiyun, LYU Kaikai, et al.Research on the Selection of Freight Vehicles for Mixed Passenger and Freight Railways Based on Low Dynamic Interactions[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):66-70.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.011

U211.5

A

1674-8425(2017)10-0066-05