和諧型電力機車二系懸掛調簧方法分析研究

皮優政

（中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州機務段，廣州 510010）

0 引言

機車輪重分配的均衡性對機車的動力學性能有重要影響，車體上部各項裝設備的對稱排列、轉向架及牽引電動機的對稱分布都是為了使輪重分布均勻[1]。當輪重分配不均時，機車的牽引力和制動力都要受到影響，降低機車的使用壽命和影響行車安全性。導致輪重分配不均的原因有很多，主要包括重要部件加工偏差、車體鋼結構的變形、二系載荷分布不均及檢修完成后重新組裝等。

調簧技術[2]是解決機車二系載荷分布不均影響機車輪重不均的重要途徑。二系載荷調整就是通過改變二系圓簧的彈簧壓縮量，從而調整支撐點的受力大小，使各個支撐點的受力保持均衡。改變彈簧壓縮量主要是對二系圓簧進行加墊或減墊操作，目前的機車調簧技術主要依靠現場工作人員的經驗。由于缺乏理論指導，往往會產生很大的誤差，需要嘗試多次才能達到技術要求。

本文建立了某和諧型機車的二系懸掛靜力學模型，通過對模型的簡化，著重分析了二系載荷對機車輪重不均的影響。文中在傳統的二系圓簧加墊方法上提出了平分對角加墊原則，對傳統的加墊方法進行了優化。通過仿真驗證了優化的合理性，降低了落車后調簧工藝的難度，對實際的調簧工藝具有指導意義。

1 和諧型機車模型簡化分析計算

和諧型電力機車多數是2C0軸列式[3]，其主要由車體、二系懸掛、轉向架、一系懸掛、牽引電動機及輪對組成。二系懸掛采用高圓螺旋彈簧+橡膠墊結構。其結構簡圖如圖1所示。

圖1 2C0軸式電力機車模型

由圖1可知轉向架為“目”字形結構，每個轉向架上有6個二系圓簧，每一側有3個相鄰的二系圓簧，相鄰圓簧間距為t。2個轉向架共12個支撐點構成了一個非常復雜的受力系統，大大增加了二系調簧工藝的難度。為了使計算更加方便，需要將同一側相鄰3個支撐點簡化為1組受力點，機車12個支撐點可以簡化為4組受力點。這樣可以極大簡化機車二系懸掛受力模型[4]。簡化模型一般建立在以下的前提下：1）將構架簡化為一個二維參考平面，車體重心集中在平面一點；2）將二系圓簧面接觸簡化為點接觸；3）忽略構架的彈性形變，認為其是剛體結構；4）忽略二系縱向剛度對構架受力影響。構架受力簡化示意圖如圖2所示。

圖中F1、F2、F3和F4分別代表4組受力點圓簧的支撐力；a為同側兩組支撐點距離的一半；b為同一轉向架兩組支撐點橫向間距的一半；O為構架平面的幾何中心；G為車體上部的總質量；（X,Y）為車體重心在平面上的坐標。設二系圓簧的剛度為k，各組圓簧的剛度相同，則二系圓簧的柔度為C（C=1/k）。4組圓簧的原長為l1～l4，并且4個支撐點始終在同一平面。根據力矩平衡可得方程：

圖2 構架受力簡化模型圖

根據式（5）可以得到F1～F4關于l1～l4的偏導數，即某一組圓簧的長度的改變引起4組圓簧支撐載荷的變化量，其矩陣方程如下：

根據式（6）可以知道，在1位加墊，則1位和4位都會增加相同的力，而2位和3位都會減少相同的力。并且增加的量與減少的量相等，在其他位置也滿足這個規律，這種二系圓簧加墊規律稱之為對角線同增同減規律。由這個規律可知，在某一位置加高度為h的墊片與在對角線位置分別加高度為h/2的墊片效果是一樣的。

2 兩種加墊方法對比分析

二系圓簧調整不僅要考慮載荷分布的均勻性，還要考慮是否對機車的動力學性能產生影響[5]。兩種加墊方法均會引起二系圓簧相互之間高度的間隔差異，這種間隔差異對機車的動力學性能比如輪軌垂向力產生較大影響，加大車體垂向振動幅度，影響機車運行。

假設在1位加高度為h的墊片，4組圓簧的高度隨之會發生變化。設R1～R4分別為4組圓簧加墊后的高度，ΔR1～ΔR4分別為加墊前、后的高度差。各組圓簧剛度相同且都為k，由胡克定律可得：

由上式可知，在1位加高度為h的墊片，加墊后的二系圓簧上升高度為3h/4，對角線的圓簧下降高度為h/4，其他兩位圓簧也上升h/4。假設在1位、4位分別加高度為h/2的墊片，由胡克定律可得：

由上式可知，在1、4位分別加h/2的墊片，加墊后的二系圓簧上升高度為h/4，對角線的圓簧上升高度為h/4，其他兩位圓簧也上升h/4。在總加墊量一定的情況下，第一種方法加墊后圓簧相互之間高度間隙較大，第二種方法加墊后的圓簧相互之間高度間隙為0。因此，在二系載荷較低的對角線位置平分加墊更有利于機車整體的穩定性，減少二系圓簧調整對機車動力學性能的影響。

3 動力學模型仿真驗證

為了驗證上述機車二系懸掛載荷調整理論的正確性及對角線位置平分加墊方法的優越性，利用SIMPACK多體動力學軟件[6]建立完整的機車二系載荷調整模型。該模型包括1個車體、2個轉向架、4個輪對和4個模擬彈簧，模型中通過改變彈簧原長來模擬加墊。動力學模型如圖3所示，模型中參數如表1所示。

圖3 二系載荷調整動力學模型

上述模型建立后，首先測得4個位置的原始載荷，然后進行加墊仿真。只在1 位加墊2 mm墊片，計算仿真結果，在1、4位分別加墊1 mm，計算仿真結果，對兩種仿真結果進行對比分析。只在1位加墊4 mm墊片，計算仿真結果，在1、4位分別加墊2 mm，計算仿真結果，對兩種仿真結果進行對比分析。只在2位加墊2 mm墊片，計算仿真結果，在2、3位分別加墊1 mm，計算仿真結果，對兩種仿真結果進行對比分析。只在2位加墊4 mm墊片，計算仿真結果，在2、3位分別加墊2 mm，計算仿真結果，對兩種仿真結果進行對比分析，如表2所示。

表1 仿真模型主要參數

表2 加墊仿真結果對比分析

由仿真結果可知，二系圓簧調整工藝中，一個位置加墊與對角線平分加墊調整后載荷誤差很小，不到0.1%。仿真結果與上述理論分析基本一致，驗證了二系圓簧加墊過程中對角線同增同減規律的正確性。存在較小偏差的原因可能是仿真分析不僅要考慮二系載荷的垂向剛度，還要考慮二系載荷的橫向剛度，但總體來說誤差在可接受范圍。

為了驗證兩種加墊方法對機車動力學性能的影響，可在多體動力學軟件Simpack中建立機車運行的準靜態工況（速度為5 km/h）。在該工況下，對只在1位加墊2 mm的機車模型進行仿真運動，提取其車體垂向振動加速度動力學參數響應結果，如圖4 所示；對在1、4位分別加墊1 mm的機車模型進行仿真運動[7]，提取其車體垂向振動加速度動力學參數響應結果，如圖5所示。

圖4 1位加墊車體垂向振動加速度響應

對兩種加墊方法仿真結果對比分析，車體垂向振動加速度在幅值和變化趨勢上均存在明顯差異。由圖4可知，只在1位加墊時其車體垂向振動加速度幅值較大且不穩定，說明車體垂向振動幅度較大且振動無規律。由圖5可知，在1、4位平分加墊其車體垂向振動加速度幅值較小且穩定，說明車體垂向振動幅度較小且振動有規律。對角線平分加墊方法更有利于機車整體的穩定性。

通過以上仿真實驗，首先驗證了二系載荷調整對角線同增同減規律的正確性，又驗證了對角線平分加墊更有利于機車運行中整體的穩定性。在二系載荷調整都均勻的前提下，對角線平分加墊工藝更有優勢。

圖5 1、4位平分加墊車體垂向振動加速度響應

4 結語

通過對某和諧型機車二系載荷調簧工藝的理論研究，提出了兩種二系圓簧加墊方法，著重分析了對角線平分加墊方法的優越性。后來在Simpack中建立了多體運動學仿真模型，驗證了理論分析的準確性。對角線平分加墊方法對現場調簧工藝有重要指導意義，提高了調簧工藝的生產效率。