考慮二系懸掛彈簧垂向剛度誤差的機(jī)車預(yù)調(diào)簧工藝

張 宇， 楊曉云， 李吉彬， 李 麗， 倪欣欣

(1 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 江蘇南京 213000；2 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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考慮二系懸掛彈簧垂向剛度誤差的機(jī)車預(yù)調(diào)簧工藝

張 宇1， 楊曉云1， 李吉彬1， 李 麗1， 倪欣欣2

(1 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 江蘇南京 213000；2 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

建立二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對二系載荷分布影響的數(shù)學(xué)模型，分析二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對二系載荷分布的影響。為降低誤差對二系載荷分布的影響，提出二系懸掛彈簧對角配置原則。在Adams中建立仿真模型，將仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果對比分析，驗證了理論分析的正確性。最后，依據(jù)誤差相消設(shè)計理念，提出了機(jī)車預(yù)調(diào)簧工藝對現(xiàn)有調(diào)簧工藝進(jìn)行改善。

二系懸掛彈簧； 垂向剛度誤差； 對角配置原則； 預(yù)調(diào)簧

機(jī)車輪(軸)重分配的均勻性，直接影響到機(jī)車牽引和制動時的黏著性能，并對機(jī)車的動力學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此電力機(jī)車通用技術(shù)條件(GB/T 3317-2006)規(guī)定機(jī)車軸重偏差不應(yīng)超過平均軸重的2%，輪重偏差不應(yīng)超過該軸平均輪重的4%[1]。導(dǎo)致機(jī)車輪重、軸重分配不均的原因是多樣的，其中二系載荷分布不均嚴(yán)重影響機(jī)車輪(軸)重分配，而調(diào)簧技術(shù)是解決這一問題的有效途徑[2]。

所謂機(jī)車調(diào)簧，就是通過改變輪對與車體之間彈性支承點(diǎn)的彈簧壓縮量，來調(diào)整各個支承點(diǎn)的受力大小，使各個支承點(diǎn)載荷盡可能均衡的一種方法[3]。現(xiàn)在機(jī)車調(diào)簧技術(shù)多是落車后通過調(diào)整二系載荷分布，達(dá)到改善輪(軸)重的目的，并沒有嘗試模擬落車前進(jìn)行預(yù)先調(diào)整二系載荷。機(jī)車二系懸掛彈簧的制造工藝復(fù)雜，受限于經(jīng)濟(jì)成本、工藝水平等因素，無法避免垂向剛度誤差的存在。文章考慮通過合理配置二系懸掛彈簧的裝配位置，達(dá)到改善二系載荷分布目的，從而降低落車后加墊調(diào)簧的難度和復(fù)雜度，為最大限度的發(fā)揮車輛牽引性能、制動性能提供更多的可能。

1 二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對二系載荷分布影響

二系懸掛是一個超靜定結(jié)構(gòu)，二系載荷分布會受到多種因素的影響，為方便問題分析，假設(shè)車體的重力為一垂向集中力且二系為4點(diǎn)支撐。以車體為研究對象，如圖1所示，單獨(dú)考慮二系彈簧的垂向剛度誤差，根據(jù)垂向力平衡、力偶平衡及4點(diǎn)共面理論建立二系懸掛彈簧存在垂向剛度誤差時(既誤差狀態(tài))二系支撐的平衡方程：

圖1 誤差狀態(tài)下二系支撐點(diǎn)載荷分布

(1)

式中Fi(i=1、2、3、4) 誤差狀態(tài)下各二系支撐點(diǎn)載荷值,N；

P為車體總重，N；

2L為定距,mm；

2b為二系懸掛彈簧橫向跨距，mm；

ΔX為車體重心在縱向的偏差，mm；

ΔY為車體重心在橫向的偏差，mm；

求解方程組得：

(2)

即為存在垂向剛度誤差時二系載荷分布情況。

車體在水平軌道上靜止，二系懸掛彈簧沒有制造誤差，且二系載荷分布只受到車體重心偏離幾何形心影響的狀態(tài)稱為理想狀態(tài)。此時二系懸掛彈簧剛度都相等，得到理想狀態(tài)下二系載荷分布：

(3)

用ΔFi表示理想狀態(tài)與誤差狀態(tài)下載荷的偏差，也就是二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對車體載荷分布的影響：

(4)

得到結(jié)果式(5)

(5)

很明顯，式(5)中|ΔF1|是相等的，所以，只需針對ΔF1進(jìn)行分析。

2 對角配置原則

生產(chǎn)經(jīng)驗表明，L?ΔX,b?ΔY可得式(6)

(6)

要保證二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對車體載荷分布的影響較小，需要保證C1-C2-C3+C4最小，也就是要求對角位置的二系懸掛彈簧的柔度一個最大，一個最小，另一對角位置的兩個二系懸掛彈簧的柔度處于中間，稱之為二系懸掛彈簧對角配置原則，此時彈簧的配置稱為對角配置。為方便問題求解，不妨設(shè)定一位的二系懸掛彈簧柔度最大，得到對角配置的約束條件式(7)

(7)

二系懸掛彈簧安裝時可以根據(jù)對角配置原則來選擇最佳位置以降低垂向剛度誤差對車體載荷分布的影響。

3 基于Adams仿真的實(shí)例驗證

在Adams里建立仿真模型，仿真模型中車體的基本參數(shù)如表1所示[4]，對應(yīng)的二系懸掛彈簧的垂向剛度誤差如表2所示。

表1 仿真模型車體基本參數(shù)

表2 二系懸掛彈簧垂向剛度誤差

在Adams仿真模型里分別仿真模擬二系懸掛彈簧按照表2所示順序配置(稱之為隨機(jī)配置)時二系載荷與理想狀態(tài)下二系載荷的差距以及二系懸掛彈簧按照對角配置時與理想狀態(tài)下二系載荷的差距，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。因為彈簧阻尼不是無限大，所以仿真剛開始時彈簧會有往復(fù)振動，在圖2以及圖3中表現(xiàn)為前0.25 s內(nèi)存在振蕩， 0.25 s之后基本上達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 隨機(jī)配置時誤差影響仿真結(jié)果

圖3 對角配置時誤差影響仿真結(jié)果

同時，分別計算出二系懸掛彈簧理想狀態(tài)與隨機(jī)配置時二系載荷的差值以及二系懸掛彈簧理想狀態(tài)與對角配置時二系載荷的差值，將理論計算結(jié)果和Adams仿真結(jié)果列在表3中。

表3 二系懸掛彈簧隨機(jī)分配與對角配置時誤差產(chǎn)生的影響 N

從表3可以看出，在二系懸掛彈簧隨機(jī)配置時，其垂向剛度誤差對車體載荷分布影響的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差不超過0.3%；在二系懸掛彈簧對角配置時，其垂向剛度誤差對車體載荷分布影響的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差最大值只有20 N。Adams仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果非常接近，相互印證了分析的正確性。同時，按照對角配置原則裝配二系懸掛彈簧，可以將二系懸掛彈簧垂向剛度誤差對二系載荷分布的影響從4 510 N降低至210 N，改善效果非常顯著，可以極大的緩解落車后加墊調(diào)簧的壓力。

4 結(jié)束語

二系懸掛彈簧的垂向剛度誤差對二系載荷分布的影響比較大，按照二系懸掛彈簧對角配置原則裝配二系懸掛彈簧能顯著降低此影響，從而有效減輕加墊調(diào)簧的負(fù)擔(dān)，文章的理論分析以及Adams仿真結(jié)果都有效的證明了這一結(jié)論。依據(jù)誤差相消設(shè)計理念[6]，利用機(jī)車自身影響輪(軸)重分布的制造誤差相互消除影響來改善機(jī)車稱重調(diào)簧的工藝統(tǒng)稱為機(jī)車預(yù)調(diào)簧工藝。二系懸掛彈簧對角配置原則和數(shù)據(jù)匹配原則[7]都可以歸納為預(yù)調(diào)簧工藝，作為現(xiàn)有加墊調(diào)簧工藝的補(bǔ)充。

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Preset-Spring-Adjustment Technology for Locomotive Considering Secondary Suspension Spring Vertical Stiffness Error

ZHANGYu1,YANGXiaoyun1,LIJibin1,LILi1,NIXinxin2

(1 CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing 213000 Jiangsu, China;2 School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

Build the mathematical model of secondary suspension spring vertical stiffness error influencing load distribution on secondary suspension, and analyze it. In order to reduce the influence of vertical stiffness error on load distribution, principle of secondary suspension spring diagonal configured was put forward. Then simulation model was established in Adams to test the simulation result and theoretical analysis result. Finally, preset-spring-adjustment technology for locomotive was put forward to improve the existing spring-adjusting technology based on the error neutralization principle.

secondary suspension spring; vertical stiffness error; diagonal configured principle; preset-spring-adjustment

男，工程師(

2016-03-30)

1008-7842 (2016) 05-0044-04

U260.331+.4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.09