牽引電機(jī)懸掛方式對機(jī)車橫向穩(wěn)定性的影響研究

馮相杰， 陳 康

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

機(jī)車驅(qū)動裝置懸掛方式大致分為軸懸式、架懸式、半體懸式和體懸式，架懸式又可分為彈性架懸和剛性架懸。傳統(tǒng)機(jī)車的速度低，驅(qū)動裝置的懸掛方式通常采用軸懸式懸掛方式；軸懸式懸掛方式的簧下質(zhì)量相對較大，不能滿足高速運(yùn)行的一系列動力學(xué)要求，金鼎昌等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)半體懸和體懸懸掛方式能夠減少簧下質(zhì)量，降低輪軌動作用力，可以滿足高速的要求[1]，故高速動力車驅(qū)動裝置的懸掛方式通常采用架懸式、半體懸式和體懸式。架懸式可以提高機(jī)車的橫向穩(wěn)定性，降低機(jī)車對線路的要求[2]，我國160 km/h交流傳動機(jī)車上驅(qū)動裝置懸掛方式大多采用彈性架懸式。筆者主要就剛性架懸、彈性架懸和半體懸這3種方案的機(jī)車橫向穩(wěn)定性性能進(jìn)行對比研究。同時分析3種方案的橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性。

1 動力車模型

以國內(nèi)某一彈性架懸式高速動力車為參考，在SIMPACK多體系統(tǒng)動力學(xué)環(huán)境中分別建立了彈性架懸式、剛性架懸式和半體懸式高速動力車模型。彈性架懸式高速動力車為B0-B0軸式電力機(jī)車，軸質(zhì)量為19.7 t，主要由輪對、軸箱、一系懸掛裝置、構(gòu)架、二系懸掛裝置、驅(qū)動裝置和基礎(chǔ)制動裝置組成。車體和構(gòu)架間由二系懸掛裝置連接，構(gòu)架和輪對之間由一系懸掛裝置連接；彈性架懸式高速動力車牽引電機(jī)一端通過兩根擺桿吊掛在構(gòu)架上，另一端直接與構(gòu)架相連，每個牽引電動機(jī)和構(gòu)架間裝有一個橫向耦合減振器，牽引機(jī)構(gòu)采用單牽引桿方式；模型中采用的輪軌關(guān)系為JM3磨耗型踏面與60 kg鋼軌匹配，1/40軌底坡。圖1為彈性架懸式機(jī)車物理學(xué)模型。剛性架懸式和半體懸式高速動力車模型都是在彈性架懸式高速動力車模型的基礎(chǔ)上，通過改變電機(jī)與構(gòu)架的連接結(jié)構(gòu)與懸掛裝置的參數(shù)得到的,通過彈性架懸式機(jī)車鎖死橡膠球關(guān)節(jié)與構(gòu)架連接的剛度以及擺桿零自由度的連接在構(gòu)架上得到剛性架懸式高速動力車模型，另外，剛性架懸相較于彈性架懸去掉了橫向耦合減振器。半體懸式高速動力車牽引電機(jī)一端通過兩根擺桿吊掛在構(gòu)架的端梁上，另一端直接與車體相連，它的橫向耦合減振器裝在牽引電動機(jī)與車體之間，在縱向上靠近擺桿的位置。

2 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)下的橫向穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計(jì)算方法主要有非線性和線性(根軌跡法)2種。根軌跡法是用來分析線性穩(wěn)定性，確定線性臨界速度。筆者只計(jì)算與實(shí)際更為貼近的非線性臨界速度，這里用計(jì)算機(jī)車運(yùn)行過程中輪對橫向振動極限環(huán)振幅的方法分析機(jī)車的非線性臨界速度[3]。輪對橫向振動極限環(huán)振幅的計(jì)算方法為讓機(jī)車以一定的速度通過一段不平順時域譜激擾的長度為50 m的軌道，然后繼續(xù)在平順的直線軌道上運(yùn)行，通過計(jì)算各剛體位移的收斂和發(fā)散情況來判斷機(jī)車是否失穩(wěn)[4]。

2.1 剛性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動裝置采用剛性架懸的機(jī)車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環(huán)振幅見圖2。

圖2 剛性架懸各輪對極限環(huán)振幅

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動裝置采用剛性架懸的機(jī)車的非線性臨界速度為240 km/h左右。當(dāng)機(jī)車以60～100 km/h低速運(yùn)行時輪對具有小幅的極限環(huán)振動，機(jī)車運(yùn)行速度為100～240 km/h時各輪對橫向振動具有很好的收斂性。盡管低速運(yùn)行時輪對的橫向位移比輪軌間隙小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到撞擊鋼軌的極限狀態(tài)，但低速下的極限環(huán)振動仍然對機(jī)車在低速下運(yùn)行時的橫向穩(wěn)定性有不利的影響。

2.2 彈性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動裝置采用彈性架懸的機(jī)車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環(huán)振幅見圖3。

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動裝置采用彈性架懸的機(jī)車的非線性臨界速度為280 km/h左右。當(dāng)機(jī)車以60～100 km/h低速運(yùn)行時輪對具有小幅的極限環(huán)振動，機(jī)車運(yùn)行速度為100～280 km/h時各輪對橫向振動具有很好的收斂性。盡管低速運(yùn)行時輪對的橫向位移比輪軌間隙小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到撞擊鋼軌的極限狀態(tài)，但低速下的極限環(huán)振動仍然對機(jī)車在低速下運(yùn)行時的橫向穩(wěn)定性有不利的影響。

圖3 彈性架懸各輪對極限環(huán)振幅

2.3 半體懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動裝置采用半體懸式的機(jī)車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環(huán)振幅見圖4。

圖4 半體懸各輪對極限環(huán)振幅

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動裝置采用半體懸的機(jī)車的非線性臨界速度為320 km/h左右。機(jī)車運(yùn)行速度在60～320 km/h時各輪對始終有小幅的橫向振動，速度在140～240 km/h時顯得尤為突出。

2.4 不同驅(qū)動裝置懸掛方式的橫向穩(wěn)定性對比

對3種驅(qū)動裝置不同懸掛方式的模型的橫向穩(wěn)定性作對比分析研究，圖5比較了第1輪對的橫向振動極限環(huán)振幅和速度320 km/h的時間歷程。

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動裝置為半體懸的機(jī)車非線性臨界速度最高，驅(qū)動裝置為剛性架懸的機(jī)車非線性臨界速度最低，驅(qū)動裝置為彈性架懸的機(jī)車非線性臨界速度居中；驅(qū)動裝置為剛性架懸和彈性架懸的機(jī)車在低速運(yùn)行時都存在小幅的極限環(huán)振動，半體懸的機(jī)車在運(yùn)行過程中始終存在小幅的橫向振動。

3 橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性

通過閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對機(jī)車橫向穩(wěn)定性影響比較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是一系縱向剛度、抗蛇行減振器的安裝剛度和抗蛇行減振器的阻尼系數(shù)[5]。主要針對設(shè)計(jì)方案中高速動力車低速運(yùn)行時輪對橫向振動出現(xiàn)小幅度的極限環(huán)振動的問題，分析3種方案的橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性。用Kpx表示一系縱向剛度，保持其他參數(shù)不變的情況下，一系縱向剛度分別取11，15，19，23，27，31 kN/mm進(jìn)行分析對比研究。

3.1 剛性架懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，當(dāng)保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，剛性架懸式機(jī)車在低速下運(yùn)行時第1輪對的極限環(huán)振幅隨著一系縱向剛度的減小而減小，當(dāng)Kpx等于11 kN/mm時，剛性架懸式機(jī)車低速下的極限環(huán)振幅為0，輪對不會出現(xiàn)橫向振動。從總體趨勢上看，剛性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，但是在一定的范圍類(如Kpx在19～23 kN/mm時)減小一系縱向剛度并不能有效的增大其非線性臨界速度。

圖5 3模型橫向穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果比較

圖6 一系縱向剛度對剛性架懸第1輪對極限環(huán)振幅的影響

3.2 彈性架懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出，在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，彈性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，另外，隨著一系縱向剛度的減小，彈性架懸式機(jī)車第1輪對在低速運(yùn)行時的極限環(huán)振幅也隨之減小，當(dāng)Kpx等于11 kN/mm時，機(jī)車第1輪對在低速運(yùn)行時不會出現(xiàn)橫向振動問題。

3.3 半體懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，半體懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的增大而減小，半體懸式機(jī)車在運(yùn)行中始終有著小幅的橫向振動位移，改變一系縱向剛度不能明顯改善這一問題。

圖7 一系縱向剛度對彈性架懸第1輪對極限環(huán)振幅的影響

圖8 一系縱向剛度對剛性架懸第1輪對極限環(huán)振幅的影響

4 結(jié)束語

通過分析驅(qū)動裝置不同懸掛方式的機(jī)車的橫向穩(wěn)定性以及一系縱向剛度對機(jī)車橫向穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，只改變驅(qū)動裝置的懸掛方式的情況下，半體懸機(jī)車的非線性臨界速度最大，剛性架懸機(jī)車的非線性臨界速度最小，彈性架懸機(jī)車的非線性臨界速度居中。

(2) 從總體趨勢上看，剛性架懸、彈性架懸和半體懸機(jī)車的非線性臨界速度都會隨著一系縱向剛度的降低而增大。但是當(dāng)一系縱向剛度在一定的范圍內(nèi)變化時(如Kpx在19～23 kN/mm時)，剛性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度保持不變。

(3) 對于剛性架懸和彈性架懸機(jī)車而言，機(jī)車在低速運(yùn)行時的極限環(huán)振幅會隨著一系縱向剛度的減小而減小，當(dāng)一系縱向剛度等于11 kN/mm時，剛性架懸式和彈性架懸式機(jī)車在低速時都不會出現(xiàn)橫向振動位移。

(4) 彈性架懸機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度的敏感度最高，半體懸機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度的敏感度最低，剛性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對一系縱向剛度的敏感度居于二者之間。

以上模擬計(jì)算，驅(qū)動裝置采用剛性架懸和半體懸的機(jī)車的計(jì)算模型都是在彈性架懸式機(jī)車動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的修改得到的，與實(shí)際的剛性架懸式機(jī)車和半體懸式機(jī)車都有一定的偏差，所以需更進(jìn)一步地進(jìn)行研究分析。

[1] 金鼎昌，羅 赟，黃志輝. 牽引電動機(jī)懸掛方式對機(jī)車或動車動力學(xué)性能的影響[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，1994，16(S1)：43-47.

[2] 羅赟，羅世輝，金鼎昌. 采用彈性與剛性架承式驅(qū)動裝置的機(jī)車橫向性能比較[J]. 機(jī)車電傳動， 2005(3)：41-43.

[3] 許自強(qiáng)，羅世輝，馬衛(wèi)華. 速度200 km/h車輛一系懸掛參數(shù)優(yōu)化及性能分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2012,32(1):22-25.

[4] 何皋，陳清.懸掛參數(shù)對250 km/h高速機(jī)車橫向動力學(xué)的影響[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛,2012,35(2):25-30.

[5] 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等. 高速客車轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,28(3):13-19.