变轨距轮对变轨综合性能试验台研究

变轨距轮对变轨综合性能试验台研究

杨志强，高世卿，李江波，祝传钰，张锦标

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

摘 要：变轨距轮对技术是解决铁道车辆在轨距不同区间直通运行的一种行之有效的方法。本文根据某变轨距轮对的变轨原理和技术参数，研制了变轨距轮对变轨综合性能试验台，实现了变轨距轮对解锁/锁紧、变轨、跑合等功能，为变轨距轮对的研究及运用提供了技术支撑。

关键词：变轨距轮对；变轨；解锁；跑合

中图分类号：U279.3+23     文献标志码：B

Research on the Comprehensive Performance Test Bench for gauge changeable wheelset

Yang Zhiqiang, Gao Shiqing, Li Jiangbo, Zhu Chuanyu, Zhang Jinbiao

(CRRC QINGDAO SIFANG ROLLING STOCK RESEARCH INSTITUTE CO., LTD,

Qingdao 266031, Shandong, China)

Abstract: The technology of gauge changeable wheelsets is an effective way to solve the problem of straight running of railway vehicles in different gauge sections. According to the track change principle and technical parameters of a gauge changeable wheelset, this paper develops a comprehensive performance test bed for track change of gauge changeable wheelsets, which realizes the functions of unlocking/locking, track change and running in of gauge changeable wheelsets, and provides technical support for the research and application of gauge changeable wheelsets.

Key words: gauge changeable; track change; unlock; running in

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变轨距轮对技术是在传统轮对上增加一套变轨机构，并根据相应的轨距改变轮对内侧距，实现不同轨距线路互联互通，是解决轨距差异最行之有效的方法[1]。由于我国研发变轨轮对缺乏实际应用和考核经验[2]，为了准确地实现变轨距轮对内侧距的变换，需要一套轮对变轨装置与之配合。本文主要介绍变轨距轮对变轨综合性能试验台的研制，并试验验证了试验台的功能，为变轨距轮对的研究及运用提供了技术支撑。

1变轨原理

变轨距轮对的车轮和轴承固定在滑动套筒上，滑动套筒与车轴通过花键连接，滑动套筒可沿车轴左右滑动。支撑箱内侧与轴承固定连接，支撑箱安装于轴箱内部，并可在轴箱内横向滑移。锁紧机构安装于轴箱中部，锁紧杆起主要锁紧作用。锁紧杆上升一定高度，支撑箱与轴箱可相对滑移，触发车轮解锁，在外力作用下车轮可以横向滑移至新轨距位置。锁紧杆复位后，支撑箱与轴箱相对固定，即车轮被锁紧轴向固定[3]。

1-车轮；2-滑动套筒；3-轴箱；4-轴箱端盖；

5-支撑箱；6-复位弹簧；7-锁紧杆；8-轴承

图1  变轨距轮对结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of gauge changeable wheelset structure

以准轨（1435mm）变宽轨（1520mm）为例来说明变轨过程。

1)变轨距轮对以准轨（1435mm）轨距进入地面变轨装置，轴箱底部与地面支承轨接触，车轮卸载；

2)车轮继续前行，地面解锁导轨推动锁紧杆上升一定高度，触发车轮解锁；

3)两侧车轮在地面导向轨的作用下向外侧滑动，直至宽轨位置（1520mm）；

4)到达宽轨后，锁紧杆在复位弹簧作用下沿解锁导轨下降至初始位置，此时车轮被锁紧；

5)车轮继续前行，轴箱与地面支承轨脱离，车轮与钢轨接触，载荷由轴箱传到车轮，轮对变轨完成。

2设计目标

通过上述变轨距轮对的变轨原理和过程，确定变轨距轮对变轨综合性能试验台须具备以下功能：

1)可实现变轨距轮对按照变轨速度进行轨距调整（轨距1435mm和1520mm）。

2)可实现轴箱解锁机构在变轨过程中的解锁和锁紧。

3)可实现变轨距轮对车轮负载到轴箱负载的转换。

4)可实现制动夹钳的随动。

5)可实现变轨距轮对的跑合。

根据变轨距轮对的变轨要求，确定如表1所示的技术参数。

3变轨综合性能试验台方案设计

根据变轨距轮对变轨综合性能试验台功能需求，确定试验台主要由机械系统、液压系统、电控及测控系统部分组成（图2）。

图2  变轨距轮对变轨综合性能试验台系统组成

Fig.2  System composition of track change comprehensive performance test bench for gauge changeable wheelset

3.1机械系统

机械系统包括变轨装置、解锁装置、负载转换装置、车轮驱动装置、夹钳支承装置、龙门架及其辅助工装等部件（图3）。

图3  机械系统组成

Fig.3  Mechanical system composition

3.1.1变轨装置

变轨装置（图4）主要由伺服电机、减速机、丝杠、联轴器、力传感器及横移底座等组成。伺服电机通过减速机减速增扭，减速机两输出轴带动两侧丝杠同时转动，横移底座底部安装有丝母，在伺服电机的驱动下横向直线移动，即将电机的扭矩转换为横移底座的横向推力

            (1)

式中T：电机扭矩，Ph：丝杠导程，η：丝杠效率，为轮对变轨提供所需横向变轨力。伺服电机配有编码器，可以实时监测变轨行程和速度。横移底座内部力传感器可以实时测量变轨力大小。

图4 变轨装置

Fig.4  Gauge changeable device

变轨距轮对理论最大变轨力F为25kN，单侧行程为42.5mm，最大变轨速度v约72.5mm/s。则丝杠导程须满足

             (2)

传动比i为5，理论计算值为10.875mm，即丝杠导程大于理论值就满足使用要求，参考常用标准选取导程为12mm。伺服电机运行包含加速(t1)、匀速(t2)、减速(t3)三个过程，如图5所示，变轨过程中电机需要克服的扭矩值如表2所示，最大扭矩为52.2N·m。将参数代入有效扭矩公式

       (3)

计算有效扭矩值为10.4N·m。根据设计经验电机最大转矩须大于负载最大扭矩，电机额定转矩须大于负载有效扭矩，才能稳定运行工作。参考常用标准选取电机型号为1FL6094，其参数如表3所示，性能满足设计要求。

图5 速度曲线图

Fig.5  Speed curve

3.1.2解锁装置

解锁装置（图6）提供轴箱解锁机构所需解锁力，主要由解锁油缸、力传感器和解锁滑块等组成。解锁和锁紧方式分别是：解锁滑块向上运动到设定位置为解锁动作，向下运动到初始位置为锁紧动作。通过控制油缸伸出或缩回触发车轮解锁或锁紧动作，力传感器可以实时监测解锁力大小。

图6  解锁装置

Fig.6  Unlocking device

3.1.3承载转换装置

承载转换装置主要由垂向加载装置和顶升装置组成，垂向加载装置和顶升装置包含加载油缸、顶升油缸、辅助工装等部件。单个垂向加载油缸输出力不小于85kN，能够模拟17t轴重，单个顶升油缸输出力不小于150kN。

试验时垂向加载装置和顶升装置将轴箱上下夹持，变轨前两个装置共同将轴箱抬升到一定高度，使车轮与承载轨脱离，此时负载由轴箱承载，如图7-a所示。变轨后垂向加载装置和顶升装置同步下降，直到车轮落到承载轨上，垂向加载装置给轴箱施加负载，顶升装置继续下降到零位并与轴箱脱离，此时负载由车轮承载，如图7-b示。

a轴箱承载                 b车轮承载

图7  承载转换示意图

Fig.7  Schematic Diagram of Load Transfer

3.1.4车轮驱动装置

车轮驱动装置（图8）主要由驱动电机、摩擦轮、油缸等组成。摩擦轮安装于驱动电机输出轴端，可直接驱动车轮轮辋内侧，使轮对旋转跑合。油缸可控制电机的横向位置：轮对跑合时，油缸伸出使摩擦轮与轮辋内侧接触。跑合结束后，油缸复位使摩擦轮与车轮脱离。

摩擦轮和轮辋内侧的接触压力与驱动力（即摩擦力）成正比，可通过调节油缸输出力来控制。驱动力主要用于克服轮对的当量摩擦力矩，主要包括轴承摩擦力矩和车轮运行力矩

，即。理论计算电机须提供的扭矩约为18.4N·m，考虑一定安全裕度，选取额定扭矩为25.5N·m的电机。

图8  车轮驱动装置

Fig.8  Wheel driving device

3.1.5夹钳支承装置

制动夹钳支承装置（图9）主要由夹钳支承安装座、夹钳支承座、导轨滑块及锁紧机构等组成，用于安装制动夹钳及其随动机构，模拟车轮与制动夹钳实际相对位置。在轮对变轨过程中车轮带动制动夹钳在其随动机构中横向移动，实现制动夹钳随动功能。制动夹钳需要克服一定的横向力才能跟随车轮一起横向变轨，所以该横向力也是轮对变轨力的一部分。

图9  夹钳支承装置

Fig.9  Clamp support device

3.2液压系统

液压系统主要由液压站、液压缸、伺服控制阀、分油阀块、蓄能器及管路等组成，是整个试验台加载系统的动力源。液压缸采用电液伺服控制，操作人员可在软件界面设定输出力或位移值，可以实现对液压缸输出力或输出位移的精确控制。液压系统工作原理见图10。

图10  液压原理图

Fig.10  Hydraulic schematic diagram

3.3电控及测控系统

电气控制系统主要由工控机、控制器、变频器、PLC、继电器、接触器、各显示仪表及其他电器元件组成，整个系统集成于电气控制柜。系统内置软件程序，试验界面如图11所示，可与控制器、采集模块、液压系统进行数据交互。

测控系统主要包含数据采集模块、通信模块和负荷传感器等，可实时采集各个传感器信号，并将数据回传至工控机分析处理。

图11  试验界面

Fig.11  Test interface

3.4试验过程

变轨距轮对试验台试验操作如下：

1)轮对吊装到试验台上，并将两侧轴箱定位紧固，夹钳安置在随动机构上；

2)两侧垂向加载油缸分别在轴箱上施加85kN载荷，顶升油缸将轴箱抬起到一定高度，垂向加载油缸同步缩回，使车轮与承载轨完全脱离；

3)驱动摩擦轮直接驱动车轮转动，速度15 km/h；

4)解锁油缸按照设定的速度推动轴箱解锁滚轮上升一定高度，车轮解锁；

5)变轨装置分别驱动两侧车轮向外侧或内侧移动到变轨位置，同时制动夹钳随其一起运动；

6)解锁油缸复位，车轮被锁紧；

7)驱动摩擦轮停止跑合，车轮停止转动；

8)顶升油缸和垂向加载油缸同步下降，直到车轮与承载轨接触。

4试验测试

变轨距轮对变轨综合性能试验台生产安装完成后，对主机厂某型号变轨距轮对进行了试验，试验结果如图12所示，从图中可以看出装配良好的变轨距轮对的轴箱解锁力在10kN~15kN左右，车轮变轨力在2kN左右。试验效果较理想，试验台满足设计目标要求。

图12  解锁力、变轨力曲线

Fig.12  Unlocking force, gauge changing force curve

5结  论

变轨距轮对变轨综合性能试验台有效实现了轮对承载转换、解锁、变轨、跑合等功能，达到设计要求，为变轨距轮对的研究和测试提供了保障。

参考文献：

[1] 李芾，黄运华，傅茂海. 变轨距转向架发展及其可行性研究［J］．铁道机车车辆，2002(5):1-5.

[2] 黄运华.基于独立旋转车轮的变轨距转向架研究[D]. 成都：西南交通大学，2003:2-13.

[3] 邵亚堂，黄运华，张隶新，等. 1435/1520mm变轨距动车组转向架结构方案设计［J］. 机车电传动，2018(3)：18-22.

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