一体式公铁两用车转向架技术资料

1 技术背景
公铁两用车是解决铁路货运“门到门”运输“最后1公里”问题的理想方案之一，传统的公铁两用车在铁路货车的平台基础上，将货车车体设计为公路半挂车，半挂车与转向架组装一起，可实现铁路运输；半挂车脱离转向架，可在公路上运行，转向架的连挂与脱离一般在铁路站场进行。北美Roadrailer 公司和欧洲的Railrunner公司即采用这种结构，如图1、图2 所示。



传统公铁两用车的公路——铁路模式转换，仍需借助专用机械，转向架的拆装增加了转换耗时，转向架的储量限制了半挂车在站场上线的数量。为解决这些问题，中车长江公司提出了一体式公铁两用车的理念，公路—铁路模式自动转换，转向架无需拆装。配备升降气囊的汽车悬架实现了公路—铁路悬架的自主切换，密接式连接车钩及连接装置可与公路、铁路车辆连挂，然而，狭窄空间的限制、特性与性能的要求对转向架的设计提出了诸多挑战，如图3 所示。



2 技术要求
转向架的设计要求主要有以下几点。

2.1 自主吊挂与解锁功能
转向架在汽车悬架伸出时，应同车架固定提升；在汽车悬架缩入时，承担铁路承载功能，并能应对车架的回转、浮沉错动。

2.2 满足空间限制
水平空间方面，转向架被汽车悬架限制在1 m 余宽的矩形空间内，且被汽车悬架的气囊侵入；垂向空间方面，由于公铁车要同时满足公路和铁路限界，对汽车悬架伸出时的转向架离地高度和汽车悬架缩入时的汽车轮离地高度都有要求，在气囊行程有限的前提下，必须尽量减小转向架的高度。

2.3 铁路运行和制动性能
转向架应实现公铁车的铁路走行功能，其结构强度、动力学性能、曲线通过能力都应满足相应标准的要求，并能提供足够制动力以满足列车常规制动和紧急制动、驻车制动要求。

3 技术方案

3.1 转向架结构
考虑到空间和自重的限制，一体式公铁两用车采用单轴转向架的结构，由轮轴、构架、两级悬挂（含轴箱、减振装置、二系橡胶弹簧）、制动装置、抗蛇形减振器等组成，如图4 所示。



轮轴为铁路货车通用的RE2B 型轮轴，轮径840 mm，轴重25 t。构架采用焊接箱型结构，构架中部设有圆柱形中央牵引装置，配合车架销孔，可传递转向架与车架间的纵、横向力，并使得转向架可以绕轴旋转，为车辆提供良好的小半径曲线通过能力；构架中央牵引装置与两侧梁的连接结构为X 型，为两侧的转向架车轮和两端侵入矩形设计区域的汽车悬架气囊留出空间，同时，构架中部相对两侧下沉，以进一步降低转向架高度。转向架具备两级悬挂系统，如图5、图6 所示。



第一级，为轴箱悬挂系统，采用钢弹簧、斜楔、轴箱摩擦立面组成经典的铁路货车摩擦减震装置，成本低、可靠性高；第二级，由4 个二系橡胶弹簧组成，能承受转向架相对车辆旋转时发生的大幅水平错动，并调节受力不平均引起的4 个位置的载荷差，减小构架扭曲。

转向架制动采用常用于铁路机车的单元制动装置，属于单侧闸瓦制动形式，每轴两个，制动装置安装座结构额外强化以承受巨大的制动反力。转向架与车架间设有两个液压阀结构的抗蛇形减振器，可大幅削弱铁路高速运行时的蛇形运动，提高车辆直线运输的临界速度。

3.2 转向架的吊挂与解锁
利用公路—铁路模式的转向架垂向载荷差，以及悬挂系统在不同载荷下的行程差值，转向架实现无需操作干预的自我吊挂和解锁。转向架轴箱外侧设置有吊挂装置，在公路模式下，吊挂装置与构架配合，使得轴箱被吊起；在铁路模式下，由于转向架承载了车架的重量，钢弹簧被压缩，使得吊挂装置与构架分离，两者间足够大的间隙使其在铁路的各个工况都不会接触，轴箱外侧的吊挂装置实现了轴箱和轮轴的吊挂和解锁。同理，转向架构架与车架间设置了类似的装置，实现转向架的吊挂和解锁。

4 仿真分析

4.1 结构强度
目前，世界上还未形成权威的铁路货车单轴转向架强度计算考核标准，根据转向架结构特点，按照欧洲EN 13749《铁路应用—转向架构架结构要求》标准，对转向架构架的静强度及疲劳强度进行考核。

4.1.1 静强度
按照EN 13749 标准，分别在测梁、车轴、车轴处加载超常垂向、横向、纵向载荷。为确保提吊和制动时的结构强度，又额外加倍考核了转向架、轴箱提吊在转向架吊起时的结构强度，并模拟了转向架紧急制动时的结构强度，如图7、图8 所示。





计算结果显示，在各超常载荷工况下，构架上各部位的应力均小于相应母材的许用应力，构架的静强度满足EN 13749 标准的要求。

4.1.2 疲劳强度
按照EN 13749 标准，分别在测梁、车轴、车轴施加垂向、横向、纵向运营载荷，结构上任意两种载荷工况所产生的应力差及平均应力应在相应材料或接头的Goodman 极限线图的界限之内，如图9 所示。




计算结果显示，在各运营载荷工况下，构架上各部位的动应力均未超出相应母材/或接头Goodman 疲劳极限图的界定范围，构架的疲劳强度满足设计要求。

4.2 动力学性能
根据GB/T 5599《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定，对车辆运行稳定性、平稳性、安全性进行评定。

4.2.1 稳定性运行
稳定性主要考核在初始激扰后，车辆蛇形运动幅值不发散的最高临界速度。根据计算结果，转向架时在空车、空箱、重车工况下的车辆的临界速度分别为145 km/h、154 km/h、178 km/h，均高于设计速度（120 km/h）的110%，稳定性满足标准要求。

4.2.2 平稳性
采用美国V 级线路模拟轨道的不平顺，计算车辆以60～132 km/h 速度运行时的平稳性，如图10、图11所示。





根据计算结果，60～132 km/h 速度范围内，在空车、空箱、重车等工况下，车辆横向、垂向平稳性指标均小于4，满足GB/T 5599 的良好级别标准。

4.2.3 安全性
运行安全性主要考核车辆在直线工况以及以70 mm欠超高通过圆曲线时的轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率，以确保运行安全。根据计算结果，在空车、空箱、重车等工况下，转向架通过直线和曲线时的一位轮对轮轨横向力、二位车轮轮轨横向力、一位轮对轮轴横向力、二位轮对轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率分别小于标准要求的限度值48.464 kN、55.825 kN、91.98 kN、112.838 kN、1.0 和0.6，安全性均满足GB/T 5599 的要求。

5 结语
一体式公铁两用车可装载1 个40 ft 集装箱或2 个20 ft 集装箱，车辆纵向强度满足GB/T 5599 冲击工况的严酷要求，远超一般公路干挂车，如图12 所示。


诚然，在公路运行时，两个单轴转向架4 t 多的重量是车辆的额外负担；然而，在公铁联运的过程中，公路运输主要解决“最后一公里”问题，公路里程短，耗能差值低。相比于短途运输的动能损耗，一体式公铁两用车提供的便利、时效等优势必然焕发出更大光彩。

参考文献：
[1] GB/T 5599-1985，铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].
[2] EN 13749：2011，铁路应用—轮对和转向架—转向架构架评估方法[S].

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