1 技術(shù)背景
公鐵兩用車是解決鐵路貨運(yùn)“門到門”運(yùn)輸“最后1公里”問題的理想方案之一，傳統(tǒng)的公鐵兩用車在鐵路貨車的平臺基礎(chǔ)上，將貨車車體設(shè)計(jì)為公路半掛車，半掛車與轉(zhuǎn)向架組裝一起，可實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸；半掛車脫離轉(zhuǎn)向架，可在公路上運(yùn)行，轉(zhuǎn)向架的連掛與脫離一般在鐵路站場進(jìn)行。北美Roadrailer 公司和歐洲的Railrunner公司即采用這種結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2 所示。



傳統(tǒng)公鐵兩用車的公路——鐵路模式轉(zhuǎn)換，仍需借助專用機(jī)械，轉(zhuǎn)向架的拆裝增加了轉(zhuǎn)換耗時(shí)，轉(zhuǎn)向架的儲量限制了半掛車在站場上線的數(shù)量。為解決這些問題，中車長江公司提出了一體式公鐵兩用車的理念，公路—鐵路模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)向架無需拆裝。配備升降氣囊的汽車懸架實(shí)現(xiàn)了公路—鐵路懸架的自主切換，密接式連接車鉤及連接裝置可與公路、鐵路車輛連掛，然而，狹窄空間的限制、特性與性能的要求對轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)提出了諸多挑戰(zhàn)，如圖3 所示。



2 技術(shù)要求
轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)要求主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 自主吊掛與解鎖功能
轉(zhuǎn)向架在汽車懸架伸出時(shí)，應(yīng)同車架固定提升；在汽車懸架縮入時(shí)，承擔(dān)鐵路承載功能，并能應(yīng)對車架的回轉(zhuǎn)、浮沉錯(cuò)動(dòng)。

2.2 滿足空間限制
水平空間方面，轉(zhuǎn)向架被汽車懸架限制在1 m 余寬的矩形空間內(nèi)，且被汽車懸架的氣囊侵入；垂向空間方面，由于公鐵車要同時(shí)滿足公路和鐵路限界，對汽車懸架伸出時(shí)的轉(zhuǎn)向架離地高度和汽車懸架縮入時(shí)的汽車輪離地高度都有要求，在氣囊行程有限的前提下，必須盡量減小轉(zhuǎn)向架的高度。

2.3 鐵路運(yùn)行和制動(dòng)性能
轉(zhuǎn)向架應(yīng)實(shí)現(xiàn)公鐵車的鐵路走行功能，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)性能、曲線通過能力都應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并能提供足夠制動(dòng)力以滿足列車常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)、駐車制動(dòng)要求。

3 技術(shù)方案

3.1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)
考慮到空間和自重的限制，一體式公鐵兩用車采用單軸轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，由輪軸、構(gòu)架、兩級懸掛（含軸箱、減振裝置、二系橡膠彈簧）、制動(dòng)裝置、抗蛇形減振器等組成，如圖4 所示。



輪軸為鐵路貨車通用的RE2B 型輪軸，輪徑840 mm，軸重25 t。構(gòu)架采用焊接箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架中部設(shè)有圓柱形中央牽引裝置，配合車架銷孔，可傳遞轉(zhuǎn)向架與車架間的縱、橫向力，并使得轉(zhuǎn)向架可以繞軸旋轉(zhuǎn)，為車輛提供良好的小半徑曲線通過能力；構(gòu)架中央牽引裝置與兩側(cè)梁的連接結(jié)構(gòu)為X 型，為兩側(cè)的轉(zhuǎn)向架車輪和兩端侵入矩形設(shè)計(jì)區(qū)域的汽車懸架氣囊留出空間，同時(shí)，構(gòu)架中部相對兩側(cè)下沉，以進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)向架高度。轉(zhuǎn)向架具備兩級懸掛系統(tǒng)，如圖5、圖6 所示。



第一級，為軸箱懸掛系統(tǒng)，采用鋼彈簧、斜楔、軸箱摩擦立面組成經(jīng)典的鐵路貨車摩擦減震裝置，成本低、可靠性高；第二級，由4 個(gè)二系橡膠彈簧組成，能承受轉(zhuǎn)向架相對車輛旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的大幅水平錯(cuò)動(dòng)，并調(diào)節(jié)受力不平均引起的4 個(gè)位置的載荷差，減小構(gòu)架扭曲。

轉(zhuǎn)向架制動(dòng)采用常用于鐵路機(jī)車的單元制動(dòng)裝置，屬于單側(cè)閘瓦制動(dòng)形式，每軸兩個(gè)，制動(dòng)裝置安裝座結(jié)構(gòu)額外強(qiáng)化以承受巨大的制動(dòng)反力。轉(zhuǎn)向架與車架間設(shè)有兩個(gè)液壓閥結(jié)構(gòu)的抗蛇形減振器，可大幅削弱鐵路高速運(yùn)行時(shí)的蛇形運(yùn)動(dòng)，提高車輛直線運(yùn)輸?shù)呐R界速度。

3.2 轉(zhuǎn)向架的吊掛與解鎖
利用公路—鐵路模式的轉(zhuǎn)向架垂向載荷差，以及懸掛系統(tǒng)在不同載荷下的行程差值，轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)無需操作干預(yù)的自我吊掛和解鎖。轉(zhuǎn)向架軸箱外側(cè)設(shè)置有吊掛裝置，在公路模式下，吊掛裝置與構(gòu)架配合，使得軸箱被吊起；在鐵路模式下，由于轉(zhuǎn)向架承載了車架的重量，鋼彈簧被壓縮，使得吊掛裝置與構(gòu)架分離，兩者間足夠大的間隙使其在鐵路的各個(gè)工況都不會接觸，軸箱外側(cè)的吊掛裝置實(shí)現(xiàn)了軸箱和輪軸的吊掛和解鎖。同理，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車架間設(shè)置了類似的裝置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的吊掛和解鎖。

4 仿真分析

4.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
目前，世界上還未形成權(quán)威的鐵路貨車單軸轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度計(jì)算考核標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照歐洲EN 13749《鐵路應(yīng)用—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行考核。

4.1.1 靜強(qiáng)度
按照EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)，分別在測梁、車軸、車軸處加載超常垂向、橫向、縱向載荷。為確保提吊和制動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又額外加倍考核了轉(zhuǎn)向架、軸箱提吊在轉(zhuǎn)向架吊起時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并模擬了轉(zhuǎn)向架緊急制動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如圖7、圖8 所示。





計(jì)算結(jié)果顯示，在各超常載荷工況下，構(gòu)架上各部位的應(yīng)力均小于相應(yīng)母材的許用應(yīng)力，構(gòu)架的靜強(qiáng)度滿足EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.1.2 疲勞強(qiáng)度
按照EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)，分別在測梁、車軸、車軸施加垂向、橫向、縱向運(yùn)營載荷，結(jié)構(gòu)上任意兩種載荷工況所產(chǎn)生的應(yīng)力差及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的Goodman 極限線圖的界限之內(nèi)，如圖9 所示。




計(jì)算結(jié)果顯示，在各運(yùn)營載荷工況下，構(gòu)架上各部位的動(dòng)應(yīng)力均未超出相應(yīng)母材/或接頭Goodman 疲勞極限圖的界定范圍，構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 動(dòng)力學(xué)性能
根據(jù)GB/T 5599《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定，對車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性進(jìn)行評定。

4.2.1 穩(wěn)定性運(yùn)行
穩(wěn)定性主要考核在初始激擾后，車輛蛇形運(yùn)動(dòng)幅值不發(fā)散的最高臨界速度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)向架時(shí)在空車、空箱、重車工況下的車輛的臨界速度分別為145 km/h、154 km/h、178 km/h，均高于設(shè)計(jì)速度（120 km/h）的110%，穩(wěn)定性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.2 平穩(wěn)性
采用美國V 級線路模擬軌道的不平順，計(jì)算車輛以60～132 km/h 速度運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，如圖10、圖11所示。





根據(jù)計(jì)算結(jié)果，60～132 km/h 速度范圍內(nèi)，在空車、空箱、重車等工況下，車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于4，滿足GB/T 5599 的良好級別標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.3 安全性
運(yùn)行安全性主要考核車輛在直線工況以及以70 mm欠超高通過圓曲線時(shí)的輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率，以確保運(yùn)行安全。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在空車、空箱、重車等工況下，轉(zhuǎn)向架通過直線和曲線時(shí)的一位輪對輪軌橫向力、二位車輪輪軌橫向力、一位輪對輪軸橫向力、二位輪對輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率分別小于標(biāo)準(zhǔn)要求的限度值48.464 kN、55.825 kN、91.98 kN、112.838 kN、1.0 和0.6，安全性均滿足GB/T 5599 的要求。

5 結(jié)語
一體式公鐵兩用車可裝載1 個(gè)40 ft 集裝箱或2 個(gè)20 ft 集裝箱，車輛縱向強(qiáng)度滿足GB/T 5599 沖擊工況的嚴(yán)酷要求，遠(yuǎn)超一般公路干掛車，如圖12 所示。


誠然，在公路運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)單軸轉(zhuǎn)向架4 t 多的重量是車輛的額外負(fù)擔(dān)；然而，在公鐵聯(lián)運(yùn)的過程中，公路運(yùn)輸主要解決“最后一公里”問題，公路里程短，耗能差值低。相比于短途運(yùn)輸?shù)膭?dòng)能損耗，一體式公鐵兩用車提供的便利、時(shí)效等優(yōu)勢必然煥發(fā)出更大光彩。

參考文獻(xiàn)：
[1] GB/T 5599-1985，鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].
[2] EN 13749：2011，鐵路應(yīng)用—輪對和轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架評估方法[S].

【本文標(biāo)題和網(wǎng)址】一體式公鐵兩用車轉(zhuǎn)向架技術(shù)資料 http://zjifu.com/jszl/433.html