200 km/h八軸客運電力機車軸重轉移分析

呂凱凱　王開云　張志和

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室　四川成都　610031；

2.大同電力機車有限責任公司技術中心　山西大同　037038)

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200 km/h八軸客運電力機車軸重轉移分析

呂凱凱1王開云1張志和2

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室四川成都610031；

2.大同電力機車有限責任公司技術中心山西大同037038)

摘要：針對一種新型的200 km/h八軸客運電力機車，建立了軸重轉移計算模型。利用該模型計算其軸重轉移，與動力學軟件在準靜態條件下的仿真結果進行對比，并分析影響機車軸重轉移的因素。研究表明，該機車第一、二軸為減載，第三、四軸為増載，且第四軸増載最大，増載6.28%，第一軸減載最大，減載6.28%；模型計算結果與動力學軟件仿真結果相差0.8%；機車牽引電機采用架懸方式能有效減小機車軸重轉移，相比電機采用軸懸方式，機車軸重轉移減小5.77%；該機車最優牽引點高度為260 mm；減小電機前后懸掛點之間的縱向跨距能有效提高機車黏著重量利用率。

關鍵詞：機車軸重轉移電機架懸電機軸懸牽引高度黏著重量

軸重轉移又稱為軸重再分配，對機車黏著重量的利用產生不利影響，并降低機車牽引力的利用。軸重轉移產生的原因是：當機車牽引列車過程中，作用在機車上的輪軸牽引力與車鉤牽引力不在相同高度，在機車上形成一個力矩，使機車產生一個扭轉角度，作用在前后轉向架每軸的載荷就變得不均勻，有的増載，有的減載。另外，牽引電機在輸出扭矩的過程中，由于某些傳動機構的工作原理，也會對機車軸重轉移產生一定的影響，但機車總的黏著重量是不變的[1-2]。

隨著列車發展的高速化和重載化，對機車的黏著利用提出更高的要求，盡可能大的利用黏著重量，即盡可能小的減小機車軸重轉移。通過研究發現，在提高機車黏著重量利用上主要有兩方面的措施：一是通過對機車結構進行優化，二是采用電氣補償。現代機車為了保證黏著重量的利用，通常會在保證黏著利用率大于90%的條件下，再輔助以電器補償，使黏著利用率達到95%以上[3-4]。

機車牽引電機的懸掛方式主要有軸懸式、架懸式、體懸式3種，相應的機車軸重轉移計算方法也有所不同。文獻[1]對牽引電機軸懸式機車軸重轉移計算進行了詳細分析，陳石華等對八軸機車的軸重轉移進行了計算[5]，王玨等運用動力學仿真的手段計算了機車的軸重轉移[6]。隨著機車速度的提高，現代機車牽引電機越來越多地采用架懸方式，電機全部懸掛在構架上，與軸懸式電機驅動有很大的差異。因此在軸重轉移的計算上也會明顯不同[7-10]。

本文針對新一代200 km/h八軸客運電力機車建立了電機架懸式機車軸重轉移模型，利用該模型計算機車軸重轉移，并運用SIMPACK動力學軟件在準靜態條件下仿真其軸重轉移，驗證所建立模型的可靠性。利用建立的模型，分析影響機車軸重轉移的因素，主要包括牽引電機懸掛方式、牽引點高度、電機懸掛點縱向距離等。

1計算模型

200 km/h八軸客運電力機車車軸重約為18 t，采用2(B0-B0)軸式，每臺機車由雙節機車重連，二系懸掛位于構架縱向中心，驅動電機采用架懸式。該機車前后兩節受力及軸重轉移情況相同，因此僅以第一節機車為例分析其軸重轉移，圖1給出了該節機車軸重轉移計算模型簡圖。

對機車前后構架進行受力分析，如圖2、圖3所示。

圖中符號說明：軸距l，車輛定距L，車輪直徑D，每軸一系懸掛左右垂向剛度之和K1，每軸二系懸掛左右垂向剛度之和K2，每軸牽引力F，車鉤高度H，牽引點高度h，電機輸出扭矩M，電機轉矩中心到左懸掛點的距離X1，電機轉矩中心到右懸掛點的距離X2，電機左懸掛點到構架中心的距離S1，電機右懸掛點到構架中心的距離S2。

圖1　機車軸重轉移模型

圖2　前構架受力分析示意圖

圖3　后構架受力分析示意圖

設Q1，Q2，Q3，Q4為第一軸到第四軸每軸軸箱彈簧增載值。G1，G2為轉向架旁承彈簧(二系懸掛左右兩個彈簧之和)増載值，α1，α2，α分別為前后構架及車體的傾角。因為車體向左行駛，故輪對受到逆時針的驅動力矩，根據齒輪傳動關系可以判斷出電機輸出力矩的方向，經過判斷該機車電機輸出力矩方向為順時針，故各電機懸掛點力的大小為P1=MX1,P2=-MX2,P3=MX2,P4=-MX1,P5=MX1,P6=-MX2,P7=MX2,P8=-MX1，力的方向向上為正方向，向下為負方向。

根據一系、二系彈簧變形條件可以得到方程(1)-(3)：

Q2=Q1+2K1lα1

(1)

Q4=Q3+2K1lα2

(2)

(3)

根據車體受力可得方程(4)-(5)

G1+G2=0

(4)

2LG2=4F(H-h)

(5)

根據前構架受力可得方程(6)-(7)

G1+Q1+Q2=P1+P2+P3+P4

(6)

Q1l-Q2l=P1S1+P2S2-P3S3-

P4S4+2F(h-D/2)

(7)

根據后構架受力可得方程(8)-(9)

G2+Q3+Q4=P5+P6+P7+P8

(8)

Q3l-Q4l=P5S1+P6S2-P7S3-

P8S4+2F(h-D/2)

(9)

根據公式(1)-(9)可以求得第一軸到第四軸每軸軸箱彈簧増載值Q1,Q2,Q3,Q4，其數值大小即代表第一軸到第四軸的增減載值，符號上“+”代表減載，“-”代表増載。

2計算分析

參照200 km/h八軸客運電力機車實際參數，利用上節建立的計算模型計算機車各軸增減載值，結果如表1。表1同時給出了運用SIMPACK動力學軟件在準靜態條件下(速度為5 km/h)的軸重轉移仿真結果。

表1　軸重轉移計算結果

從表1可以得到，200 km/h八軸客運電力機車采用計算模型得到的最大軸重轉移為6.28%，且第一、二軸減載，第三、四軸増載，與運用SIMPACK動力學軟件在準靜態條件下仿真得到的結果基本一致，最大軸重轉移相差僅0.8%。

3軸重轉移影響因素

為了探明電機架懸式機車軸重轉移的影響因素，從牽引電機懸掛方式、一系懸掛垂向剛度、二系懸掛垂向剛度、牽引點高度、電機懸掛點縱向跨距5個方面進行分析。經計算分析，圖1形式的機車二系懸掛位于轉向架縱向中心，故軸重轉移受一系懸掛垂向剛度、二系懸掛垂向剛度影響很小，而牽引電機懸掛方式、牽引點高度與電機懸掛點縱向跨距對機車軸重轉移的影響明顯。

3.1牽引電機懸掛方式影響

為了分析牽引電機懸掛方式對機車軸重轉移的影響，在200 km/h八軸客運電力機車參數的基礎上，只改變牽引電機的懸掛方式，其他參數保持不變，計算牽引電機架懸與軸懸兩種方式對機車軸重轉移的影響。電機軸懸式機車軸重轉移計算方法根據文獻[1]中軸重轉移的計算方法改進而來。計算結果如表2所示。

表2　兩種電機懸掛方式下機車軸重轉移計算結果

由表2計算結果可以看出，牽引電機懸掛方式對機車軸重轉移影響明顯。與牽引電機軸懸相比，電機架懸能有效減小機車軸重轉移，減小5.77%。因此，為了有效利用機車黏著重量，在電機懸掛方式上盡量采用架懸方式。

3.2牽引點高度影響

機車原牽引點高度為h=350 mm，計算不同牽引點高度條件下機車的最大軸重轉移，隨牽引點高度的變化，機車最大軸重轉移的變化趨勢如圖4所示。

圖4　軸重轉移隨牽引點高度變化趨勢

圖4表明，當牽引點高度在一定范圍內降低時，機車軸重轉移明顯降低，當牽引點高度降低至260 mm時，機車軸重轉移達到最小值(4.77%)，當牽引點高度再降低時，機車軸重轉移反而升高。因此，在該機車參數下，機車牽引點高度為260 mm時，機車軸重轉移最小，即黏著重量利用率最高。對電機架懸式機車來說，機車軸重轉移并不總是隨牽引點高度的降低而減小，存在最優牽引高度。

3.3電機懸掛點跨距影響

不改變電機質心的條件下，同時增大或減小前后懸掛點距轉軸中心的距離，計算不同電機懸掛點縱向跨距對機車軸重轉移的影響，軸重轉移隨電機懸掛點縱向跨距的變化趨勢如圖5所示。

當前后懸掛點之間的縱向跨距改變時，機車軸重轉移會發生明顯變化，縱向跨距越小，機車軸重轉移越小。但小的電機懸掛跨距又會降低電機懸掛的穩定性，所以在保證電機懸掛穩定性的前提下，適當減小電機懸掛點之間的跨距，能有效提高機車黏著重量利用率。值得注意的是，該機車在電機前后懸掛點之間的跨距保持不變，僅改變懸掛點的位置，使電機前后懸掛點到電機轉軸中心距離相同時，軸重轉移為4.45%，也有一定程度的減小。

圖5　軸重轉移隨懸掛點距離變化趨勢

4結論

(1)針對200 km/h八軸客運電力機車，建立了電機彈性架懸的軸重轉移計算模型，計算了200 km/h八軸客運電力機車軸重轉移，第一、二軸減載，第三、四軸増載，軸重轉移最大為6.28%。

(2)模型計算結果與運用SIMPACK軟件在準靜態條件下的仿真結果相差不大。

(3)其他參數相同的條件下，機車電機采用架懸式比采用軸懸式軸重轉移要小得多。

(4)該機車軸重轉移并不是隨牽引點高度降低而一直減小，牽引點高度為260 mm時，黏著重量利用率最高。

(5)在保證電機懸掛穩定性前提下，適當減小電機前后懸掛點的縱向跨距，能有效提高黏著重量利用率，電機懸掛點到電機轉軸中心的距離相同時，機車軸重轉移也有一定程度的減小。

參考文獻

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Axle-load Transfer Analysis of 200 km/h Eight-axle

Passenger Electric Locomotive

LV Kai-kai1, WANG Kai-yun1, ZHANG Zhi-he2

(1TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,

Sichuan,China;2TechnicalCenter,DatongElectricLocomotiveCo.,Datong037038,Shaanxi,China)

Abstract:An axle-load transfer model for a new 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is established in this paper. Comparisons between calculation results obtained from the established model and that from the commercial dynamic software under the quasi-static condition are made. Some factors that affect the locomotive axle-load transfer are analyzed. The result shows that the axle-load of the first axle and second axle are reducing, while for the third axle and fourth axle they are increasing. The maximum load-increasing ratio is happened to the fourth axle, which is 6.28 percent, and the maximum load-reducing ratio is for the first axle, which is also 6.28 percent. The calculation result is similar to that by using the commercial dynamic software where the difference is only about 0.8 percent. Compared with the traction motor suspended on wheel-set, the traction motor suspended on frame could reduce the axle-load transfer by about 5.77 percent. The optimal traction height for the 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is 260 mm. Reducing the distance between motor front and rear suspension points can improve the adhesion weight usage of a locomotive.

Key words:Locomotive; Axle-load transfer; Motor suspended on frame; Motor suspended on wheel-set; Traction height; adhesion weight

中圖分類號：U260.11+5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-8755(2015)04-0025-04

作者簡介:呂凱凱(1990—)，男，碩士生，研究方向為大系統動力學。E-mail:lvkais@163.com

收稿日期：2015-07-01