一种快捷货车轻量化转向架及动力学性能研究

望博文，周张义，丁军君

一种快捷货车轻量化转向架及动力学性能研究

望博文，周张义，丁军君

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

为了适应快捷货运的发展和实现“双碳”目标，提出并完成了一种新型轻量化内轴箱转向架总体方案设计。该转向架在采用轴箱内置的基础上，一系结构采用简单的悬挂装置和扭转刚度极低的铰接构架相结合，二系悬挂采用组合橡胶弹簧形式。在满足运用要求的基础上使得转向架簧下质量和自重均得到显著降低，自重小于等于3.85 t。在此基础上利用多体动力学仿真软件SIMPACK对车辆悬挂参数进行优化，完成车辆动力学评估，动力学指标均满足要求。进一步针对该转向架特点，着重对不同构架扭转刚度对动力学性能的影响进行研究，验证该转向架使用铰接构架的必要性。相对于刚性构架，采用一系垂向刚度较大的悬挂装置结合铰接构架的转向架适应线路不平顺能力提高。

快捷货车；内轴箱转向架；轻量化；动力学性能评估；铰接构架

由国家铁路局发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》总体要求中的发展目标及任务提到：全面形成全国1/2/3天快货物流圈，研发时速160 km及以上快捷货运[1]。因此需要发展快捷货运列车，转向架是货运列车的核心部件，故研发一种快捷货车转向架有重要意义，同时为了适应“十四五”节能规划，需要对转向架的结构进行轻量化创新研究。

本文分析了国内外快捷货车转向架的发展状况，总结当前快捷货车转向架存在的不足，提出了适合当前发展规划的一种轴重18 t、时速160 km的轻量化内轴箱快捷货车转向架的结构方案，同时依据GB/T 5599－2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》[2]，对转向架关键参数进行优化设计，并完成动力学评估，针对转向架特点，对构架扭转刚度对动力学性能的影响进行研究，验证了本方案转向架使用铰接构架的必要性。

1 国内外快捷货车转向架发展现状及趋势分析

1.1 国内外快捷货车转向架发展现状

国外快捷货车转向架有法国国铁研发的Y37型货车转向架、德国Talbot公司研发的DRRS转向架（图1）和TVG货运动车组转向架等，国内如中车齐齐哈尔车辆有限公司（以下简称中车齐车公司）研发的160 km/h快捷货车转向架（图2），中车山东机车车辆有限公司、中车眉山车辆有限公司、中车长江车辆有限公司均研制了160 km/h快捷货车转向架[3]。国内正在线路使用的特快行邮专列XL25T型行李车，其最高运营速度能达到160 km/h[4]，该行李车采用传统客车转向架结构。

1.2 国内外快捷货车转向架发展趋势分析

目前只有采用客车模式的行李车是既有成熟产品，但其不利因素是载重低、不经济。新开发的转向架采用了整体焊接构架、新型橡胶弹簧、液压减振器等装置，可以实现大载重，验证了在快速铁路上开行160 km/h快捷货物列车技术的可行性。当前该类转向架主要不足之处是自重大，因此当前快捷货车转向架总体发展趋势是轻量化，目前受到高度关注的是采用内轴箱转向架结构。

图1 DRRS转向架[3]

图2 中车齐车公司160 km/h快捷货车转向架[3]

当前内轴箱转向架在国外已得到应用，包括用于客车及高速动车组车辆的B5000、TR400及Flexx Eco系列转向架，用于货车的LEILA转向架，用于城际动车组车辆的SF7000系列转向架[3]，用于地铁的美国波士顿转向架[5]。国内李博之等[6]也提出快捷货车内轴箱转向架方案，并对其进行相关研究。上述内轴箱转向架不只是简单将轴箱内置，同时在结构上普遍采用短轴距、小轮径、轻量化承载结构技术来进一步降低簧下质量和转向架质量。

2 转向架结构

2.1 转向架实现轻量化的设计原则

（1）采用内轴箱结构，使得主要承载部件（轮对、构架）的横向尺寸减小；

（2）使用短轴距，减少转向架纵向尺寸，改善构架纵向梁的受力，进一步减轻构架质量；

（3）采用结构简单、可靠、轻量化的一系悬挂系统和二系悬挂系统；

（4）为满足极限工况下货车空重车钩高差不超过70 mm的限制，转向架采用一系悬挂垂向刚度较硬、二系悬挂刚度较软的结构特点；

（5）由于一系悬挂装置垂向刚度较硬，本方案转向架构架应不采用传统刚性构架，必须采用扭转刚度较小或为零的铰接构架。

2.2 总体方案

本方案三维结构图如图3所示，具体为：

（1）采用小直径、实心车轴，加装双轴盘的直辐板车轮及分体式内置轴箱体组成的轻量化轮对；

（2）一系悬挂装置采用垂向刚度较大的八字形橡胶堆，位于轴箱上方；

（3）构架采用H形焊接、扭转刚度为零的铰接构架，构架由左右T形梁组成，左右T形梁可以绕轴做自由点头运动，构架上焊有与一系悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装置及牵引装置相连接的各种安装座，铰接构架具体结构如文献[7]所示；

（4）新型二系悬挂采用四组叠层橡胶弹簧和锥形橡胶弹簧串联的形式，布置抗蛇行减振器、二系横向减振器、二系垂向减振器及二系横向止挡装置，具体结构如文献[8]所示；

（5）基础制动装置采用四组单元轴盘制动装置；

（6）牵引装置采用单拉杆牵引，其位于转向架中部左右两组串联弹簧之间。

该转向架技术参数如表1所示。

图3 160 km/h快捷货车内轴箱转向架

表1 转向架技术参数

针对轻量化转向架结构方案，按照CEN/TS 13103-2:2020 Railway applications - Wheelsets and bogies - Part 2: Design method for axles with internal journals[10]对关键受力部件车轴进行了强度校核，车轴疲劳强度满足相关要求。

通过研究我国既有铁路快运货物班列情况及市场需求，提出采用“160 km/h棚车＋”集装化运输模式[9]，因此该快捷货车转向架搭载棚车车体，车体自重25.3 t，载重39 t。

3 主要悬挂参数优化及车辆动力学性能评估

3.1 主要悬挂参数优化

采用SIMPACK建立配装该转向架的棚车车辆整车动力学模型，在此基础上重点优化了空重车一、二系悬挂刚度，如表2所示。

表2 主要悬挂参数优化值

3.2 车辆动力学性能评估

按照GB/T 5599－2019对参数优化后车辆的动力学性能进行评估。

直线工况下，评估蛇行稳定性、运行平稳性及运行品质，结果如表3所示。由评估结果可知：①车辆在轮对踏面等效锥度0.4工况下，空重车临界速度均大于200 km/h，满足快捷货车160 km/h的运营速度要求；②空重车的横向平稳性指标W、垂向平稳性指标W均小于3.50，达到货车平稳性指标的1级优秀标准；③空重车的横向运行品质a小于5.0 m/s2、垂向运行品质a小于3.0 m/s2，满足货车运行品质标准。

表3 车辆直线工况动力学性能评估结果

表4 不同曲线设置

表5 曲线运行稳定性评估结果

动力学仿真结果表明，配装该转向架的棚车车辆动力学性能满足GB/T 5599－2019要求。

4 铰接构架扭转刚度对车辆动力学性能影响研究

由于该转向架一系垂向刚度大，不能采用传统刚性构架，必须降低构架扭转刚度。为了明确构架扭转刚度对车辆动力学影响，对此提出验证研究。分别设定构架不同等级的扭转刚度（0 MN·m/rad、0.5 MN·m/rad、5 MN·m/rad、20 MN·m/rad、50 MN·m/rad及刚性构架）后进行动力学仿真，取0.5 MN·m/rad模拟实际结构中轴承摩擦可能带来的较小的扭转刚度。

4.1 直线工况对比

直线工况下，构架不同扭转刚度对空重车等效锥度0.15和0.40时临界速度的影响如图4所示，构架不同扭转刚度对空重车平稳性及运行品质评价的影响如图5所示，构架不同扭转刚度对空重车轮重减载率及轮轨垂向动作用力的影响如图6所示。

（1）轮对踏面相同等效锥度条件下，随着构架扭转刚度的增加，空重车车辆临界速度变化幅值均小于1%，随着构架扭转刚度的增加，车辆平稳性指标变化幅值均小于1%，空重车车辆运行品质指标a、a变化幅值均小于2%，说明构架扭转刚度对车辆稳定性、平稳性和运行品质影响基本没有影响；

图4 构架不同扭转刚度下空重车临界速度

（2）构架扭转刚度0MN·m/rad时，采用刚性构架的空、重车的轮重减载率分别相对增加74%、67%，轮轨垂向动作用力分别相对增加56%、45%，说明直线上较大的构架扭转刚度对车辆轮重减载率、轮轨垂向动作用力影响显著；相对刚性构架，采用扭转刚度0 MN·m/rad的铰接构架能够大幅度降低轮重减载率和轮轨垂向动作用力，减少轮轨磨耗及噪音；

（3）当构架扭转刚度为0.5 MN·m/rad时，空重车轮重减载率和轮轨垂向动作用力相对于扭转刚度为0时变化幅值小于1%，证明直线工况下，实际铰接构架结构中存在较小的扭转刚度，对轮重减载率和轮轨垂向动作用力几乎不产生影响。

图5 构架不同扭转刚度下空重车平稳性指标和运行品质

图6 160 km/h时构架不同扭转刚度下空重车轮重减载率及轮轨垂向动作用力

4.2 曲线工况对比

采用表4所示曲线设置，构架不同扭转刚度下空重车的曲线运行稳定性评估结果如图7所示。

（3）采用刚性构架，曲线半径400 m时空车轮轴横向力相对于扭转刚度0 MN·m/rad增加21.5%，曲线半径800 m时空车轮轴横向力相对于扭转刚度0 MN·m/rad增加14.7%，其他工况下相对于扭转刚度0 MN·m/rad，轮轴横向力变化均小于3%，脱轨系数增加均小于9%，说明构架扭转刚度对轮轴横向力和脱轨系数影响较小。

5 结论

（1）在采用新型内轴箱结构形式转向架的基础上，同时运用结构简单的一系悬挂装置、二系悬挂装置，可使得转向架自重小于3.85 t，实现结构轻量化。

（2）通过对转向架动力学参数优化，对该转向架装配的棚车车体进行车辆动力学评估，车辆直线稳定性、平稳性、运行品质、曲线通过性指标均符合GB/T 5599－2019。

（3）在车辆通过曲线时，采用刚性构架的空车轮重减载率将会超过标准规范值，这说明该转向架必须采用扭转刚度较小或扭转刚度为零的铰接构架。

（4）在直线上，相对于刚性构架，低扭转刚度构架能够显著降低空重车轮重减载率和轮轨垂向动作用力；在曲线上，相对于刚性构架，低扭转刚度构架能够显著降低空重车轮重减载率，因此采用一系垂向刚度较大的悬挂装置结合铰接构架的转向架结构形式能够提高转向架适应线路不平顺能力。

图7 构架不同扭转刚度下空重车曲线运行稳定性评估结果

[1]国铁集团. 新时代交通强国铁路先行规划纲要[J]. 铁路采购与物流，2020，15（8）：26-32.

[2]中华人民共和国国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会. 机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范：GB/T 5599－2019[S].

[3]劳良铖. 高速货车新型内轴箱转向架设计及动力学性能研究[D]. 成都：西南交通大学，2021.

[4]刁晓明，熊芯，苗晓雨. 铁路行李车装载技术条件试验方法研究[J]. 中国铁路，2021（7）：87-91.

[5]刘志远，张文康，高纯友，等. 美国波士顿地铁轴箱内置式转向架结构设计[J]. 城市轨道交通研究，2019，22（3）：162-165.

[6]李博之. 快捷货车内轴箱转向架总体方案设计及动力学性能研究[D]. 成都：西南交通大学，2020.

[7]周张义，劳良铖，刘书扬. 一种用于轨道车辆转向架的铰接构架[P]. 四川：CN214356033U，2021-10-08.

[8]周张义，望博文. 一种用于轨道车辆转向架的二系悬挂装置[P]. CN216833665U，2022-06-28.

[9]贺茂盛. 160km/h塞拉门棚车车体设计及结构优化[D]. 北京：北京交通大学，2021.

[10]CEN/TS 13103-2: 2020，The British Standards Institution, ComiteEuropeen de Normalisation. Railway applications-Wheelsets and bogies-Part 2: Design method for axles with internal journals[S].

[11]国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会. 标准轨距铁路限界第1部分机车车辆限界：GB 146.1-2020[S].

[12] 国家铁路局. 铁路线路设计规范：TB 10098－2017[S].

Research on A Lightweight Bogie of Express Freight Train And Its Dynamic Performance

WANG Bowen，ZHOU Zhangyi，DING Junjun

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In order to adapt to the development of express freight train and achieve the goal of “Double Carbon Policy”, a new type of lightweight inner axle box bogie overall scheme design is proposed and completed. Based on the inner axle box, a combination of a suspension with simple first structure and an articulated frame with extremely low torsional rigidity is adopted for the bogie. And a structure in the form of a combined rubber spring is adopted for the bogie’s secondary suspension. On the premise that the application requirement has been met, the unsprung weight and dead weight of the bogie are significantly reduced, and the dead weight is less than or equal to 3.85 t. Next, the multi-body dynamics simulation software SIMPACK is used to optimize the vehicle suspension parameters. According to the relevant industry standards, all the dynamic indicators meet the requirements. Further, according to the characteristics of the bogie, the research that attaches great importance to the influence of different frame torsional stiffness on the dynamic performance is carried out to verify the necessity of using the articulated frame for the bogie. Compared with the rigid frame, the bogie that adopts the first suspension with higher vertical rigidity combined with the articulated frame has an improved ability to adapt to line irregularities.

express freight train；inner axle box bogie；lightweight；dynamic performance assessment；articulated frame

U272.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.006

1006-0316 (2023) 07-0038-06

2022-08-11

国家自然科学基金——基于车辆－轨道耦合动力学理论的重载铁路曲线段轮轨磨耗机理及其控制措施研究（51965016）；四川省国际科技创新合作项目——面向东南亚米轨铁路的轮轨磨耗机理及控制策略研究（2022YFH0038）

望博文（1997－），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要研究方向为轨道车辆转向架设计和车辆动力学，E-mail：wangbowen@my.swjtu.edu.cn。