典型B0-B0軸式交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)二系載荷調(diào)整方法研究*

林 輝， 朱亞男， 李益民， 李冰毅

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動(dòng)力系， 西安 710014)

隨著我國(guó)牽引動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)車(chē)也提出了更加高速、重載等要求，為了在確保機(jī)車(chē)運(yùn)行安全、提高運(yùn)行品質(zhì)的前提下達(dá)到更高的要求，在機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)制造時(shí)必須滿足其輪(軸)重分配的均衡性。而機(jī)車(chē)輪(軸)重分配是否均衡則與機(jī)車(chē)垂向載荷的分布情況密切相關(guān)[1]，由于機(jī)車(chē)垂向載荷主要來(lái)源于車(chē)體及其車(chē)內(nèi)設(shè)備，因此，保證機(jī)車(chē)車(chē)體上部的質(zhì)量分布均衡將直接影響機(jī)車(chē)最終輪(軸)重分配的均衡程度。

為了保證機(jī)車(chē)車(chē)體上部質(zhì)量均衡分布，除了在機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)保證車(chē)內(nèi)設(shè)備對(duì)稱(chēng)布置、配重均衡等原則外，由于在機(jī)車(chē)制造過(guò)程中各部件的差異、加工偏差以及車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)的變形等等原因，往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)二系支承處的載荷分配不均勻，從而使整車(chē)輪(軸)重分配不符合要求。因此需要通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)二系支承處的二系彈簧進(jìn)行加、減墊片的調(diào)簧操作，來(lái)保證機(jī)車(chē)二系載荷分布的均衡性[2-3]，從而從根本上保證機(jī)車(chē)輪(軸)重分配的均衡程度。

由于機(jī)車(chē)車(chē)體與其二系支承組成了超靜定的力學(xué)結(jié)構(gòu)[4]，調(diào)簧操作較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的調(diào)簧工藝主要依托于技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，尚缺乏系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)，因此效率低下。通過(guò)分析典型B0-B0軸列式電力機(jī)車(chē)的支承結(jié)構(gòu)，針對(duì)該種機(jī)車(chē)提出一套行之有效的二系調(diào)簧方法，對(duì)實(shí)際的調(diào)簧工藝具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 典型B0-B0軸式交流機(jī)車(chē)二系支承結(jié)構(gòu)分析

在大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)中，即HXD系列機(jī)車(chē)中，典型的B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)的支承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 B0-B0軸式交流機(jī)車(chē)支承結(jié)構(gòu)示意

在圖1所示的電力機(jī)車(chē)支承結(jié)構(gòu)中，有8個(gè)二系支承點(diǎn)，這8個(gè)二系支承點(diǎn)具體的位置情況見(jiàn)圖2。

圖2 B0-B0軸式交流機(jī)車(chē)二系支承平面結(jié)構(gòu)

由圖1和圖2可知，典型B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)共有8個(gè)二系支承位置，其中同一側(cè)每2個(gè)相鄰支承點(diǎn)兩兩之間的距離l1相對(duì)于兩轉(zhuǎn)向架最外側(cè)二系支承點(diǎn)距離l來(lái)說(shuō)較小。該系列典型機(jī)車(chē)的尺寸l1和l數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 典型B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)尺寸參數(shù)

2 機(jī)車(chē)二系支承結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

為保證機(jī)車(chē)車(chē)體上部質(zhì)量分布均衡，關(guān)鍵要保證機(jī)車(chē)二系支承處載荷分布偏差最小，而典型的B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)共有8個(gè)二系支承位置，使得車(chē)體——二系支持結(jié)構(gòu)組成了一個(gè)復(fù)雜的超靜定系統(tǒng)，受各種耦合因素影響，會(huì)導(dǎo)致二系支承載荷分配偏差增大，同時(shí)增加二系調(diào)簧工藝的復(fù)雜度。

由表1可看出，幾種典型B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)同側(cè)每2個(gè)相鄰支承點(diǎn)間最大距離僅占到兩轉(zhuǎn)向架最外側(cè)二系支承點(diǎn)間距的3%～6%左右，幾乎可以忽略，因此可將2個(gè)相鄰支承點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)組，將該系列機(jī)車(chē)的8點(diǎn)二系支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為4組支承結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化力學(xué)模型。簡(jiǎn)化后力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 機(jī)車(chē)二系4點(diǎn)支承簡(jiǎn)化力學(xué)模型圖

在圖3中，F(xiàn)R1、FR2、FL1、FL2為簡(jiǎn)化模型中的4點(diǎn)支承處載荷；a和b為各支承點(diǎn)距車(chē)體平面幾何中心沿x軸和y軸方向的距離；P為車(chē)體上部總重，假定為一集中力，作用在坐標(biāo)(ex，ey)處；ex、ey為車(chē)體上部總重在x軸和y軸的偏移量。由圖3可知，4點(diǎn)二系支承的簡(jiǎn)化力學(xué)模型可以更方便地建立數(shù)學(xué)模型，從而更加明確各支承處二系載荷的分布規(guī)律。

(1)

進(jìn)一步推導(dǎo)可得出該最優(yōu)解的求解范圍(具體推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[5])：

(2)

式(2)的求解范圍說(shuō)明：機(jī)車(chē)車(chē)體上部質(zhì)量應(yīng)集中在如圖4所示陰影部分區(qū)域內(nèi)，如若車(chē)體上部質(zhì)量集中加載位置超出該區(qū)域，則說(shuō)明車(chē)體上部質(zhì)量分配本身存在著重大偏差，必須返廠重新調(diào)整。

圖4 機(jī)車(chē)車(chē)體上部質(zhì)量允許加載位置區(qū)域

3 簡(jiǎn)化模型中各支承點(diǎn)的確定

根據(jù)上節(jié)分析的機(jī)車(chē)二系支承的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可將8點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為4點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)分析，從而簡(jiǎn)化調(diào)簧過(guò)程，并可根據(jù)圖4所示初步判定機(jī)車(chē)是否能進(jìn)行調(diào)簧。下面來(lái)具體論證機(jī)車(chē)4點(diǎn)簡(jiǎn)化支承結(jié)構(gòu)中各支承點(diǎn)的位置及等效載荷如何確定。

由圖2可知，典型B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)同側(cè)每2個(gè)二系支承點(diǎn)位置較近，為建立合理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，忽略制造和加工誤差以及材料的微小形變，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

(1)車(chē)體底架結(jié)構(gòu)為剛體，受力無(wú)形變；

(2)機(jī)車(chē)同側(cè)二系彈簧與車(chē)體底架接觸點(diǎn)位置共線；

(3)機(jī)車(chē)所有二系支承位置處于同一平面上[6]。

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，將車(chē)體同側(cè)相鄰的2個(gè)二系支承位置單獨(dú)建模分析，如圖5所示：1、2點(diǎn)為車(chē)體同側(cè)相鄰二系支承位置，F(xiàn)1、F2為其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)支承載荷。

圖5 車(chē)體同側(cè)相鄰2點(diǎn)二系支承位置建模示意圖

為了將相鄰2個(gè)支承點(diǎn)等效為1個(gè)支承位置，需首先對(duì)相鄰支承點(diǎn)進(jìn)行局部調(diào)簧，使得2點(diǎn)支反力F1、F2等效為F，且滿足式(3)，F(xiàn)即為局部調(diào)簧后各支承點(diǎn)的支反力。

(3)

假設(shè)局部調(diào)整前后2個(gè)支承點(diǎn)支反力之和不變，且根據(jù)前述機(jī)車(chē)同側(cè)二系彈簧與車(chē)體底架接觸點(diǎn)位置共線的假設(shè)，就要求局部加墊調(diào)整前后各支承點(diǎn)彈簧壓縮量無(wú)變化，即局部調(diào)整前后對(duì)應(yīng)調(diào)整點(diǎn)的二系彈簧高度應(yīng)維持不變[7]。

由上推出，局部調(diào)整前各支承點(diǎn)彈簧高度為h0i-Fici，調(diào)整后高度則變?yōu)閔0i+hi-Fci；二者相等，由此可推出局部調(diào)整時(shí)在各點(diǎn)的計(jì)算加墊值：

h0i-Fici=h0i+hi-Fci

?hi=(F-Fi)ci

(4)

考慮到在實(shí)際調(diào)簧操作中，應(yīng)盡量減少所加墊片數(shù)量，因此并不是在2個(gè)支承點(diǎn)處全部加墊，故各支承點(diǎn)實(shí)際的輸出加墊值Δhi應(yīng)為：

Δhi=hi-min[h1，h2]

(5)

綜上分析，總結(jié)出將相鄰2個(gè)支承點(diǎn)等效為一個(gè)支承點(diǎn)的具體操作步驟：先實(shí)測(cè)1、2點(diǎn)的支承載荷F1、F2，在其中較小載荷位置處按下式加墊調(diào)整：

若F1>F2，則僅在2點(diǎn)加墊，加墊值為：

Δh2=(F-F2)c2-(F-F1)c1

(6)

反之，若F1

Δh1=(F-F1)c1-(F-F2)c2

(7)

為保證一定安全裕量，將以上計(jì)算出的加墊值乘以安全系數(shù)K(0≤K≤1，一般取K=0.9)，再按計(jì)算結(jié)果實(shí)施加墊。

經(jīng)局部調(diào)整后，圖5中相鄰的2個(gè)支承點(diǎn)就可等效為1個(gè)支承點(diǎn)，等效位置與2支承點(diǎn)幾何中點(diǎn)重合，等效載荷為調(diào)整后2個(gè)支承點(diǎn)載荷之和，等效點(diǎn)彈簧綜合柔度為：

(8)

經(jīng)上述操作后，可將典型B0-B0軸式電力機(jī)車(chē)的8點(diǎn)二系支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成為4點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)，在后續(xù)調(diào)簧過(guò)程中，可將相鄰2個(gè)支承點(diǎn)看作一組按4點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)簧，從而使調(diào)簧操作大為簡(jiǎn)化。

4 應(yīng)用案例

將上述調(diào)簧方法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)SS4型電力機(jī)車(chē)55A號(hào)車(chē)體的調(diào)簧操作中，該車(chē)體調(diào)簧前初始二系載荷分布情況見(jiàn)表1。

表1 SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體初始二系載荷分布

表1中，各支承點(diǎn)位置與圖2所示支承點(diǎn)的編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。從表1可看出，該車(chē)體二系支承載荷分布極不均衡，需進(jìn)行調(diào)簧使之均衡分布。

表2 機(jī)車(chē)支承點(diǎn)位置編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

按上面所述的簡(jiǎn)化二系支承方法，將8點(diǎn)二系支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為4組，經(jīng)計(jì)算，各點(diǎn)加墊調(diào)整情況見(jiàn)表3。

表3 SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體相鄰二系彈簧局部調(diào)整情況

經(jīng)局部調(diào)整后，該車(chē)體二系載荷分布情況已較為均衡，最大偏差變?yōu)?.34 kN，較調(diào)整前下降了55.64%。

經(jīng)上述簡(jiǎn)化支承的局部調(diào)簧操作后，將SS4電力機(jī)車(chē)車(chē)體二系支承等效為4組，再進(jìn)行整體調(diào)簧，整體調(diào)簧各支承點(diǎn)加墊情況見(jiàn)表4。

表4 SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體簡(jiǎn)化支承后整體調(diào)整情況

由于在實(shí)際調(diào)簧中，所加墊片數(shù)目為整數(shù)，所以將表3和表4的加墊值相加再經(jīng)量化為整數(shù)的操作后，得到最終在各個(gè)二系支承位置的實(shí)際指導(dǎo)加墊量。SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體最終加墊情況及調(diào)整后各二系支承點(diǎn)載荷分布情況見(jiàn)表5。

表5 SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體實(shí)際調(diào)整加墊量及載荷變化情況

5 結(jié) 論

通過(guò)研究典型B0-B0軸列式電力機(jī)車(chē)二系支承結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)化二系支承的加墊調(diào)整方法，可將8點(diǎn)二系支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為4點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)車(chē)的二系調(diào)簧操作大為簡(jiǎn)化。經(jīng)SS455A號(hào)機(jī)車(chē)車(chē)體實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，調(diào)簧效果良好，可得出以下結(jié)論：

(1)按文中所述方法進(jìn)行局部調(diào)簧，調(diào)整后可極大改善機(jī)車(chē)二系載荷分布不均的情況，SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體經(jīng)局部調(diào)整，二系載荷最大偏差較調(diào)整前下降了55.64%，效果良好。

(2)局部調(diào)整后，可將機(jī)車(chē)車(chē)體看成為4點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)再進(jìn)行整體調(diào)簧，整體調(diào)簧只需在最小支撐組處整體加墊1～2次即可達(dá)到理想的調(diào)簧效果。SS4型機(jī)車(chē)車(chē)體整體調(diào)簧僅加墊一次，最大偏差較調(diào)整前下降了24.25%，較初始載荷最大偏差下降了66.4%，效果明顯。

(3)所述方法計(jì)算出的加墊值為小數(shù)，實(shí)際指導(dǎo)調(diào)簧時(shí)需將加墊值量化操作變?yōu)檎麛?shù)，最終得到的一組8點(diǎn)二系支承位置的加墊序列即為機(jī)車(chē)二系調(diào)簧工藝的指導(dǎo)加墊值。