货车转向架径向技术与关键结构FEM强度分析

贺文锦 龙庆文 熊律 揭薇

摘  要：为紧随新时代铁路运输快捷、重载货运趋势，该文面向针对货运低动力、低磨耗需求的径向转向架技术，主要分析径向转向架特点，梳理、总结径向技术主流类型，并选取货车转向架中代表性副构架式径向转向架进行研究。该文针对副构架式径向机构，解构其结构组成，运用有限元仿真分析方法对副构架静强度、疲劳强度进行研究。仿真结果显示，径向装置整体强度满足要求，局部区域应力需引起关注，可为后续径向转向架设计、制造与研究提供一定参考。

关键词：径向转向架；副构架；有限元；静强度；疲劳强度

中图分类号：U270.1+2      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）14-0013-06

Abstract： In order to follow the trend of fast and heavy-haul freight transportation in the new era， this paper mainly analyzes the characteristics of radial bogies， summarizes the mainstream types of radial technology， aiming at the radial bogie technology with low power and low wear demand. and select the representative sub-frame radial bogie in the freight car bogie to study. In this paper， aiming at the sub-frame radial mechanism， its structural composition is deconstructed， and the finite element simulation analysis method is used to study the static strength and fatigue strength of the sub-frame. The simulation results show that the overall strength of the radial device meets the requirements. Local stress needs attention， which can provide some reference for the design， manufacture and research of subsequent radial bogies.

Keywords： radial bogie; subframe; finite element; static strength; fatigue strength

“十三五”期间，中国社会物流总费用超过11万亿元，市场规模超越美国成为全球第一大物流国。“十四五”期间，我国将致力于从“物流大国”进阶为“物流强国”。2022年12月15日，国务院办公厅发布了我国现代物流领域第一份国家级五年规划《“十四五”现代物流发展规划》。其中，“铁路物流升级改造工程”属于11项重点物流及供应链工程之一。对于铁路货物运输，高速、重载是发展过程中始终追寻的两大目标，也是顺应我国社会发展需求的货运升级必由之路。

随着社会经济的蓬勃发展，我国货物运输需求发生了明显转变，相较于传统运载清单，近年来，货物形式呈现出百花齐放特点。其中代表性物流产品包括电子电器类、美妆护肤类、医药食品类等日用消费品，且其运载需求随着线上购物的繁荣发展而呈现出指数级增量。此类运输业务由于附加值高、时效性敏感，对铁路运输提出了持续性“快捷”要求。

铁路货物运输运量大、运输成本低、绿色环保，在我国经济持续稳定发展中起到了至关重要的作用。同时，在和公路、水路、管道等运载方式的竞争过程中，不断提升运输效率和质量是铁路货运发展的制胜法宝。发展重载运输是世界公认的提升铁路货物运输效率的有效方法之一。

铁路快捷货运、重载货运是解决线路运输效率不足问题的有效手段，但随着车辆速度的提高或轴重的增加，一方面能耗会进一步增加，另一方面轮轨间作用力也会显著提升，从而影响其动力学指标及轮轨磨耗程度。特别是通过曲线段时，若曲线半径小，会有显著的輪轨磨耗现象甚至加剧轮轨损伤。在这样的实际情况下，新时代货运转向架在提速、增重的同时提出了低损伤性、节能环保“绿色”性等关键要求。低动力、低磨耗以及低噪音将是未来铁路货运车辆发展的主要趋势。

采用径向转向架技术是实现上述需求的核心解决方案之一，装载径向转向架的货运车辆具有良好的曲线通过能力、低动作用力、低轮轨磨耗、低能耗、更长的使用寿命与更低的全周期运维成本。轨道车辆转向架由于传统的结构特点，2个同型车轮通过车轴相连组成轮对结构，在通过曲线时两车轴趋于平行位置，造成车轮与钢轨间摩擦加剧，动作用力增大。径向转向架是指曲线通过时，轮对绕轨道车辆坐标系Z轴产生转动，车轴朝向曲线中心呈径向位置的转向架。径向转向架的设计可减小轮轨之间作用力，改善轮缘与外轨内侧的磨耗，并可提高轮轨的黏着系数。研究表明，采用径向转向架可使轮轨横向力降低10%～30%，轮轨垂向力降低约3%～5%；轮对冲角减小60%～80%，车轮寿命增加500%，钢轨寿命增加25倍，轮轨维修减少70%；曲线通过阻力降至传统三大件转向架的30%～50%，能耗降低5%，小半径曲线上约可提高黏着系数20%。

1  径向技术分类

当前，径向转向架根据技术特点主要分为主动导向、迫导向和自导向3类。

1.1  主动导向

主动导向径向转向架是随着列车网络技术与计算机技术发展而顺应而生的径向转向架类型，通过主动产生适配曲线特点的外力从而使轮对处于径向位置。其中关键技术为根据线路状态判断、确定外力大小与传递方法。主动导向径向系统通过智能化线路状态探测装置确定线路情况，通过计算机系统与预置算法分析计算确定外力大小，通过控制系统与具体驱动单元输出与线路半径相适应的作动器行程，从而实现轮对径向状态。主动导向系统由于实时计算、执行，对任意半径曲线径向状态的实现均表现良好，但该系统整体结构复杂、部件类型多，制造与运用维护成本较高，同时由于实时算法与控制逻辑可靠性差异，实际线路表现仍有欠缺，有产生过导向现象的可能性。

1.2  迫导向

迫導向径向转向架是利用车体与转向架构架间的相对回转运动，通过例如连接车体与轴箱或副构架的杠杆系统等结构使轮对偏转，强迫轮对处于曲线径向位置的转向架类型。迫导向径向转向架对小半径曲线适应性良好，同时其实现轮对径向的机构相比主动导向径向系统有所简化，重量较轻，运维成本相应降低。但由于其需要实现车体与转向架之间的联动与传导，设置有例如杠杆等传动机构，整体结构仍具有一定复杂度，且迫导向结构对制造与组装精度要求较高。此外，迫导向机构基于车体与转向架间运动差异，在较大半径曲线段径向表现一般，且其机构配合精度可能会对轮对偏磨造成一定影响。

1.3  自导向

自导向径向转向架是通过直接在转向架上增设径向调节装置或采用差异化一系定位刚度设计，从而实现通过曲线时轮对自行趋向径向位置的转向架类型。自导向装置结构简单、成本低，是通过轮轨关系固有属性实现轮对径向、导向力来源为蠕滑力，因此不会出现过导向情况，但由于径向驱动来自于轮轨本身，因此径向能力受限，特别在小半径曲线上径向程度不足。

对于轨道货运车辆转向架，综合考虑货运线路特点、径向结构成本、径向能力需求三维度影响因素，自导向径向转向架能够良好满足要求。自导向径向转向架兼具曲线通过性能与直线运行稳定性，该转向架一方面能够一定程度实现过曲线径向状态（轮对“八”字排列），减小轮对冲角、轮轨作用力及轮轨磨耗（特别是针对快捷、重载货运车辆的轮缘侧面磨耗问题）；另一方面能够通过轮对径向装置（如副构架+拉杆形式）耦合轮对运动，增大轮对剪切刚度，从而提高蛇形失稳临界速度。因此，自导向径向转向架对于快捷货运与重载货运转向架均具有突出优点。径向货运转向架发展历程中，成熟的典型货运转向架多为自导向形式（如图1所示）。

2  自导向径向转向架关键结构分析

我国货车自导向径向转向架主要采用轴箱直连交叉杆径向机构模式与带有副构架结构的径向机构模式。其中前者交叉杆通过弹性橡胶节点与轴箱相连，结构较为简单。后者对既有三大件式（2个侧架+1个摇枕）货车转向架中适用程度高，在重载货运车辆中使用较为广泛，其具体结构与强度是影响径向机构功能的关键因素。

副构架式径向机构简图如图2所示，2对U形副构架分别与前、后轮对相连，将轮对左右端部相连，由于货车三大件转向架通常采用无轴箱形式，所以实际副构架连接端为轴承上方承载鞍处，此连接机构可以进一步消除承载鞍挡肩与轴承间间隙，保障径向能力。2副构架中间通过连接杆交叉相连，耦合前后轮对运动。通过曲线时，副构架径向机构并未约束转向架摇头自由度，斜交叉杆作用力使得前后轮对均向冲角大小减小的方向旋转，降低轮轨间动作用力。

图2  副构架式径向机构简图

常见的副构架式径向机构有以下3种类型（如图3所示）副构架位于摇枕两侧通常为铸造件，呈U形框架结构，根据承载鞍特点采用不同端部设计，设有铆钉孔、铆钉座、凸台和出砂孔等结构，整体具有较高强度。副构架和承载鞍之间可采用不同厚度的钢质垫板调整鞍面中心与副构架销孔间的纵向尺寸，保证轮对径向机构前后承载鞍间的距离与转向架固定轴距相匹配。两交叉杆斜置，于副构架U形臂底端中部相连，两端销孔内设有弹性橡胶节点。

3  轮对径向装置强度分析

转向架径向机构是实现径向功能的关键结构，其静强度、刚度与疲劳强度是保证转向架正常功能的关键指标，由于斜置交叉杆结构较为简单，且材料、结构工艺易于满足强度需求，在此选取径向机构中关键结构——副构架轮对径向装置进行基于有限元方法的强度分析。

3.1  有限元分析模型

轮对径向装置分析模型采用空间笛卡尔坐标系。结构实体模型如图4所示。径向装置整体为厚壁铸钢件，采用20节点高阶四面体单元Solid 95进行离散。结构共离散为859 766个节点，形成3-D实体单元548 142个，结构有限元模型如图5所示。

3.2材料力学性能

轮对径向装置采用B+级铸钢制造，该材料的力学性能见表1。

3.3轮对径向装置静强度分析

3.3.1计算标准

轮对径向装置的结构强度参考标准为企业标准《铁路货车U形副构架强度设计及试验鉴定规范》（以下简称《副构架规范》）的要求。

轮对径向装置每侧所承受的垂向静载荷根据式（1）计算

F=（G-T）g ，                      （1）

式中：G-车辆轴重；g-重力加速度；T-一条轮对重量。其结构静强度工况见表2。

3.3.2计算结果

在表2的各计算载荷作用下，轮对径向装置各部件的应力分布如图6至图11所示。图示分析结果表明，轮对径向装置各部件在各计算载荷下的最大应力均小于材料许用应力，结构静强度满足车辆运行要求。

3.4轮对径向装置疲劳强度分析

3.4.1 计算标准

根据《副构架规范》的要求，轮对径向装置在进行疲劳试验时承受的载荷主要是纵向推拉载荷和横向推拉载荷。对于轴重为25 t的转向架，纵向推拉载荷的范围为-22.5～+45 kN，循环次数为2.6×105次；横向推拉载荷的范围为±45 kN，循环次数为5×105次。

在上述疲劳载荷的作用下，轮对径向裝置结构呈现出明显的多轴应力特征，如果根据主应力范围的最大值进行评估，其结果将偏于危险。基于此，评估轮对径向装置的疲劳强度时采用德国机械工程学会FKM Guidelines：Analytical Strength Assessment （6th Edition）提供的方法，即将循环载荷作用下各主应力的幅值与根据S-N曲线确定的，相应循环次数下的许用应力幅值之比定义为材料利用度a，再根据式（2）由各主应力材料利用度a计算综合材料利用度a，当a≤1时认为结构疲劳强度合格。

3.4.2  计算结果

根据前述轮对径向装置疲劳强度评估方法，考察循环载荷下应力幅值超过110 MPa的区域，对其进行结构疲劳强度分析，结果见表3。

4  结束语

发展快捷货运与重载货运是提升轨道运输竞争力并提升经济效益的2条路径，然而高速、重载列车都伴随着轮轨动作用力增加、磨耗加剧、能耗上升等问题，在此基础上货车径向转向架技术应运而生。径向转向架根据技术特点主要分为主动导向、迫导向和自导向3类。对于轨道货运车辆转向架，综合考虑货运线路特点、径向结构成本、径向能力需求等影响因素，自导向径向转向架具有显著优势。我国大轴重货车多采用带有副构架结构的径向机构模式，其静强度与疲劳强度是保证转向架正常功能的关键指标。通过基于FEM的仿真分析显示，径向装置整体强度性能表现良好，副构架铆钉孔间出砂孔拐角处、臂部出砂孔拐角处、内铆钉孔下凸台边缘等区域的应力水平较高，可在后续设计、制造与研究过程中对这些部位予以关注。

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