動車組靜態稱重調平指導參數研究

楊昕時 王伯銘 張力波

(西南交通大學機械工程學院，610031，成都//第一作者，碩士研究生)

動車組輪(軸)重均衡是保證動車組粘著牽引力和車輛運動性能正常發揮的必要條件。稱重試驗是動車組編組前的最后一道工序。《CRH2A、B、E 型動車組三級檢修規程》規定：動車組單輛靜態稱重檢測輪重差時，差值應小于等于4%[1]。若輪重差不滿足要求，可通過調節空氣彈簧高度調整閥以及在一系彈簧處加設調整墊片來調整。目前的動車組稱重調平是在人工經驗指導下完成的，缺乏理論指導。如：文獻[2-3]分析了稱重工藝的影響因素，根據現場數據總結了調整輪重差的經驗原則，并增加了預調整工藝。文獻[4]根據經驗從工藝角度總結了現場輪重差調整方法，該調整方法存在一定的隨機性和盲目性，未能從根本上提出解決方案。文獻[5-7]分別研究了輪重調整方法和車體稱重方法，研究中尚未將由單個位置調整對整車帶來的影響進行量化，僅得到了經驗性的指導方案。文獻[8]分析了在轉向架單個位置加設墊片對其他位置的影響，但并未得出指導調平的理論規律，最終都要依靠算法尋找最優解。

本文通過建立動車組單輛車整體稱重理論模型，分析得到稱重調平的理論規律，提出了3個調平指導參數以及高度調整閥調平條件，并結合現場數據驗證了理論規律的正確性。應用此理論指導現場稱重，可以有效避免工人的盲目操作，顯著提高了現場稱重效率，為計算機編寫計算動車組單輛車整體稱重調平程序提供了必要的理論支持，同時亦為稱重調平的數字化智能化提供了指導方向。

1 現行動車組單輛靜態稱重過程

將車輛推置于稱重軌上，稱重軌上有8個載重臺，載重臺將輪對舉升，通過傳感器測得各輪重，根據輪重數據指導工人進行調平。調平的方法有兩種：一種是在軸箱彈簧處加墊片，一種是調節空氣彈簧高度調整閥。由于在軸箱彈簧處加設墊片的操作復雜，因此優先通過調節空氣彈簧高度調整閥來調整輪重。工人打開一輛車對角的空氣彈簧高度調整閥來調節輪重，輪重數據實時顯示在控制室，當輪重差符合要求后，停止調節；若不能調平，則在軸箱彈簧處加設墊片，再調節空氣彈簧高度調整閥來調平輪重，如此重復直到調平，若始終不能調平，則該車不合格。

2 動車組靜態稱重理論模型

2.1 車體垂向受力模型

車體支撐于4個空氣彈簧上，其垂向受力簡化模型如圖1所示。

注：2L——空氣彈簧縱向間距；2H——空氣彈簧橫向間距；N1，N2，N3，N4——空氣彈簧支撐力；P——車體所受的重力；ΔX,ΔY——分別為x方向和y方向車體重心偏離形心的距離

圖1 車體垂向受力模型

車體所受的支撐力通過調節空氣彈簧高度調整閥進行調節，4個支撐力能夠調節到的最好狀態為載荷最平均分配狀態[5]。車體4點載荷調整時，其規律為對角相同，即1位空氣彈簧垂向支撐力增大，則對角的4位空氣彈簧支撐力也增大，并且增大量相同；另一對角上空氣彈簧2、3位的垂向支撐力減小，且減小量與1、4位增大量相等[8]。因此，通常情況下，車體所受的4點支撐載荷如式(1)。

(1)

其中，ΔN(k,h)為與4個空氣彈簧狀態有關的偏差載荷，可通過調節空氣彈簧高度調整閥進行調節，當調整至零時即為載荷最平均分配狀態。

2.2 轉向架垂向受力模型

將轉向架分為構架和輪對，構架的垂向受力模型如圖2所示，輪對的受力模型如圖3所示。

注：2a——軸距；2b——軸箱彈簧的橫向間距；G——構架所受的重力；ex1,ey1——分別為x方向和y方向構架重心偏離形心的距離；F1,F2,F3,F4——分別為不同輪對對軸箱的支撐力

圖2 構架垂向受力簡圖

注：GW——輪對所受的重力；2W——輪對的滾動圓中心距；F1W,F2W——軌道對輪對的支撐力

圖3 輪對垂向受力簡圖

根據構架及輪對垂向受力可列出靜力學平衡方程，結合4個軸箱變形協調條件可求得轉向架4個輪輪重大小FWi(i=1,2,3,4)，如式(2)所示。

(2)

式中：

li——軸箱彈簧的初始長度(i=1,2,3,4)；

c——軸箱彈簧的垂向柔度，即剛度的倒數。

本文假定所有軸箱彈簧的垂向剛度相同且保持不變。

3 調平指導參數的確立

結合式(1)和式(2)可得，一軸的輪重偏差為：

(3)

同理，可分別列出二軸、三軸、四軸的輪重偏差。

則車輛稱重時的輪重偏差可分為以下3部分：

(1) 由空氣彈簧引起的偏差ΔS。這部分偏差可以通過調節空氣彈簧高度調整閥的方法來減小。

(2) 由軸箱彈簧引起的偏差ΔB1與ΔB2。根據彈簧串聯定律可知，將一個剛度為K、原長為L1的彈簧與一個剛度無窮大、原長為L2的彈簧串聯，串聯后的彈簧剛度為K，原長為L1+L2。因此，在軸箱彈簧處加設墊片，等效于改變軸箱彈簧的原長。因此，這部分偏差可通過在軸箱彈簧處加設墊片來減小。

(3) 由車輛重心橫向偏心引起的偏差ΔPy1和ΔPy2，這部分偏差不能通過上述調平方法減小。

令：

(4)

將輪重偏差控制在4%以內，則：

|ΔB1|+|ΔS+ΔPy1|≤4%

(5)

|ΔB2|+|-ΔS+ΔPy2|≤4%

(6)

車輛稱重時，希望僅通過調節空氣彈簧高度調整閥便能調平，同時要考慮在軸箱彈簧處加設墊片。當僅調節高度調整閥時，ΔS為變量，所以式(4)和(5)所組成的方程組有解時，便說明只調節高度調整閥就能調平。

令：

(7)

將|ΔB1|、|ΔB2|和Δ命名為調平指導參數，則高度調整閥調平條件為:

(8)

當滿足上述高度調整閥調平條件時，僅通過高度調整閥即可調平；若不能同時滿足，則需分別在前后轉向架軸箱彈簧處加設墊片來減小|ΔB1|和|ΔB2|，從而使調平條件滿足要求。由于|ΔB1|和|ΔB2|分別能反映前、后轉向架的調平情況，為了節約調平時間，降低工藝難度和復雜度，當需要在軸箱彈簧處加設墊片時，工人希望盡量只在一個轉向架的軸箱彈簧上加設。為此，可以先比較|ΔB1|和|ΔB2|的大小，再進一步計算能否通過只減小|ΔB1|和|ΔB2|中較大者來滿足高度調整閥調平條件。

4 實例分析

通過車輛現場稱重可以得出8個車輪的輪重，然后根據輪重可算得3個調平指導參數值。

表1列出了多輛車現場稱重數據，并計算出了上述三輛車在稱重過程中的調平指導參數(見表2)，計算結果證明了理論的正確性。第一輛車調平時發現只調高度調整閥不能夠調平，然后在后轉向架加設墊片才將車輛調平；第二輛車由于不能只通過調節高度調整閥調平，因此通過在前后轉向架上加設墊片，才調平了車輛；為了驗證理論的正確性，對于不能只通過調高度調整閥調平的第三輛車進行重心調節，通過調節車體上的配重塊，將車體重心向中心移動，當高度調整閥調平條件滿足時，再調節高度調整閥，結果證明此時確實不需在軸箱彈簧處加設墊片便能調平。由表1和表2可知：

(1) 根據理論，|ΔB1|和|ΔB2|與轉向架軸箱彈簧的狀態有關，其值可分別通過在前后轉向架軸箱彈簧處加設墊片來改變，與高度調整閥調節無關。而在車輛實際稱重中，只調節高度調整閥時，兩個參數都有一定的變化，這是由于測量數據時車體并未穩定以及稱重臺測量誤差引起的，其改變的大小遠遠小于在軸箱彈簧處加設墊片引起的變化值。

(2) 第一輛車不能只通過調高度調整閥調平的原因是，車輛不平是由后轉向架的不平造成的。在后轉向架上加設墊片，當滿足了高度調整閥調平條件后調節高度調整閥便能夠調平。

(3) 第二輛車的前后轉向架已經比較平，但是由于整輛車重心橫向偏心大，導致不滿足高度調整閥調平條件，于是還需在前后轉向架上加設墊片，當滿足高度調整閥調平條件后，便可通過調節高度調整閥調平。

(4) 第三輛車起初不能通過調節高度調整閥調平，經計算，發現其原因是重心偏差相對于第二輛車而言較小。為了驗證理論的正確性，通過調節車體上的配重塊，將車體重心向中心移動而不在軸箱彈簧處加設墊片，當高度調整閥調平條件滿足時再調節高度調整閥，結果證明此時確實不需在軸箱彈簧處加設墊片便能調平。

表1 多輛車現場稱重數據統計表

表2 調平指導參數計算表

5 結論

本文通過建立動車組單輛車整體稱重模型，提出了3個調平指導參數以及高度調整閥調平條件。3個調平指導參數分別反映了影響動車組單輛車整體稱重調平的3個獨立因素：前轉向架不平、后轉向架不平以及車輛重心偏心。結合現場數據驗證了高度調整閥調平條件的正確性。在此基礎上可以利用調平指導參數來進行判斷，并明確指出應在轉向架加設墊片以滿足調平條件。應用此稱重調平規律和3個調平指導參數以及高度調整法調平條件來指導車輛現場稱重，可以有效避免工人的盲目操作，顯著提高車輛現場稱重效率，還為計算機編寫計算動車組單輛車整體稱重調平程序提供了必要的理論支持，同時也為車輛稱重調平的數字化、智能化提供指導方向。