33 t軸重重載機車軸重轉移研究*

伍泓樺， 鄒瑞明， 馬衛華

(西南交通大學　牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031)

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綜合技術研究

33 t軸重重載機車軸重轉移研究*

伍泓樺， 鄒瑞明， 馬衛華

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031)

提高重載機車黏著利用率的重要措施是有效減少軸重轉移。總結研究軸重轉移的傳統方法，并從靜力學觀點出發，分析33 t軸重重載機車的軸重轉移原理。運用SIMPACK軟件建立重載機車多體動力學模型，通過動力學仿真的方法分別分析浮動中心銷牽引裝置牽引點高度、懸掛參數和二系橡膠堆布置方式對機車黏著利用率的影響。研究結果表明：機車最佳牽引高度為0.62 m；保證牽引點高度一定，機車的黏著利用率隨一、二系垂向剛度的增大先增大后減小；對稱布置和非對稱布置的二系懸掛橡膠堆對應的機車黏著利用率有一定區別。

重載機車； 軸重轉移； 懸掛參數； 最佳牽引高； 動力學仿真

黏著利用率是機車研發過程中大家所關心的主要問題之一，這點對于大功率重載貨運機車而言尤為重要，大功率貨運機車需要有足夠的牽引力來滿足大噸位貨物列車起動所需的牽引力，同時，隨著機車功率和軸重的不斷增大，黏著利用率問題也顯得越來越突出[1-2]。提高機車黏著利用率的重要措施是有效減少軸重轉移。在常規的機車設計和校核中，通常使用靜力學計算[3-8]和試驗測試[9-10]的方法得到軸重轉移數值，其中試驗測試方法的成本較高。軸重轉移的靜力學計算是根據機車的結構參數，運用MATLAB等數學軟件聯立求解方程組得到軸重轉移數值，計算工作較為復雜[11-12]。靜力學計算往往建立在以下假設前提下：①機車處于靜止狀態，在垂直靜載作用下，各軸的軸重相等；②忽略了二系懸掛縱向剛度對牽引力傳遞的作用；③僅考慮一系和二系懸掛裝置的彈性，認為其他部件如車體和構架等是不變形的剛體；④參考系是二維平面，認為內外輪的荷重相等，忽略輪軌動作用力引起內外輪荷重不等的因素；⑤忽略機車加速度對軸重轉移的影響[13-14]。事實上，這些假設與實際情況是有差異的，計算模型沒有真實反映出機車的實際受力狀態，使計算精度受到了影響。利用SIMPACK軟件建立空間耦合的機車動力學模型，既可以研究機車的動力學性能，也可以研究機車在各種工況的軸重轉移現象，使計算更加方便、準確，為33 t大軸重機車結構參數的設計提供參考[14]。

1　重載機車轉向架介紹及動力學模型的建立

1.1重載機車轉向架介紹

以某33 t軸重機車轉向架為研究對象，其結構如圖1所示。

圖1　33 t軸重機車轉向架基本結構布置圖

33 t大軸重機車總重198 t，采用2C0軸式，每個轉向架具有3根獨立驅動的車軸，并采用目字形焊接式構架。一系懸掛采用鋼圓彈簧加端軸垂向減振器方式，軸箱定位采用單拉桿式定位裝置。車體與轉向架之間采用中心銷牽引方式傳遞縱向力。二系懸掛系統采用橡膠堆支承的結構方式，每個轉向架包括4個橡膠堆，分別于構架橫梁對稱布置。同時每個轉向架還設置有1個橫向減振器和2個抗蛇行減振器，制動方式采用踏面制動。車輪采用JM3型磨耗踏面，鋼軌采用75 kg/m鋼軌，輪軌總間隙15.8 mm，輪緣厚度34 mm，輪緣高度28 mm，qR值10.27 mm，軌底坡1:40。

機車的牽引裝置對其黏著利用率有著至關重要的影響，該型機車的牽引方式采用浮動中心銷牽引，牽引裝置如圖2所示，主要由中心銷、牽引座、牽引箱蓋、牽引緩沖墊、尼龍襯套和橫向止擋等部件組成，在保證機車縱向力傳遞的同時，還允許車體相對轉向架有適當的橫移和轉動。本文研究的牽引點高度均針對浮動中心銷牽引裝置而言。

1-中心銷; 2-尼龍襯套; 3-牽引座;4-橫向止擋; 5-托架;6-支撐架。

圖2機車牽引裝置示意圖

1.2重載機車動力學模型

根據大軸重機車的實際結構和懸掛參數，利用SIMPACK動力學仿真軟件對33 t大軸重機車進行了多體動力學建模。該模型主要由以下剛體組成：1個車體、2個轉向架、6個輪對、6個電機、6個電機吊桿，共包含60個自由度。為了確保仿真的準確性，對于機車中的彈簧、減振器等部件均按實際結構參數進行建模，并對模型中存在的非線性環節進行了充分的考慮，如輪軌接觸的非線性幾何關系、減振器的非線性特性等。機車多體動力學模型如圖3所示，主要懸掛參數如表1所示。

圖3　機車多體動力學模型

名稱參數名稱參數一系縱向剛度/每軸箱34.29MN/m一系橫向止擋剛度/每軸箱7MN/m一系橫向剛度/每軸箱0.69MN/m二系橫向止擋彈性間隙10.0mm一系垂向剛度/每軸箱1.3MN/m一系垂向阻尼70kN·s/m二系水平剛度/每個0.4MN/m二系橫向阻尼180kN·s/m二系垂向剛度/每個26.1MN/m電機懸掛垂向剛度/每桿4MN/m

2　軸重轉移理論分析

根據機車的結構特點建立如圖4所示的物理模型，借助該模型對機車的受力情況進行理論分析。圖中，P1

圖4　機車軸重轉移的物理模型

～P6分別為第1軸至第6軸每軸軸箱彈簧增載；G1～G4分別為轉向架二系懸掛的增載；α1、α2和α分別為前、后構架及車體的傾角；l為機車軸距；L為機車定距；t為二系橡膠堆距轉向架中心的距離；h為牽引點高度；H為車鉤高度；F為每軸的牽引力；Q為構架對牽引電機的支反力，Q=F·D/2S，D為輪徑，S為電機懸掛處距車軸中心的距離；M為電機支反力所帶來的力矩，M=Q·S。

根據機車懸掛系統變形時的幾何關系可以得出以下方程：

一系懸掛：

(1)

(2)

(3)

(4)

二系懸掛：

(5)

(6)

(7)

式中Kp為一系每軸垂向懸掛剛度；Kg為二系懸掛左右兩橡膠堆的合成垂向剛度。

另外分別對車體、前、后構架為分離體進行受力分析，根據力的平衡關系，可得出以下方程。

車體：

6F(H-h)+G1(L+2t)+G2L+2G3t=0

(8)

(9)

前構架：

(G2-G1)t+3M=0

(10)

G1+G2+P1+P2+P3+3Q=0

(11)

后構架：

(12)

G3+G4+P4+P5+P6-3Q=0

(13)

通過以上13個方程，利用數學軟件可解出P1，P2，P3，P4，P5，P6，G1，G2，G3，G4，α1，α2和α共計13個未知量，從而進一步求解機車的黏著力量利用率。

3　重載機車軸重轉移的動力學仿真

通過動力學仿真的方法分析浮動中心銷的牽引點高度、懸掛參數和二系橡膠堆布置方式對機車黏著利用率的影響，計算工況機車啟動牽引力780 kN，線路為直線，無軌道不平順。

3.1牽引點高度對機車的黏著利用率影響

根據上面的理論分析，牽引點高度對機車的黏著利用率有較大的影響。設牽引點高度的變化范圍為0～1 m，每隔0.1 m計算一次，牽引點高度對機車黏著利用率的影響如圖5所示。

圖5　牽引點高度對機車黏著利用率的影響

牽引工況、車鉤力和輪周牽引力不在同一高度，后部列車作用于車鉤的拉力與輪軸牽引力形成力偶，導致前轉向架減載，后轉向架增載，所以機車的黏著利用率由第1位、第2位和第3位車軸黏著利用率的最小值決定。由圖5可知，機車第1位車軸的黏著利用率隨牽引點高度的增大而減小，第2位和第3位車軸的黏著利用率則隨牽引點高度的增大而增大，且牽引點高度對第3位車軸黏著利用率的影響要大于第2位車軸。若機車的牽引點高度低于最佳牽引高度，機車的黏著利用率取決于第3位車軸的減載量；若機車的牽引點高度高于最佳牽引高度，那么機車的黏著利用率取決于第1位車軸的減載量。因此，機車的黏著利用率隨牽引點高度的增大先增大后減小，機車牽引點的最佳高度為0.62 m，可以保證機車在780 kN起動牽引力的作用下達到94.6%的黏著利用率。理論上，當機車實施牽引作用時，由車鉤力產生的外力矩6·F·H所引起的垂向力能在每一轉向架內得到均勻分配時，機車的軸重轉移達到最小值，對于此33 t大軸重機車而言，其二系懸掛采用4個橡膠堆支承，由于橡膠堆的受力隨車體傾斜而不同，所以若在使垂向力在轉向架上均勻分配，轉向架還應受到一個適當的力矩作用使其保持水平。

3.2懸掛參數對機車的黏著利用率影響

(1)一系懸掛垂向剛度對機車的黏著利用率影響

保證牽引點的高度一定，一系懸掛垂向剛度從0.6 MN/m增加到2.2 MN/m。機車一系懸掛垂向剛度對機車黏著利用率的影響如圖6所示。

根據圖6前轉向架減載，機車第一位車軸的黏著利用率隨一系垂向剛度的增大呈線性減小，第2位和第3位車軸的黏著利用率則隨一系垂向剛度的增大呈線性增大，且一系垂向剛度對第3位車軸黏著利用率的影響要大于第2位車軸。因此，機車的黏著利用率隨一系垂向剛度的增大先增大后減小，當機車的一系垂向剛度為1.1 MN/m時，機車的黏著利用率達到最佳。

圖6　一系垂向剛度對機車黏著利用率的影響

(2)二系懸掛垂向剛度對機車的黏著利用率影響

保證牽引點的高度一定，二系懸掛垂向剛度從10 MN/m增加90 MN/m。機車二系懸掛垂向剛度對機車黏著利用率的影響如圖7所示。

圖7　二系垂向剛度對機車黏著利用率的影響

根據圖7機車第1位車軸的黏著利用率隨二系垂向剛度的增大呈非線性增大，且增大幅度隨二系垂向剛度的增大在減小，第2位和第3位車軸的黏著利用率則隨二系垂向剛度的增大呈非線性減小，且二系垂向剛度對第3位車軸黏著利用率的影響要大于第2位車軸。同樣，機車的黏著利用率隨二系垂向剛度的增大先增大后減小，當機車二系垂向剛度為31.5 MN/m時，機車的黏著利用率達到最佳，當二系垂向剛度大于80 MN/m時，機車的黏著利用率的變化很小。

3.3二系橡膠堆布置方式對機車黏著利用率影響

參考HXN5內燃機車轉向架，將二系懸掛系統的橡膠堆布置方式由4個橡膠堆對稱布置改為3個橡膠堆非對稱布置的的結構形式，如圖8所示。

圖8　非對稱布置橡膠堆的轉向架

保證非對稱布置橡膠堆的機車轉向架的二系懸掛縱向剛度總和與對稱布置橡膠堆的機車轉向架的二系懸掛縱向剛度總和相等。牽引點高度的變化范圍為0～1 m，計算牽引點高度對非對稱布置橡膠堆的機車黏著利用率的影響。計算結果如圖9所示。對比圖5發現二系懸掛橡膠堆的布置方式對機車黏著利用率有較大的影響。對稱布置4橡膠堆方案的最佳牽引點高度為0.62 m，最佳黏著利用率為94.6%，而非對稱布置3橡膠堆方案的最佳牽引點高度升高到0.67 m，最佳黏著利用率達到94.9%。

圖9　牽引點高度對非對稱布置橡膠堆的機車黏著利用率的影響

4　結　論

(1)牽引點高度對采用浮動中心銷牽引裝置的33 t軸重機車的黏著利用率有重要影響，機車第一位車軸的黏著利用率隨牽引點高度的增大而減小，第2位、第3位車軸的黏著利用率隨牽引點高度的增大而增大，牽引點的最佳高度為0.62 m，此時機車黏著利用率達到94.6%；

(2)保證牽引點高度一定，隨一、二系垂向剛度的增大，機車的黏著利用率先增大后減小，當一系垂向剛度和二系垂向剛度分別為1.1 MN/m和31.5 MN/m時，機車的黏著利用率達到最佳；

(3)二系懸掛橡膠堆的布置方式對機車黏著利用率有較大影響。相比對稱布置4橡膠堆方案，非對稱布置3橡膠堆方案的最佳牽引高提高到0.67 m，最佳黏著利用率達到94.9%。

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Research on Axle Load Transfer on 33 t Axle Load Heavy Haul Locomotive

WU Honghua， ZOU Ruiming， MA Weihua

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

A significant method to improve the adhesion availability of heavy haul locomotive is effectively reducing axle load transfer. This paper summarizes the research methods of axle load transfer, and analyzes the principle about axle load transfer on 33t axle load heavy locomotive from the viewpoint of statics. Multi-body dynamics model of heavy haul locomotive is established by SIMPACK. The impact of traction height of floating center pin and suspension parameters and arrangement of rubber compounds of secondary suspension on the adhesion availability of locomotive is analyzed through dynamics simulation. The results showe that: the best traction height is 0.62m. Keeping traction height constant and with the increasing of primary and secondary suspension vertical rigidity, adhesion availability increases firstly and then decreases. There is difference on adhesion availability of locomotive between symmetrical arrangement and asymmetric arrangement of rubber compounds of secondary suspension.

heavy haul locomotive; axle load transfer; suspension parameters; best traction height; dynamics simulation

1008-7842 (2016) 01-0001-05

??)男，碩士研究生(

2015-07-27)

U260.+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.01

*國家自然科學基金(51005190)；四川省科技計劃項目(2012GZ0103)