HZ160B 型快捷货车转向架计算载荷研究*

代鲁平，鹿中华，白从凯，于连玉

（中车山东机车车辆有限公司，山东济南 250022）

随着我国经济的快速发展，人们对铁路运输速度的需求日渐提高，多样化的铁路运输方式，如快捷运输、多式联运、集装化运输和专用特种运输等也应运而生。铁路货运的运输速度和稳定性依赖于转向架的性能，如何准确设计出高质量的高速转向架显得尤为重要，明确转向架的受力特点，解析转向架的载荷值和载荷分配方式更是重中之重。

中车山东公司研制了HZ160B 型的快捷货车转向架。以EN 13749 标准为基础，对HZ160B 型转向架的垂向疲劳载荷的分配情况进行了研究，并探讨了两种垂向疲劳载荷的计算方法［1］。

1 HZ160B 型转向架

1.1 结构简介

HZ160B 型快捷货车转向架主要由构架、轴箱转臂、轮对、一系悬挂系统、二系悬挂系统、牵引装置、制动系统等组成。一系采用轴箱转臂定位结构，安装有垂向钢弹簧、橡胶弹簧垫和液压减振器；二系采用橡胶弹簧，并安装有二系横向液压减振器、抗蛇行减振器、二系横向橡胶止挡。转向架结构如图1 所示。

1.2 技术参数

HZ160B 型快捷货车转向架在计算垂向载荷时用到的关键参数见表1～表3。

图1 HZ160B 型转向架结构图

表1 转向架技术参数

表2 橡胶弹簧垂向刚度

1.3 受力特点

与常规的货车转向架不同，HZ160B 型快捷货车转向架垂向载荷的承载方式是采用中间两橡胶弹簧主要承载，侧梁上两常接触旁承辅助承载。此种设计结构可有效兼顾直线和曲线通过性能。这种承载方式的难点在于计算垂向载荷在二系橡胶弹簧和常接触旁承之间的分配。

EN 13749 中给出了常用的机车和货车转向架的载荷计算方法，对于双橡胶弹簧双旁承的货车转向架形式，横向载荷、菱形载荷、扭转载荷和纵向冲击载荷均可借鉴标准中给出的计算公式，而对于垂向载荷的计算，目前国内外没有相关标准可直接引用。

表3 旁承垂向刚度

2 HZ160B 型转向架垂向疲劳载荷研究

EN 13749 标准对各类轨道车辆转向架的载荷工况及组合进行了说明，是目前常用的轨道车辆转向架标准。研究HZ160B 型转向架的垂向疲劳载荷主要参考EN 13749 标准，一方面对于双橡胶堆弹簧双旁承承载的货车转向架，其大部分的垂向载荷是双橡胶堆弹簧承载，类似于机车转向架左右两侧弹簧承载方式，计算时可参考机车转向架的载荷分配方式（见EN 13749 G.2）；另一方面HZ160B 型转向架双橡胶堆弹簧间距远小于机车弹簧间距，可以将两个橡胶堆等效为一个心盘，且采用货车常用的两个弹性旁承辅助承载，故另一种载荷分配方式参考货车单心盘和两个旁承的载荷分配计算方式（见EN 13749 G.3）。

转向架的垂向疲劳载荷分为3 阶段作用，载荷类型包括静态部分，准静态部分及动态部分。疲劳3 阶段对应的载荷组成见表4。

表4 疲劳3 阶段对应的载荷组成

2.1 参考机车转向架的载荷分配方式的载荷计算（EN 13749 标准附录G.2）

假设：将一个橡胶堆和同一侧旁承视为机车转向架一侧的弹簧，静态部分保持不变，动态部分按比例进行分配。机车双弹簧支撑方式的载荷分配情况如图2 所示。

图2 机车双弹簧支撑方式的载荷分配情况

关于侧滚系数和浮沉系数的选取，采用EN 13749 标准F3.3.2 中的货车转向架的系数，对于旁承间距为2 000 mm 的转向架，侧滚系数α=0.2×，垂向浮沉系数β=0.3。转向架橡胶堆和旁承载荷的静态部分、准静态部分和动态部分计算如下：

（1）静态部分

重车时，旁承载荷为15.5 kN，则单个橡胶堆上载荷为146.41-15.5=130.91（kN）。

（2）准静态部分

橡胶堆距离转向架纵向中心线300 mm，旁承距离转向架纵向中心线1 000 mm，认为车体是绕转向架纵向中心线发生侧滚，如图3 所示，当侧滚角度为θ时，橡胶堆的垂向位移hxjd≈300·θ，旁承的垂向位移hpc≈1000·θ，则橡胶堆垂向位移与旁承垂向位移之比约为1∶3。

假设在重车下，橡胶堆和旁承的垂向刚度在小变形范围之内是线性的，则旁承垂向刚度约为0.58 kN/mm，橡胶堆垂向刚度约为12.63 kN/mm。准静态和动态部分的载荷在旁承和橡胶堆上的分配比就可确认，约为0.1378∶1。由此可得橡胶堆和旁承的垂向载荷，整理后见表5。

图3 车体侧滚示意图

2.2 参考货车载荷分配方式的载荷计算（EN 13749 标 准 附 录G.3）

假设：将转向架中间两个橡胶堆的垂向总载荷等同于货车转向架的心盘载荷，按照侧滚时橡胶的压缩量和弹簧刚度来分配垂向载荷。货车单心盘和两个旁承支撑方式的载荷分配情况如图4所示。

图4 单心盘和两个旁承支撑方式的载荷分配情况

由EN 13749 标准中的F3.3.2 可知，对于旁承间距为2 000 mm 的转向架，可计算侧滚系数α=垂向浮沉系数β=0.3。转向架橡胶堆和旁承的载荷的静态部分、准静态部分和动态部分计算如下。

（1）橡胶堆静态部分

根据旁承弹簧与橡胶弹簧的初始高度、刚度曲线、载重以及结构尺寸计算，转向架在侧滚时倾角1.34°，此时一橡胶堆压缩量为4.546 mm，另一橡胶堆压缩量为18.325 mm，根据表2 中橡胶弹簧刚度插值可得：

可得橡胶堆和旁承的垂向载荷，整理后见表6。

表6 橡胶堆和旁承的垂向载荷 kN

2.3 两种疲劳载荷计算结果对比

按照EN 13749 标准并结合HZ160B 型转向架的特点，分别计算了两种载荷分配方式下的疲劳载荷，通过对比发现：

（1）按照机车加载方式计算，载荷主要由中间两个橡胶堆承载，两个旁承辅助承载；

（2）按照货车加载方式计算，载荷主要由其中一个橡胶堆承载，另一个橡胶堆和一侧旁承辅助承载；

（3）侧滚时，机车加载方式的两侧旁承均承载，货车加载方式只有一侧旁承承载；

（4）相比机车加载方式，货车加载方式的计算载荷偏大，设计相对保守。

2.4 延伸研究

针对货车加载方式，对HZ160B 型转向架的垂向载荷分配进行了计算，发现在不同侧滚系数（不同倾角）下的载荷分配差异不大，这与转向架的橡胶弹簧刚度和旁承弹簧刚度有很大的关系，3 种侧滚系数下HZ160B 型转向架的垂向疲劳载荷分配情况见表7，供分析参考。

表7 不同侧滚系数下垂向疲劳载荷分配

3 结束语

快捷货运的快速发展对高速转向架设计的创新性和多样性提出了挑战，在设计新式转向架的同时也遇到了一些问题，需要在理论研究和标准制定等多方面进行补充，针对HZ160B 型转向架的结构特点，对双橡胶弹簧带旁承的转向架结构形式与常用机车和货车的转向架结构形式进行了分析和计算，提出了两种垂向疲劳载荷的计算方法。