160 km/h動力集中動車組輪重差調整方法的研究

馮 軒，劉金海，袁 野，劉國鵬，盧宏亮，高偉堯

（1 中車唐山機車車輛有限公司,河北唐山 063035；2 中國鐵路北京局集團有限公司設備監造部 唐山機車車輛監造項目部,河北唐山 063035）

速度160 km/h動力集中動車組是根據中國鐵路運輸和經營發展要求，在充分利用既有線運輸資源和既有客車、機車檢修資源基礎上，創新研制的鐵路客運新型產品。速度160 km/h動力集中動車組短編為9輛編組，1動8拖，可2列重聯運行。該動車組長編為18輛編組，2動16拖，短編和長編最高運營速度皆為160 km/h。該型動車組在動力方面有效解決了長大坡道爬坡動力不足問題，在保證大運量、經濟性的同時，通過對列車旅客界面的優化設計提升了旅客乘車舒適性，亦可實現雙向運行的模式，大幅提高了運輸組織效率。

軌道車輛輪重的均勻分配確保了列車的制動力和牽引力有效地發揮，從而保證了列車的運行性能［1］。TJ/CL 456—2016中對輪重差做出詳細的規定，同軸2個車輪的實際輪重之差不應超過該軸2輪輪重之和的±4%［2］。

稱重試驗是160 km/h動力集中動車組編組前的最后一道工序，需要檢測單車的自重以及剛性輪對質量分布的均衡性［3］。由于車體在設計和制造的過程中會存在一定的誤差［4］，所以落車完之后進行單車靜態稱重時輪下負重會存在一定的偏差，不同于其他動車組，160 km/h動力集中動車組不采取在軸箱簧下加調整墊的方式調整輪重差，而是從車體和轉向架的設計源頭進行把控，因此僅通過調整二系懸掛中空氣彈簧的高度來控制輪重差符合相關的規定。

1 高度閥的工作原理

160 km/h動力集中動車組主要采用LV型高度閥和SAB型高度閥。高度閥的主要作用是維持車體在不同載荷下都與軌面保持一定的高度。由于車輛載荷的變化而引起車體高度的變化，高度閥能夠自動地充入或排出空氣彈簧中的空氣量，使左右側空氣彈簧高度保持基本一致，從而減少車體的傾斜。

高度閥調節空氣彈簧的結構如圖1所示。

圖1 高度閥調節空氣彈簧的結構圖

1.1 LV型高度閥工作原理

LV型高度閥由高度控制機構、進排氣機構和延時機構等部分組成。高度閥的控制機構主要完成進、排氣的控制作用；高度閥的進氣閥低壓側和排氣閥的高壓側（即空氣彈簧側）組成連通的通道，通過控制機構的控制作用，打開或關閉進、排氣閥來完成進、排氣功能；延時機構主要以硅油作為阻尼介質，使得車輛在運行時，空氣彈簧在正常的振動情況下，即空氣彈簧的高度雖有變化，但不發生進、排氣作用，僅是該機構的緩沖彈簧扭轉變形，這樣一方面可以減少高度閥的誤動作，另一方面可以起到節約壓力空氣的作用。LV型高度閥擁有盲區，上盲區h1滿足h1=3~5 mm，下盲區h2滿足h2=3~5 mm，雙側盲區之和h1+h2=6~10 mm，LV型高度閥的結構如圖2所示。

圖2 LV型高度閥結構圖

空氣彈簧在車體載荷增加（減少）時，空氣彈簧的內部壓力會不足（過剩），因而會被壓縮（伸長），此時高度閥會隨著車體降低（增加）高度［5］。這時控制機構的連桿會向上（向下）動作，帶動主軸旋轉，由于延時機構的作用，會在一定的時間后打開進氣閥（排氣閥），空氣彈簧的高度隨之升高（下降），并使連桿逐漸恢復到水平狀態，此時，進氣閥（排氣閥）迅速關閉，空氣彈簧恢復到原來設定的高度。

1.2 SAB型高度閥工作原理

SAB型高度閥由高度閥控制機構和進、排氣機構等部分組成。和LV型高度閥的區別是不帶有延時機構，因此不存在動作的延時作用。SAB型高度閥通過調整桿的上下旋轉來打開或關閉進、排氣閥從而完成進、排氣功能。

當車體處于設定的高度值（320+t）±3 mm（t指空氣彈簧橡膠堆下調整墊的厚度）時，SAB型高度閥即處于中位。進氣閥和排氣閥都處于關閉的狀態，此時的空氣彈簧既不充風也不排風。SAB型高度閥雙側盲區h1和h2滿足h1+h2=3~7 mm。

SAB型高度閥安裝在車體上，當車載質量增加時，空氣彈簧被壓縮，高度閥隨車體一同下降，調整桿相對地向上旋轉，帶動偏心銷推動活塞向左運動，從而打開進氣閥，從總風缸來的壓縮空氣會推開止回閥，通過進氣閥進入空氣彈簧，實現充風。當車載質量減少時，空氣彈簧被拉伸，高度閥隨車體一同上升，調整桿相對地向下旋轉，帶動的偏心銷推動活塞向右運動，打開排氣閥，空氣彈簧里的空氣會沿著活塞桿的排風通道向外排風，而在彈簧和閥頭壓力的作用下進氣閥保持關閉的狀態，進風通道被切斷。隨著空氣彈簧里面壓力的降低，車體和高度閥會下降回到設定的位置，最終關閉排氣閥，SAB型高度閥的結構如圖3所示。

圖3 SAB型高度閥結構圖

2 空氣彈簧受力分析

160 km/h動力集中動車組的二系懸掛采用的是空氣彈簧，能夠大幅度提高車輛懸掛系統的靜撓度從而降低車體的振動頻率，同一空氣彈簧可以同時承受三維方向的載荷［6］，利用空氣彈簧的橫向彈性特性，可以代替傳統的轉向架搖動臺裝置，從而簡化結構減輕自重。空氣彈簧具有非線性特性，可以根據車輛振動性能的需求，設計成具有比較理想的彈性特性曲線［7］。

整車通過4對剛性輪對與軌道接觸，受力屬于超靜定問題，采用經典力學的方法來分析和建立整車的輪重分布模型具有相當大的困難。因此我們首先對單個車輛進行模型的簡化，采用數學的方法分析空氣彈簧高度變化時壓縮力變化的規律［8］。作出如下簡化：

（1）轉向架二系懸掛之間的車體部分為結構上對稱的剛體，空氣彈簧在車體上安裝點所在平面為較理想的平面。

（2）每個空氣彈簧在一定的范圍內簡化為垂直方向的彈簧，近似滿足胡克定律。

轉向架受力分析如圖4所示，圖中，ni（i=1，2，3，4）為各個二系懸掛的空氣彈簧在車體上安裝點的坐標，以一位角空氣彈簧在轉向架上安裝點的位置作為坐標原點建立坐標系。zi（i=1，2，3，4）為按照測量基準高度差的要求預調整后二系空氣彈簧壓縮量的變化量，調整一位角空氣彈簧調整桿升高h（h為調整桿從充風或排風位置開始升高或下降的高度，其在數值上與空氣彈簧變化的高度相同），Fi（i=1，2，3，4）為二系空氣彈簧的彈力，G為二系空氣彈簧所受的車體載荷，a和b分別為二系空氣彈簧之間的橫向距離和縱向距離。

圖4 一位角調整桿調整后受力分析

2.1 靜力平衡方程

調節高度閥前后，二系空氣彈簧在z軸方向的合力為0，∑z=0，則方程式（1）成立：

式中：fi為空氣彈簧的靜載荷（調節高度閥之前的載荷），且存在f1=f2=f3=f4。

根據胡克定律，可得式（2）：

可求得式（3）：

式中：k為二系空氣彈簧的剛度。

對圖4中，1、4對角線和2、3對角線分別取矩可以得到F2=F3、F1=F4，則可以進一步得到式（4）：

2.2 變形協調方程

各空氣彈簧高度需滿足測量基準高度差要求，且n1，n2，n3，n4這4個點處于同一平面上，分別將其坐標帶入空間任意的平面方程中，得式（5）：

由此可得式（6）~式（9）：

經化簡可得式（10）：

聯立式（3）、式（4）和式（10），可得式（11）：

上面式子中的正號和負號分別表示二系空氣彈簧壓縮力減小和增大。

因此，根據胡克定律可以得到二系空氣彈簧壓縮力變化的方程，為式（12）：

通過對上式的分析可知，當調整高度閥調整桿升高h時，會使該處和對角位的空氣彈簧壓縮力增大kh/4，同時使另外2個對角位的空氣彈簧壓縮力減少kh/4。

3 由空氣彈簧變化推導輪重的變化量

對一位轉向架的剛性輪對進行受力分析，如圖5所示，FN1，FN2分別為水平軌對剛性輪對的垂向反作用力，G1為車體作用在一位轉向架上的載荷，m為剛性輪對與水平軌接觸圓之間的距離。對剛性輪對的對稱中心取矩可得式（13）：

圖5 剛性輪對受力分析

對上式分析可知，通過調節高度閥調整桿升高h時，此處和對角處的輪重會隨之增加akh/（8m），同時另外2個對角處會減少akh/（8m）。查閱相關資料，當空氣彈簧內部的壓力為600 kPa時，空氣彈簧的垂向剛度k近似為9.0 MN/m，其他相關技術參數見表1。

表1 160 km/h動力集中動車組相關技術參數

通過式（13）可求得當通過調節高度閥調整桿高度h為1 mm時，輪重的質量變化約為150 kg。本批次的160 km/h動力集中動車組主要包括二等座車、二等臥車、一等臥車等車型，通過對前2列車的試驗發現，調節高度閥調整桿使其高度增加或減少1 mm時所對應的輪重會隨之增加或減少150~170 kg，試驗所測值與理論計算值存在差異有2方面的原因：第一理論推導時對車體進行了簡化處理，第二由于生產制造誤差實際輪重會在一定范圍內變化。二者結果較為接近，因此根據上述的理論分析來指導輪重差的調整。

4 輪重差的調整

進行車輛稱重前的準備工作如下：

（1）用600 kPa壓力給車的空氣彈簧充風，水箱加滿水。

（2）將被測車輛牽引至稱重位置，稱重過程中不準以任何方式調整車輛狀態。

（3）稱重時車輛的基礎制動裝置處于緩解狀態。

（4）被測車輛轉向架的一二系懸掛系統不應有卡滯或者干涉現象。

160 km/h動力集中動車組采用了根據該車型專門優化后的SW-220K轉向架，在空氣彈簧未充風的狀態下構架橫梁上空氣彈簧的測量基準與空氣彈簧上平面的高度差為290 mm±5 mm。對于LV型高度閥，空氣彈簧充風之前將高度閥調整桿預調到415 mm（SAB型高度閥空氣彈簧充風之前將高度閥調整桿預調到407 mm），將風源與車輛總風管連接，打開氣路控制箱閥門使復合風缸處于總風管供風的狀態，用600 kPa的壓力給空氣彈簧充風，調整高度閥調整桿的長度使一位角、二位角、三位角和四位角的空氣彈簧上平面與構架橫梁堵板上空氣彈簧的測量基準高度差均為320 mm，然后觀察輪重測量儀顯示器上的4根軸輪重差的絕對值是否小于4%。在某次稱重試驗中，將單輛車（一等座車）推上稱重試驗臺時4軸一次客車的測試數據見表2。

表2 4軸一次客車測試數據 單位：kg

由表2可知，Ⅲ軸（五、六軸位）的輪重差超出了4%且為負值，表明一位角和四位角重，二位角和三位角輕，因此調整高度閥調整桿的高度使一位角和四位角的空氣彈簧的高度降低1 mm，同時使二位角和三位角的空氣彈簧的高度增加1 mm，調整完之后的測試數據見表3。

表3 4軸一次客車測試數據（調整后） 單位：kg

此時一位角和四位角的空簧高度為319 mm，二位角和三位角的空簧高度為321 mm，空簧高度滿足（320±t）±3 mm（t指空氣彈簧橡膠堆下調整墊的厚度），且同一轉向架兩側高度之差小于3 mm［9］。調整完后的輪重差的絕對值都小于4%，符合稱重試驗的工藝標準。

對輪重差進行調整時首先要找出輪重差絕對值最大的軸位，通過正負判斷一位角和四位角重還是二位角和三位角重，從而對對角的空氣彈簧的高度進行1次到2次調整，特殊的情況下要進行2次以上的調整使其最終滿足要求。

5 結論

針對160 km/h動力集中動車組，通過LV型高度閥或者SAB型高度閥調整二系懸掛空氣彈簧的高度對車輛的輪重差進行調整，建立了空氣彈簧發生變化時整車的數學模型，得到以下結論：

（1）分析了LV型高度閥和SAB型高度閥的結構組成以及工作原理，二者都能夠對空氣彈簧的充、排風進行控制，進而調整其高度。

（2）推導出在一定范圍內調整桿高度變化時空簧壓縮力變化以及輪重受力變化的數學關系式，進一步得出調整桿的高度變化時對應輪重質量的變化范圍。

（3）2個對角位輪重質量的變化相同，與試驗結果相符，僅通過高度閥調節空氣彈簧高度能夠滿足輪重差的要求，提高了工作效率。