重载铁路货车副构架式径向转向架轮轨动力作用研究

罗汉江 李志强 吴畅 尹买云 李冬 张显锋

摘要：本文简述了评价铁路货车轮轨动力作用的主要指标，研究了配装转K7型、DZ3型转向架时车辆轮轨动低动力作用情况。其次，阐述了配装DZ3型转向架车辆线路动力学试验的部分轮轨动力作用试验结果。结果表明，H.H.Jenkins简化模型、车辆-轨道耦合动力学模型計算结果相近;车辆各轮轨低动力作用指标均与车辆运行速度呈近线性、正比例关系;与25t轴重转向架相比，在重载铁路运输中DZ3型转向架具有十分突出的优势。

关键词：重载铁路货车;副构架式径向转向架;轮轨动力作用;25t轴重转向架;DZ3型转向架

中图分类号：U270.3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0001-04

0  引言

重载与高速是铁路运输永恒不变的发展主题。2005年，在巴西举行的国际重载协会（International Heavy Haul Association，简称IHHA）的年会上对货物列车重载运输的概念重新进行了定义：①重载货车牵引吨位大于或等于8000t;②轴重大于或等于27t;③在长度大于或等于150km的铁路区段上运行，每年货运量大于或等于4000万t。满足上述任意两项，即可称为重载运输。

截至目前，我国已有多条重载运输线路，如大秦铁路、瓦日铁路、浩吉铁路等，其中大秦铁路和瓦日铁路则具有较为特殊的意义。大秦铁路是我国第一条双线电气化重载单元列车运输专线，全长653km，重载列车牵引重量至少可达2万t，2018年年货运量突破4.51亿t，其主要运用车辆为80t级专用敞车（配装25t轴重转向架）;瓦日铁路则是我国第一条按照30t轴重标准建设的重载铁路，全长1260km，重载列车牵引重量可达1万t，年货运量可达2亿t，主要运用车辆为80t级通用敞车（配装27t轴重转向架）。重载运输中的铁路货车所采用的转向架均具有低动力、低磨耗、低阻力等特点，而副构架式径向转向架是其中的典型代表之一。

国外研究表明，采用径向转向架可以有效降低轮轨动作用力，延缓重载运输中轮轨损伤和磨耗，延长轮轨的使用寿命。其中，可使轮轨横向力降低10～30%，轮轨垂向力降低约3～5%[1];使轮对冲角降低60～80%，增加车轮寿命500%，增加钢轨寿命25倍，减少车辆维修70%;曲线通过阻力仅为传统三大件转向架的30～50%，能耗可降低5%[2]。为进一步分析径向转向架在重载运输中的突出特点，本文就国内批量运用的25t轴重转K7型转向架、27t轴重DZ3型转向架（简称“转K7型转向架、DZ3型转向架”）时在低动力作用等方面进行了研究。

1  轮轨动力作用指标

考察铁路货车轮轨动力作用的指标有轮轨垂向高频作用力P1（简称“P1力”）和中低频作用力P2（简称“P2力”）、轮轨横向力Q、车辆蛇行稳定性（即蛇行运行临界速度Vcr）、轮轨冲角Ψ、脱轨系数Q/P（P为垂向作用力）、轮重减载率ΔP/P、轮轨磨耗功率Wt和轮轨磨耗指数Wi等。结合轮轨磨耗的不同部位、轮轨力实际作用位置、效果等因素，上述指标可反映不同的磨耗状态，有必要对其进行进一步论述。

1.1 P1力、P2力

轮轨间的相互作用力包括轮轨间静态作用力和动态作用力。研究表明，P1力和P2力是评价轮轨垂向动作用力的重要指标，对轨道设施损坏起重要作用，如图1所示。

P1力是机车车辆簧下零部件与钢轨间所产生的高频振动而引起的冲击力，具有频率高、衰减快的特点，一般频率大于500Hz，其来不及向簧上及轨下传递，而直接作用于车轮和钢轨本体上，是导致车轮扁疤、轨道破损、联接螺栓孔裂纹及鱼尾板折断的主要原因。P2力是整个机车车辆系统与轨道系统受脉冲激励而出现的中低频响应力，一般频率在30～100Hz范围内，相比P1力，其频率较低，能够充分向轨道下部传递，对轨道表面状态及轨下结构起主要破坏作用。

1.2 轮轨横向力Q、垂向作用力P

车辆在有随机不平顺的线路上运行时，轮轨横向作用力Q、轮轨垂向作用力P直接作用在车轮和钢轨之间，是引起钢轨变形、侧翻、横移、下沉和轮轨磨耗的主要因素。

1.3 轮轨冲角Ψ

轮轨冲角Ψ的大小，既反映车轮爬轨的可能性，又反映轮轨之间的磨耗（特别是车轮轮缘和钢轨侧面磨耗）倾向，也是反映轮轨相互作用的主要指标。

1.4 轮轨磨耗功率Wt、磨耗指数Wi

轮轨间的磨耗功率Wt为轮轨间的蠕滑力与蠕滑率之间的乘积，其单位为kN·m/m，它反映出车轮踏面和钢轨顶面的磨耗程度，磨耗功率越大，表明车轮踏面和钢轨顶面的磨损越严重。

轮轨间的磨耗指数Wi为轮轨间的横向力Q与轮轨冲角Ψ的乘积，其单位为kN·rad，它反映出车轮轮缘和钢轨侧面的磨耗程度，磨耗指数越大，表明车轮轮缘和钢轨侧面的磨损越严重。

2  仿真模型

为研究铁路货车轮轨动力作用情况，常用H.H.Jenkins简化计算模型、车辆-轨道耦合动力学模型、轨道低接头模型及车辆横向-垂向耦合动力学模型。同时，在进行P1力、P2力计算时，采用H.H.Jenkins简化计算模型、车辆-轨道耦合动力学模型两种模型，以比较两种结果的差异性。而后的指标则以车辆-轨道耦合动力学模型进行计算。采用轨道为60kg/m轨头。

根据C80BF（配装K7型转向架，简称C80BF）、C80EF（配装DZ3型转向架，简称C80EF）车辆本身的典型结构特点，在建立车辆系统动力学模型时，忽略次要因素，并进行了如下假定：①轮对、U形副构架、侧架、摇枕、车体及钢轨视为刚体;②忽略连挂车辆间的相互作用力，仅考虑单辆车的匀速运行工况。

在车辆动力学建模过程中，针对各刚体、力元、连接元的位置及自身的各向自由度均按照实际车辆状态进行设置。80t级敞车在横向、垂向系统共有55个独立的自由度。计算中车辆的自由度如表1。

根据C80BF、C80EF的车辆结构特点，在对应车辆动力学模型中增加如下非线性因素：①轮轨接触：在动力学模型中，车轮踏面采用TB 449 《机车车辆车轮轮缘踏面外形》中的LM型车轮踏面，钢轨型面采用GB 2585 《铁路用热轧钢轨》中的75kg/m钢轨。②轮轨蠕滑：在研究中先按Kalker小蠕滑线性理论确定蠕滑力，然后采用试探法将所得的蠕滑力修正为满足要求的非线性值。③车辆悬挂系统：车辆悬挂装置在工作状态时，在垂向方向具有两级刚度特性。在动力学模型中，采用该悬挂装置的两级刚度悬挂特性曲线。

摩擦减振器摩擦力的大小与减振弹簧挠度有关，其方向随侧架、摇枕的相对运动速度方向的变化而变化。

在摇枕和车体之间存在回转摩擦力矩（旁承摩擦力矩、心盘摩擦力矩），其大小、方向车辆空、重状态及车体摇头运动有关。

3  仿真结果

3.1 P1力和P2力

3.1.1 H.H.Jenkins简化模型

DZ3型转向架、转K7型转向架重车工况在60～132km·h-1速度范围内，P1力、P2力的计算结果如图2、图3。

由图2、图3易知，在该模型下，P1力、P2力均与速度V近似呈线性、正比例关系;当车辆运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的P1力比转K7型转向架的P1力增加5.75%;当车辆运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的P2力比转K7型转向架的P2力增加5.12%。

3.1.2 車辆-轨道耦合动力学模型

基于车辆-轨道耦合动力学模型，DZ3型转向架、转K7型转向架重车工况在60～132km·h-1速度范围内，P1力、P2力的计算结果如图4、图5。

由图4、图5易得，在该模型下，P1力、P2力均与速度V近似呈正比例关系;其次，当车辆运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的P1力比转K7型转向架的P1力增加5.72%;当车辆运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的P2力比转K7型转向架的P2力增加6.53%。

另外，对比H.H.Jenkins简化模型和车辆-轨道耦合动力学模型计算结果后发现，两种模型下，其结果误差极小，即当车辆运行速度为120km·h-1时，P1力的误差值为0.03%;当车辆运行速度为120km·h-1时，P2力的误差值为-1.41%。这也说明两种模型可进行相互验证。如下其余指标将仅按照车辆-轨道耦合动力学模型计算。

3.2 轮轨横向力Q、垂向力P

在直线工况、美国Ⅴ级线路谱激扰下，基于车辆横向—垂向耦合动力学模型，DZ3型转向架、转K7型转向架重车工况在60～132km·h-1速度范围内，轮轨横向力Q、垂向力P的计算结果如图6、图7。

由图6、图7易知，车辆在直线线路运行时，轮轨横向力的大小与其运行速度近似呈正比关系。当运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的轮轨横向力Q比转K7型转向架的轮轨横向力Q增加5.11%。其次，当车辆运行速度为120km·h-1时，DZ3型转向架的轮轨垂向力P比转K7型转向架的轮轨垂向力P增加3.27%。

3.3 轮轨横向力Q、垂向力P、轮对冲角Ψ、磨耗功率Wt和磨耗指数Wi

基于车辆横向—垂向耦合动力学模型，DZ3型转向架、转K7型转向架重车工况通过下列曲线时：

①半径R=300m、600m、800m，外轨超高h=120mm、90mm、60mm，缓和曲线长度均为LS=75m，圆曲线长度均为LC=100m，最大欠超高均取70mm，运行速度V=69.5km·h-1、90.2km·h-1、93.9km·h-1;②以45km·h-1通过12号道岔组成的过渡线。

其第一轮对（导向轮对）的相应计算结果如表2～表6。

由表2～表6易知，DZ3型转向架的轮轨横向力Q比转K7型转向架约增加5.56～6.75%;轮轨垂向力P约增加2.13～3.11%;轮对冲角Ψ约增加2.35～8.85%;磨耗功率Wt约增加1.43～5.98%;磨耗指数Wi比约增加4.94～7.59%。

4  试验结果

2012年9月～2013年6月，铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站中国铁道科学研究院对配装DZ3型转向架的80t级车车进行了线路动力学试验。试验结果表明：在110km·h-1试验速度范围内，车辆具有良好的动力学性能，运行平稳性和安全性优于比较车C70型敞车（配装转K6型转向架）。车辆运行稳定性、运行平稳性均符合GB/T 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的要求。试验车辆及编组如图8、图9。

DZ3型转向架线路动力学试验轮轨动力作用的部分结果如图10。由此易知：①车辆以不同速度在直线上运行时，DZ3型转向架的空车轮轴横向力最大值和平均值较比较车C70型通用敞车分别降低约13.97～51.04%、39.39～55.10%;重车上述指标分别降低-13.26～22.42%、22.56～51.63%。直线运行时，DZ3型转向架降低轮轴横向力效果明显。②车辆以不同速度通过半径R350m～R1200m曲线及12号道岔时，DZ3型转向架的空车轮轴横向力最大值和平均值较23t轴重的比较车C70型通用敞车分别降低约7.52～57.48%、-8.22～54.33%;重车上述指标分别降低-23.74～41.23%、37.94～41.97%。除个别曲线工况外，DZ3型转向架曲线轮轴横向力比23t轴重的比较车C70型通用敞车还小。

5  结语

根据以上分析易得：①无论采用H.H.Jenkins简化模型，还是采用车辆-轨道耦合动力学模型，其计算结果均较为接近，其最大误差仅为-1.41%，可满足工程研究之用。②DZ3型转向架（使用轴重26.375t）的轴重增加5.5%、车轮直径加大75mm，轮轴重量增加17.2%，转向架轴距和所配装的80t级车辆的定距较长，故轮轨作用力有所增加;但从簧下重量增加幅度来讲，其仍具有较低的轮轨动力作用指标。③DZ3型转向架和转K7型转向架各低动力作用指标均与速度呈近线性、正比例关系。④和传统三大件转向架相比，DZ3型转向架轮轴横向力降低幅度明显、且具有使轮轨横向力均匀分配的特点，可有效降低轮轨偏磨、侧磨，延长其使用寿命。

参考文献：

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基金项目：四川省科技攻关计划;项目号：2019JDRC0030;项目名称：具有变摩擦功能的铁路货车控制型转向架性能研究。

作者简介：罗汉江（1983-），男，甘肃兰州人，学士，高级工程师，从事转向架设计工作。