交叉支撑转向架运用及所运用相关技术

交叉支撑转向架运用及所运用相关技术［摘要］该文在广大铁路工作者对货车转向架所做的研究基础上，简要论述了国、内外铁路货车转向架的发展及新近在中国取得的进步；阐述了传统三大件式转向架的优缺点及对传统三大件式转向架的提速改进方案；通过仿真计算，以转8G型转向架为例，比较分析了传统三大件式转向架和侧架交叉支撑转向架在蛇形运动稳定性、平稳性和曲线通过时的动力学性能；［关键词］货车转向架垂向平稳性交叉支撑原型引言20世纪90年代以来，中国铁路运输能力紧张局面日益突出，社会各界对铁路“客运一票难求，货运一车难请”的呼声高涨，成为制约国民经济健康快速发展的“瓶颈”问题。为此，在逐步扩充路网能力的同时，快速提升铁路货车运行速度已成为当务之急，急需攻克提速货车关键技术，研制高可靠性的时速120公里新型铁路提速货车产品，以提高铁路货物运输能力，研制提速货车和对既有70〜80km/h货车进行提速改造的首要技术关键是研制提速转向架。交叉支撑转向架类型交叉支撑转向架按交叉支撑装置与侧架的连接位置不同分为下交叉支撑转向架和中交叉支撑转向架。下交叉支撑转向架的两根交叉杆与侧架下部连结，交叉杆在摇枕底部不通过中间孔,主要产品有转K2型、转K6型等下交叉支撑转向架；中交叉支撑转向架的两根交叉杆在侧架三角孔部位的中部连结，交叉杆通过摇枕中间孔,主要产品有转K1型及系列中交叉支撑转向架。交叉支撑转向架主要结构特点转K2型下交叉支撑转向架和转K1型及系列中交叉支撑转向架研制初期均采用中部刚性焊接连接的交叉支撑装置、钢对钢摩擦的斜楔减振系统、端部摩擦定位的双作用弹性旁承、槽钢等型组焊结构制动梁、低摩擦系数心盘磨耗盘及旁承磨耗板等结构与技术。另外，转K2型下交叉支撑转向架轴箱采用承载鞍与侧架直接接触的钢对钢干摩擦定位结构；转K1型及系列中交叉支撑转向架采用双圆柱定位的八字型轴箱弹性垫。运用考验结果表明，总体运行性能及使用可靠性有待提高，维护检修工作量较大。近年来，齐轨道装备公司研制成功的转K6型下交叉支撑转向架采用了大量的运用成熟新技术，直接采用中部无焊接的弹性交叉支撑装置、带有高分子复合材料主摩擦板的组合式斜楔、磨耗板端部弹性定位的双作用弹性旁承、双侧止挡定位的内八字型轴箱弹性垫、整体锻造制动梁等技术，车辆运行性能及使用可靠性明显提高。交叉支撑转向架技术的创新及发展4.1侧架交叉支撑弹性连接技术交叉支撑装置可提高转向架抗菱刚度的理论研究、原理验证结果表明：采用交叉支撑技术可有效保持转向架的正位状态，大幅度提高车辆临界速度，并减少车辆在曲线运行时车轮与钢轨的冲角，保证车辆运行性能稳定和运行安全可靠性。同时，可有效改善斜楔的受力状态，减少斜楔磨耗板磨耗，延长减振系统使用寿命。但两交叉支撑杆件中部连接结构、杆件两端与侧架连接结构、交叉支撑连杆结构可靠性是交叉支撑技术到实用化程度需研究解决的三个技术关键，其中两交叉杆件间中部节点弹性连接和杆件端部与侧架节点弹性连接技术最为重要。4.2交叉杆中部弹性连接技术理论计算和试验验证及批量运用考验结果表明：若两交叉杆件中部节点无连接，易出现在车辆运行时由于振动使上、下杆件垂向接触磨损，影响交叉支撑杆件自身结构强度。若两交叉杆件中部节点刚性连接（如焊接），交叉连杆中部焊接部位疲劳寿命低，不能满足中国铁路货车检修周期和使用寿命要求，两交叉连杆中部实现弹性连接是交叉支撑技术原理在中国铁路货车上应用推广的一个技术关键。研发了与交叉连杆中部结构匹配的U型、X型热塑性弹性体弹性元件，使两交叉连杆中部节点实现弹性连接。第一、既解决了交叉节点可靠连接，又避免两杆件垂向振动接触磨损和杆件与连接扣板间纵向微动接触磨损问题。第二、杆件与扣板间取消焊接，交叉支撑装置刚性连接改为弹性连接，交叉连杆疲劳寿命评估结果可满足25年或500万公里的运用要求，达到了交叉支撑连杆与转向架等寿命的目标，在中国得到了成功应用并全面推广，使用寿命及可靠性满足了中国的运用要求，能够满足中国铁路货车提速、重载的发展需要。4.3研发高韧性交叉杆新材料齐轨道装备公司会同宝钢集团和大连钢铁集团利用近两年的时间，经过了大量的材料匹配试验研究，开发出适合中国铁路货车的CR-1型交叉杆钢管新材料，已经过铁道部批准定型并全面应用，其强度达到20号钢的标准，而韧塑性指标保持10号钢的水平，具有优良的抗低温冲击性能，表面低硬度，提高了交叉杆对振动的适应性和疲劳可靠性，可满足提速货车使用要求。4.4轴箱弹性定位技术轴箱参数合理匹配并实现弹性定位一直是铁路货车工作者追求的技术目标，齐轨道装备公司突破约束弹性定位技术关键，完成了降低轮轨间垂向、横向动作用力研究和轴箱定位技术攻关研究，提出并应用轴箱可靠弹性定位技术。（1）实现了轴箱的可靠弹性定位。与构架间采用横、纵向完全定位，达到轮对可靠弹性定位的目的，解决了原有钢对钢摩擦定位不稳定导致车辆运行性能差的技术难题，提高了车辆直线高速运行的稳定性。（2） 实现了轮对的准径向功能。车辆曲线通过时，由于轴箱的弹性定位，在轮轨蠕滑力作用下，使转向架两轮对产生径向位移，减小轮对与钢轨之间的冲角，改善车辆的曲线通过性能，减小轮缘的磨耗。（3） 解决了侧架导框与承载鞍磨耗的惯性质量问题。根据理论分析和试验验证结果，选取适宜的技术参数及设置适当的导框间隙，实现了侧架导框与承载鞍无磨耗，解决了原有导框磨耗严重的惯性质量问题，进一步提高了车辆运行性能稳定性和使用可靠性。4.5双作用弹性旁承及耐磨心盘磨耗盘技术（1） 应用弹簧与橡胶复合弹性旁承体新技术。增加车体与转向架间的回转阻尼，有效抑制转向架与车体的摇头蛇行运动和车体侧滚振动，从而解决了空、重车回转阻力难以协调的技术难题，进一步提高了车辆的临界速度，有效保证车辆运行性能的稳定。（2） 端部无磨耗弹性定位技术。弹性旁承端部采用无磨耗弹性定位设计，设置适宜的刚度等性能参数，解决了旁承端磨后车辆动力学性能衰减问题，从而确保车辆运行性能的稳定和旁承使用可靠性。（3） 应用纵向滚动限位技术可在车辆通过小半径曲线时有效控制回转阻力矩在适当范围内，提高车辆的曲线通过性能，满足提高车辆运行性能的需要。（4） 采用摩擦性能稳定的耐磨高分子材料心盘磨耗盘，可有效隔离上、下心盘钢对钢的接触磨耗，实现从金属对金属对磨到金属与非金属对磨的关键性改变，经过大量的摩擦试验研究和长期运用结果表明，高分子材料与钢的摩擦特性匹配，磨损量远远小于钢对钢摩擦副的磨耗量，解决了上、下心盘磨耗严重的惯性质量问题。4.6变刚度弹簧承载及新材料技术（1） 打破承载弹簧一级刚度的传统设计理念，采用外簧高于内簧，使空车仅外簧承载、重车内外簧同时承载，在保证重车弹簧刚度满足使用要求的同时，提高空车弹簧静挠度30%以上，显著改善了空车动力学性能和运行品质，解决了空车线路运行适应性和脱轨安全性差的技术难题。（2） 会同中国宝钢公司、大连钢厂等单位，联合开发铁路货车转向架用60Si2CrVAT高强度优质弹簧钢新材料，提高货车转向架弹簧疲劳寿命近3倍，同时还带动了国内弹簧钢材料技术水平同步提升。4.7整体锻造制动梁技术突破结构设计和梁架整体锻造成型两大技术关键，制动梁与侧架配合由原有的滚子轴结构改进为滑块结构，梁架由原有的槽钢焊接结构改进为整体无焊接锻造结构。理论分析及疲劳试验结果表明其疲劳强度较原有结构提高两倍以上；近50万辆装用整体锻造制动梁（共计约200万根）的提速货车运用结果和近4年36万公里环形线提速货车可靠性试验结果表明，未发生滑块折断、梁架裂损现象，解决了原有滚子式焊接制动梁滚子轴折断、梁架裂纹两大惯性质量问题。交叉支撑转向架技术运用的意义通过交叉支撑转向架技术的应用推广，带动了货车车轴、轴承、车钩缓冲装置、制动装置等关键技术的协调快速发展。50钢缩短型车轴、紧凑型轴承、高分子耐磨配件、17型高强度车钩、高容量缓冲器、120-1型空气控制阀等多项新技术、新结构、新材料、新工艺均取得突破，车辆整体运行性能和使用可靠性的大幅度提升，促进了铁路货车检修体制改革，车辆实现了取消辅修、延长厂、段修周期，减少了维护检修费用，降低了寿命期内车辆综合成本，提高了综合经济效益。货车取消半年一次的辅修，每年可节省辅修费近8.5亿元；段修由1.5年延长到2年，平均每年可少做段修约10万辆，节省段修费达9.6亿元，由此，还增加了车辆使用天数，提高了车辆使用效率。在20世纪90年代，中国铁路运输能力紧张局面日益突出，社会各界对铁路“客运一票难求，货运一车难请”的呼声高涨，成为制约国民经济健康快速发展的“瓶颈”问题。在这种历史背景下，交叉支撑转向架应运而生。它按交叉支撑装置与侧架的连接位置不同分为下交叉支撑转向架和中交叉支撑转向架。其主要产品有转K2型、转K6型、转K1型。在交叉支撑转向架中，运用了大量新技术，如侧架交叉支撑弹性连接技术、交叉杆中部弹性连接技术、研发高韧性交叉杆新材料、轴箱弹性定位技术、双作用弹性旁承及耐磨心盘磨耗盘技术、整体锻造制动梁技术、高分子组合式斜楔新技术、枕架整体芯铸造工艺技术。具有采用侧架弹性下交叉支撑装置或中交叉支撑装置，轴箱弹性定位元件，双作用常接触弹性旁承及高分子材料心盘磨耗盘，高分子主摩擦板、组合式斜楔减振系统，两级刚度中央悬挂系统，L-B型整体锻造制动梁等特点。随着中国铁路货车交叉支撑转向架技术的快速发展和应用推广，必将提高铁路整体运输效率并创造显著的经济和社会效益，为保障