TELKOM NIKA , Vol.11, No .3, March 2 0 1 3 , pp. 1278 ~ 1283   ISSN: 2302-4 046         1278      Re cei v ed O c t ober 1 0 , 201 2; Revi se d Ja nuar y 9, 201 3 ;  Accepte d  Ja nuary 20, 20 1 3   Lower Cross-Braced Truck and Swing Motion Truck  Have Different Effect on Freight Car Dynamics  Performance      Chao  Chen *, Yanhui Han,  and Mei Ha n  School of T r a ffic and Tra n sportation, Beij ing Jia o tong  University, Beijing, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : chen.q@ 16 3.com       A b st r a ct   There are two m a jor types of trucks for frei ght ca r in Chin ese railroad. One is t he lowe r  cro s s-bra c e d   truck; the oth e r i s  the  swi n g m o ti on truck. To e v al uat e the differen t  perform an ce,  diam ond re si stant rigi dity  of t he lowe r cro s s-bra c e d  truck and th e  lateral  stiffness of the swing   m o tion truck are anal yzed.  To sim u late the dyn a m i cs perfo rm ance  of the swing m o tion truck, an  equi valent lat e ral  stiffness is cal c ul ated . T hen it is  m odeled a s  a lateral  sp ri ng between  side  fram es and b o lstered to si m u late the swing. Afte r that, two typical  freight ca rs ’   m odels whi c h  use   the two types of  trucks are  built in  SIMPAC K. The L/V Ratio and Whe e l Load  Red u ctio n Ra tio   are  cho s en fo r evaluating  runnin g  safet y  of the  freight car. The  sim u lation re sult s are com pared  and they p r o v e that the im p a ct  force betwee n  whe e l and rail w hen  the car passi ng cu rve can  be  redu ce d effectivel y as the  swing m o tion truck has  a  better lateral  flexible. The r efore, it has a   lowe r L/V ratio unde r the  sam e  runni ng and loa d i ng co ndition.  However, the swi ng lead s a  large r  late ral  displ a cem ent of the ca r-bod y, so  th e  gra v ity  cent er of loa ded  car ha s a la rger  lateral displa cem ent than the car with lowe r cross- brace d  truck; which re sult s to a larger Wh eel  Load Red u cti on  Ratio.     Key w ords :  truck; dyn a m i cs sim u lation; freight car; L/ V Ratio; Whe e l Load  Red u c tion Ratio      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The freight car of Chine s e  railroad ha s a fa st development from 1980 s [1].  Axle load is  raised from 1 1 t to 23t during the last sixty y ears. Th e 25t axle load truck has b een used on the   new types of freight car, so, freight ca r c apa city ca n reach 70t  and som e  heavy haul car’s  cap a city is 7 6 t or 80t. Th e de signe d speed of  the  new freight  car is  120 km/ h . The spee d  increa sed tru c ks a r e all three - pi ece in  China,  an d  they have two types, one  is lowe r cro s s- bra c ed truck; the other is  swing motio n  truck.   The ru nning  safety of railroad freight car  c an be eval u a ted by L/V Ratio and Wh e e l Load   Red u ctio n Ra tio, the L/V Ratio is calcula t ed fr om the forces of one  whe e l, and the Wheel Lo a d   Red u ctio n Ratio is calcul ated from th e forces  of one wh eel -set. So, under t he sa me run n ing  con d ition a n d  loadin g  cond ition, the Ratios m a y  be di fferent a s  the y  are  cal c ulat ed by differe nt  force s .  Reference [2-4] a n a lysis th e L/V Ratio a nd  Wheel L oad  Re ductio n  Ratio  whe n  the frei ght  car  with two  kind s of trucks run n ing th rough a  curv e .  But there is rarely inve stigation ab out the  relation s bet wee n  differen t  types of trucks a nd safety ratios  when  car p a ssin g a  curve.   This stu d y investigate s  the dynamic resp ons e of the lower  cro s s-bra c ed tru c k and  swing  motion tru c k  whe n  the frei ght ca r runni n g  with  the  sa me ru nnin g  condition  and l oadin g  condit i on.  The cars are  simulate d  by usin g  multi-b ody  dy nami c   softwa r e SIM PACK. The d y namic  effect  of  different types of trucks is  studie d  by  the model s wh en freight car  passin g  a cu rve.      2. Topolog y   Frame w o r ks  Analy s is for Freight Car s   w i th Differ ent Tru cks   The gon dola  car  C70 a nd C70 H  are taken as an alysi s  example s , C70 u s e s  K6 whi c h is  lowe r cro s s-bra c ed t r u ck,  and  C70 H   use s  K5  whi c h i s  swin g  motion tru c k. The topol o g y  frame w orks o f  the cars nee d to be analy z ed b e fore b u ilding virtual  model s in SIMPACK.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1278 – 1 283   1279 2.1.Topolog y   Frame w o r ks Analy s is  of Freigh t Car Sy stem  The gond ola  car system  is compo s e d  of car-b od y and two trucks. The car-body   inclu d e s  emp t y car-b ody a nd freig h t loa ded on it, an d the truck in clud es b o lste r, side frame s ,  axle boxes a nd whe e l sets, etc. The inte ractio n of  the  comp one nts is cau s e d  by spring s, frictio n ,   moment, joints, etc. Figure 1  & Figure2 show t he topol ogy frameworks of C70 & C70 H  ba sed on  the stru cture of tw o types of trucks.       x z ca r-bo d y bols t er si d e  fr a m e ax le b o x whe e l set y z low e r  cr oss- bra c e   End view                                                                        Side view    Figure 1.   C70  gondol a ca r system top o logy grap h       ca r-bo d y bol st er s i d e  fram e axl e  box wheel  set x z y z   End view                                                                              Side vi ew    Figure 2.   C70 H  gon dola  ca r system top o l ogy grap h       In Figure1 &  Figure2, “ ” re pre s ent s the force s  and m o ments bet ween the com pone nts   of vehicle system, “ ” rep r e s ents the joint s  between th e co mp one nts of vehicle system. Force s   betwe en side  frame and wheel set are tran smitted  by axle boxes,  and two axle boxes are set  to   the end s of axle with rotational joint.     2.2. Freight  Cars Virtu a l Models Buil ding  The ca rs virtual model s a r e built in SIMPACK base d  on the top o logy gra p h s  and the   nonlin ear forces between  car com pon ent s [5-7]. The virtual model s  are form ed b y  managing the   3D shap e, joints and fo rce s .     2.2.1. 3D Shape   All the com p onent s are consi dered a s   rigid b odi e s  i n  the mo del.  The 3 D   shap es of  ca r  body, side fra m es, bol sters and axle boxes are  simplif i ed as key factors, whi c h co nsi s t of gravity  cente r , mass  and mom ent of inertia in SIMPACK.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Lower Cro s s-Braced Truck and Swing M o tion Tr u c k Have  Different  Effect… (Ch a o  Che n )  1280 2.2.2.  Joints   The topolo g y framewo r k has two type s of jo ints. One is the z axis rotational joint  betwe en bol ster and  ca r-b ody. The oth e r is th e y  axis rotation al  joint betwe e n  axle box a n d   wheel s e t.     2.2.3.  Force s  The input of force s  in SIMPACK include s cho o si ng force ele m ent and n online a r  expre ssi on. For this study, the force s  in  Figure1 and Figure2 that  hav e been used in SIMPACK  are  cente r  pl ate friction m o ment; sid e  b earin g fr ictio n ;  vertical and  lateral force s   betwe en bol ster   and  side fram e; vertical, lat e ral a nd lo ngi tudinal  force s  betwe en  sid e  frame  and  axle box; forces  betwe en whe e l and rail. T w o metho d s  are u s ed to e x press the force s :  (1) T here are vertical  springs that hav e  large  stiffness between  up and do wn cente r   plates and si de  be arin gs. The  fri c tion can  be cal c ul a t ed by frictio n  coeffici ent a nd vertical sp ring   forc e.   (2) Othe r n online a r forces are expressed  a s  value and rel a tive displace ment in   SIMPACK. K5 truck is spe c ial; it needs to calcul at e the lateral force that is equ al to a spring  as  the swi ng structural [8].       3. Lateral Fo rce Be t w e e n  Bolste r and  Side-Frame  of K5 Tr uck   There is a spring pla n k b e twee n two side frame s  in K5 truck, and  the bol ste r   sprin g   force s   are  transmitted  to  side  fram es by it. The j o ints that  be tween  sp ring  plan k an d  side   frame s , between si de fra m e ped estal  and be arin g  adapte r  are a ll rotational jo ints. So, the two  side fra m e s  can swing at the sam e  time . The maximum angle is 3  degree [8]. Figure 3  sh ows  the   swi ng structu r al of K5.      A B C D E F y l 0 M as g/2 F y α F E D ( A ) C ( B ) M as g/2                                           (a)          (b)    Figure 3. Dia g ram of si de frame s  for  swi ng motion tru c k      A~ D a r e th e joints b e tween si de fra m e ped estal  and be arin g  adapte r ; E, F are the  joints betwee n  sprin g  plan k and sid e  fra m es. The dot  line in Figure 3  (b) is the p o sition when  th e   s i de frames  swing to left. As s u me that it is  the  s t ruc t ural balanc e   pos itio n, s o  the equation can  be derive d :     y l g M l y g M g M g M F as as as as y 0 0 4 4 　 sin 4 tan 4  (1)     define  ' 0 4 as y Mg K l ， then  equation (1) i s :    y K F y y '  (2)     Whe r e,  as M is t he sprun g  mas s  of  car / kg;   is the swing an gle of side frame / degree;  y is the late ral  displ a cement  of E, F / m;  0 l is the ve rtical  distan ce  of two  swi ng p o i n ts / m;  ' y K  is  the cal c ulate d  stiffness.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1278 – 1 283   1281 The swin g m o tion of sid e  frame is  equ al to a sp ring  which ha s la teral stiffne s s. When   the swi ng an gle of side frame is le ss than 3 de gree , the sprin g  stiffness is  th e  seri al of bolster  spri ng lateral stiffness and the calc ulate d  stiffness of side fram e sw ing motion.  It is the  first step  lateral stiffness,     ' ' y y y y S K K K K K  (3)     Whe r e,  S K   is the se rial lateral stiffness (one si de) /  N m- 1 ;   y K   is the bolste r  sp ri ng   lateral  stiffne ss (one side ) /  N m-1.   There will be only lateral stiffness of bolst er sp ring when the swin g angle of side-fram e   is 3 de gre e ; it is the se co nd step l a teral stiffness which i s y K . Af ter that, if the b o ls ter  k e eps  moving lateral, the bolster block  will contact the spri ng plank even tually, which i s  rigid  contact. It  can b e  expre s sed a s  a hi gh stiffne ss  spring. A tabl e  is built in clu des the th re e  step s of late ral  displ a cement  and fo rce in  the virtual  model. Fig u re4 dem on strates late ral f o rce  cha r a c teristi c   curve fo r sid e  frame and b o lster of K5.                   Figure 4. Lateral force  cha r acte ri stic curve for K5           Figure 5. Virtual gon dola  car sy stem mo del interfa c e       The virtual g ondol a ca r system model i s  built  by the  combi nation  of compo nent s, joints  and force el e m ents (se e  Fi gure  5). The  virtual m odel  inclu d e s  twen ty rigid bodie s , one  car  bo dy,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Lower Cro s s-Braced Truck and Swing M o tion Tr u c k Have  Different  Effect… (Ch a o  Che n )  1282 freight, two b o lsters, four  side frame s , ei ght axle  boxes and fou r  wh eel set s . There are sixty-ni ne  force el eme n ts ba sed o n  the nonlin ear  re lations.       4. Running  Conditio n  an d Loading Condition   Four runnin g  condition s a r e set for si mulation accordin g to the Code for Desig n  of  Rail way Line  [9]. The four lines are the Fi rst Gra d e  track of Chi nese railroad  and use AAR5  track irregula r ity, as there is  not track  irre gula r ity powe r  spe c tru m  density for the First Grade   track in  Chi n a, and th e p e rmit runni ng  velocity of t he First G r a d e tra c k is  al most the  sa me as   AAR5 [10] [1 1]. Table 1 shows the run n ing co nditi o n s. The ca r p a sse s  the curves with bala n ce   spe ed.       Table 1. Ru n n ing conditio n s  Curve Radius/m   Super elevation/ mm  Spiral Curve/m   Balance Speed/km·h - 1   1600  90 190  110  1200  100 190  100  800 90  180  80  600 110  120  75      All the  virtual model s use the same loa d  conditi on: Fu ll load 70t, th e center of gravity o f   the freight is  on the center of  car body, and the heigh t of center of   gravity of loa ded ca r is 2000   mm.      5. Simulation Resul t s   The sampli n g  rate i s  10 0 H z  duri ng  si mulation to e n su re the  preci s ion  and  efficien cy.  Figure 6 and  Figure 7  sho w  the simul a tion re su lts of  the L/V Ratio and Wheel  Load Re du ction  Ratio whe n   t he  mo del s  p a ss  different curve s . C70 gond ola ca r whi c h use s  the lowe r cro s s- bra c ed  tru ck  has  high er  L/V Ratio, but  C70 H  g ond ol a ca r  whi c h u s e s  the  swi n g  motion tru c k  has  the  high er Wheel  L oad Redu ction Rati o.  The  lo we r cross-brace d  tr u ck ha s highe r  dia m o n d   resi stant ri gid i ty to reduce  hunting, but t he attack  an g l e and late ral  force to  rail a r e greate r  wh en   the tru ck  pa ssing  a curve.  It leads to  highe r L/ V Ratio. The  swi ng motio n  truck ha s  sma ller  lateral stiffne ss which lead s to a larger l a teral di spla cement of car  body, so the cente r  of gra v ity  of loaded  car  has a la rge r  l a teral di spla cement and  re sult in a larg e r  whe e l load  redu ction.                   Figure 6. L/V Ratio of different curve s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1278 – 1 283   1283     Figure 7. Wh eel Loa d Re d u ction  Ratio o f  different curves      6. Conclusio n   In this wo rk,  the gond ola  cars  C70 a n d  C70 H ’ s  top o logy frame w orks a r e  stud ied and  virtual model s are built in  SIMPACK.  The K5 swin g motion tru c k’s late ral fo rce is  cal c ulat ed  equivalent to  a spri ng which has th ree st eps of stiffne ss.    The si mulatio n  is cond ucte d unde r the  same lo a d ing  con d ition but  four different runni ng   con d ition s . The simulatio n  result s indicate that C70 gondola car which u s e s  the lower  cro s s- bra c ed  tru ck  has  high er  L/V Ratio, but  C70 H  g ond ol a ca r  whi c h u s e s  the  swi n g  motion tru c k  has  highe r Wh eel  Load Redu ct ion Ratio u n d e r sa me cond ition.        Referen ces   [1]    Yu Shim ing, Y ang  Dan hu, W ang W u jia n.  Su rvey on  deve l o p ment of ra ilw a y  freight cars  in  our co untry .  Roll in g Stock. 200 6; 44: 9-13.   [2]   Ham  YS.  Measurin g and a n a l ysis of derai l m ent coefficie n ts  of sw ing moti on bo gie for ra ilw ay freigh t   car . Proceedings of the KSPE Autumn  Conf erence. 20 03; 130-133.   [3]    Beom-G yu Eo m, Hi Sun g  L ee. Assessme n t of r unn in g safet y  of  rail wa y   v e h i cles us ing  m u ltib od y  dy nam ics.  Internatio nal J ourn a l of Precis i on  Engi neer in g an d Manufactur i n g . 2010; 1 1 (2): 315- 320.   [4]    Che nLe i, W a n g Xinr ui. Ana l ys is on the d y n a m ics  performa nce of the frei ght  car ne gotia ting the sma l l   radi us curve at  lo w  s p e ed.  Ch ina R a ilw ay Sci ence . 20 09; 30 (6): 84-90.   [5]    Miao B i ngr on g, F ang  Xi an ghu a, F u  Xiuton g.  SIMPACK dynamics analys is  tutorial . Press  of South w e s t   Jiaoto ng U n ive r sit y , Che n g du,  2008.   [6]    Miao Bin g ron g , Luo Ren, Yan g  Guang w u , et al.  SIMPACK d y na mics an aly s is advanc ed tutoria l . Press  of South w est Ji aoton g Un ivers i t y , Ch eng du, 2 010.   [7]    Che n  Ch ao, H an Me i, Z han g  Li yu an, et a l . Stud y of re as ona ble  he ig ht of turnin g rack  for goo d s   transporte d b y  fi ve  w a g ons b a se d on SIMPACK.  Journal of System  Sim u lation . 2 010; 22: 3 016- 3 019.   [8]    Yan Junm ao, F u  Maoh ai.  Veh i cle en gin eer ing . China R a il w a y Pu blis hin g  H ouse, Bei jin g. 200 8.  [9]    Chin a’s Mi nistr y  of Ra il w a y .   C ode for Des i g n  of Railw ay Li ne . GB50090- 99. 199 9.  [10]   Han  M e i.  Stud y on th eory a n d  ap plic atio n o f   railw ay  out- o f-gau ge goo ds transport . Bei j i ng Ji aoto n g   Univers i t y , Be ij ing. 20 06.   [11]    Luo Z h en, Z h a i  W anmin g, et  al. D y nam ics  Mode l of Sla b  T r ack Subjecte d to Movin g  V ehicl e a nd Its  Verification.  Jo urna l of the Chi na Ra ilw ay So ciety . 2010; 3 2 ( 4): 70-73.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.