27 t轴重货车轴箱悬挂特性研究*

熊 芯，姜 成，苗晓雨，王新锐，张天婴

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

专题研究

27 t轴重货车轴箱悬挂特性研究*

熊 芯，姜 成，苗晓雨，王新锐，张天婴

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

27 t轴重货车转向架均采用了轴箱悬挂橡胶堆，旨在降低轮轨的冲击动作用力，但实际的效果有待试验数据的验证。本文利用既有线27 t轴重货车适应性的试验数据，从轴箱加速度谱、侧架加速度谱、加速度扩大倍率、单位激励下轴头加速度谱等方面入手，对27 t轴重货车轴头加速度、侧架加速度、轴箱悬挂的特性进行研究。结果表明27 t轴重货车轴箱悬挂能有效降低中频段的侧架加速度，但低频段侧架加速度没有明显降低。

27 t轴重；加速度；功率谱

2012年7月16日原铁道部下发了《大轴重铁路货车总体技术条件（暂行）》，随即，27 t轴重货车的发展全面启动。目前，27 t轴重货车已相继完成静强度试验、动力学性能试验、线路适应性试验，随着这些试验的完成，27 t轴重货车尤其是27 t轴重货车转向架在性能方面进行的技术创新得以从试验的角度进行验证。

27 t轴重货车采用了下交叉支撑转向架DZ1、摆动式转向架DZ2及副构架式径向转向架DZ33种27 t轴重货车转向架，3种27 t轴重货车转向架均采用了轴箱悬挂橡胶堆，旨在降低轮轨的冲击动作用力。本文将利用试验数据对27 t轴重货车转向架轴箱橡胶堆的加速度特性进行研究，分析的频率范围为中低频（小于1 000 Hz），验证其轮轨动力作用特征。

1 分析参数

轴箱悬挂橡胶堆在轴头承载鞍与侧架之间，理论上合适的参数能有效降低从承载鞍传递上来的轮轨动作用力，但实际上橡胶堆的参数会与理论有一定差别，最终的效果需要从试验来验证，这些验证可以从不同分析参数来研究。

1.1 加速度扩大倍率η

加速度扩大倍率η是指轴箱悬挂之上的加速度谱与轴箱悬挂之下的加速度谱之比，反映了从车轮传上来的动力作用通过轴箱悬挂之后的变化。如果加速度扩大倍率小于1表示动力作用有减弱；如果远小于1，表示有明显减弱。

当不需要考虑车体固有频率的影响时，对于单固有频率的橡胶堆加速度扩大倍率η为［1］

其中m、k、c分别为侧架的质量、橡胶堆的刚度、阻尼。

考虑车体单固有频率的影响时，对于单固有频率的橡胶堆加速度扩大倍率η为

其中M、K、C分别为简化的橡胶堆以上振动系统的质量、刚度、阻尼。

对于多个固有频率的橡胶堆加速度扩大倍率η为

对于更复杂的情况不再一一叙述。

通过测试轴箱橡胶堆正下方承载鞍加速度和橡胶堆正上方侧架加速度可以得到合成的橡胶堆的加速度扩大倍率η，由此可以判断轴箱橡胶堆的减振效果。

1.2 加速度谱p

加速度谱p是实测的轴头加速度谱或侧架加速度谱，加速度谱p反映的是转向架对试验线路的适应性，在不同的试验线路结果会有一定差别。

对于货车和轨道综合系统，轴头加速度a与轮轨力F之间有如式（4）关系：

1.3 单位激励下轴头加速度谱H

单位激励下的轴头加速度谱H，即轴头加速度对激励位移的传递函数。

加速度谱p在不同的试验线路结果会有一定差别，为了得到不同线路的一致结果，需要分离出单位激励下的轴头加速度谱。

对于货车和轨道综合系统，轴头加速度a与线路激励位移r之间有如式（5）关系［2］：

其中αkH、αr、αw分别为单位轮轨力下的接触区位移导纳、钢轨位移导纳、车轮位移导纳。单位位移激励下的轴头加速度谱H为：

归一化后的|H0|可以使用下列方法确定。

因为，其对于确定速度下的功率谱有如式（7）关系对于轨道功率谱有如式（8）关系［3］

Pr为车辆速度v对应的时间频率域位移输入功率谱密度；Pf为空间频率域位移输入功率谱密度（轨道谱密度）。

定义G（ω，Ω）如下：

则有，

即，由pa（ω）|v＝vi可以得到G（ω，Ω），而G（ω，Ω）是f（ω）和g（Ω）的积，对G（ω，Ω）可以直接分离后得到归一化后的|H0（ω）|2。

2 试验验证结果分析

2013年7—11月间在长沙进行了27 t轴重货车线路适应性试验，在本次试验中，对27 t轴重货车转向架轴箱悬挂特性进行了试验验证，试验测试了配装3种27 t轴重货车主型转向架的敞车、配装23 t轴重转K6转向架的C70比较车。

2.1 加速度扩大倍率η

图1给出了侧架、轴头的垂向加速度扩大倍率η。根据试验结果，对比27 t轴重货车和C70比较车：27 t轴重货车轴箱悬挂能有效降低中频段（200～1 000 Hz）的侧架加速度，但低频段（＜200 Hz）侧架加速度没有明显降低。

根据加速度谱和加速度扩大倍率图，200 Hz是一个分界频率。频率在200 Hz以内，27 t轴重货车传递函数大于C70比较车的，27 t轴重货车传递函数在低频段（＜200 Hz）以内有部分超过1；频率在中频段（200～1 000 Hz）以上，27 t轴重货车传递函数均明显小于C70比较车（个别车个别峰值除外），在中频段，侧架加速度比轴头加速度减少约80%。

2.2 加速度谱

图2、图3给出了侧架、轴头垂向加速度的幅值谱。根据试验结果，对比27 t轴重货车和C70比较车：轴头加速度没有一致的差别，在不同频率范围均有交叉；侧架加速度频率中频段（200～1 000 Hz），27 t轴重货车明显小于C70比较车，在该频率范围内能显著降低侧架加速度值。

图1 轴头垂向加速度扩大倍率对比

图2 侧架垂向加速度功率谱对比

图3 轴头垂向加速度功率谱对比

图4给出了同一次试验时不同车型（转向架均为同一27 t轴重转向架）侧架垂向加速度的幅值谱。根据试验结果，对于敞车、棚车、罐车，在中低频段（＜1 000 Hz），侧架加速度谱与车型关系不大，与转向架参数和线路条件关系更密切。对于平车在300～1 000 Hz的频率范围内，侧架加速度谱与其他车型差别较大。

图4 不同车型（同一转向架）侧架垂向加速度功率谱对比

2.3 单位激励下轴头加速度谱

线路激励的大小直接影响轴头加速度的大小，使用上述1.3节方法可以分离出单位激励下的加速度谱，这样可以对不同线路的试验结果进行比较分析。

根据两次试验结果，侧架和轴头加速度在不同试验线路条件下结果基本一致。相比较而言，轴头加速度个别峰值大小有较大差异，见图5、图6。

同时，对单位激励下轴头、侧架加速度的27 t轴重货车与C70比较车进行对比，也有上述相同的结果。因此，前述结果也是转向架的自身特征，不论何种线路条件均有一致结果。

3 结束语

通过对27 t轴重货车加速度试验数据进行分析，比较了27 t轴重货车和C70比较车的试验结果，得出了27 t轴重货车采用轴箱悬挂橡胶堆后的加速度变化规律。在不同线路条件下均有结论：27 t轴重货车轴箱悬挂能有效降低中频段（200～1 000 Hz）的侧架加速度，侧架加速度比轴头加速度减小约80%；但低频段（＜200 Hz）侧架加速度没有明显降低。

［1］ 李德葆，陆秋海.工程振动试验分析［M］.北京：清华大学出版社.

［2］ S.L.Grassie，R.W.Gregory，K.L.Johnson.The behaviour of railway wheelsets and track at high frequencies of excitation［J］.Journal Mechanical Engineering Science，24（2）1982.

［3］ 康 熊，曾宇清.车辆振动加速度响应分析的速度—频域方法［J］.中国铁道科学，2012，33（1）：60-70.

Study on Axle-box Suspension’s Characteristics of 27 t Axle Load Wagons

XIONG Xin，JIANG Cheng，MIAO Xiaoyu，WANG Xinrui，ZH ANG Tianying
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In order to reduce the wheel-rail force，rubber stack is adopted in the axle-box suspension for 27 t axle load bogies，but the actual effect remains to be verification by test.Using the data of 27 t axle load adaptability test，from the axle-box acceleration spectrum，side frame acceleration spectrum，transfer rate of acceleration，axle-box acceleration spectrum by unit excitation head and other aspects，the characteristic of 27 t axle load wagon axle acceleration，side frame acceleration，and transfer characteristic of axle-box suspension is studied.The results show that the 27 t axle load wagon axle box suspension can effectively reduce the middle frequency side frame acceleration，but the low frequency side frame acceleration is not obviously reduced.

27 t axle load；acceleration；power spectrum

图6 单位激励下侧架加速度不同试验对比

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.06

1008－7842（2014）04－0029－05

*铁道部科技开发计划（2012J008－A）

�）男，副研究员（

2013－12－11）