C₀-C₀米軌內(nèi)燃機(jī)車橫向動力學(xué)性能分析

崔瀟

摘要： 針對C0-C0米軌內(nèi)燃機(jī)車建立動力學(xué)模型，分析了多種直線和曲線工況下機(jī)車平穩(wěn)性和運(yùn)行品質(zhì)。結(jié)果表明：隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性和加速度最大值呈上升趨勢，指標(biāo)在不同測量位置由大到小依次為前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心;對于曲線工況，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值逐漸增加，司機(jī)室大于車體中心，而橫向加速度最大值在曲線半徑為130m、800m、1200m時分別呈現(xiàn)線性增長、雙線性增長和先降低后增長的趨勢。

Abstract： The dynamic model of C0-C0 meter gauge diesel locomotive was established， and the locomotive ride index and running quality were analyzed in straight and curve line. The results show that the maximum value of lateral ride index and acceleration of locomotive maintain an upward trend with the increase of running speed and the index values in different measurement positions are in the order of front cab， rear cab and carbody center. For curve negotiating case， the maximum value of locomotive lateral ride index increases gradually and index is larger at the cab than at carbody center. The maximum value of lateral acceleration increases linearly， bilinear and decreases first and then increases when the curve radius is 130m， 800m and 1200m， respectively.

關(guān)鍵詞： 機(jī)車;曲線通過;平穩(wěn)性;運(yùn)行品質(zhì)

Key words： locomotive;curve negotiating;ride index;running quality

中圖分類號：U262.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0040-03

0 ?引言

機(jī)車的平穩(wěn)性及運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)反映了機(jī)車運(yùn)行過程中機(jī)車乘務(wù)員的乘坐體驗，因此，研究不同工況下機(jī)車的平穩(wěn)性及運(yùn)行品質(zhì)有助于針對不同工況設(shè)置合理運(yùn)行速度，從而提升機(jī)車乘務(wù)員運(yùn)行中舒適程度及行車安全

性[1-5]。根據(jù)GB/T 5599-2019要求，評價機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性采用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)，評價機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)采用車體振動加速度[6]。本文主要對直線和曲線工況下，機(jī)車橫向平穩(wěn)行和橫向加速度進(jìn)行計算和分析。

1 ?機(jī)車動力學(xué)模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)說明

機(jī)車設(shè)計軸重20t，采用了C0-C0轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架布置了三組驅(qū)動裝置，轉(zhuǎn)向架驅(qū)動裝置沿同一方向布置。驅(qū)動裝置采用軸懸方式，驅(qū)動裝置直接與輪對鉸接，并使用電機(jī)吊桿與構(gòu)架彈性連接。一系懸掛采用雙拉桿雙鋼彈簧方式，端軸箱均配有一系垂向減振器。二系懸掛采用橡膠堆，提供垂向和橫向剛度，每轉(zhuǎn)向架一側(cè)分別布置有2個橡膠堆，每轉(zhuǎn)向架配有2個垂向減振器、2個橫向減振器、2個抗蛇行減振器。采用目字形焊接箱形梁構(gòu)架，構(gòu)架端梁上有驅(qū)動裝置的一個彈性連接點(diǎn)，構(gòu)架兩根中間橫梁上各有驅(qū)動裝置的1個彈性鉸點(diǎn)。根據(jù)動力車轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)參數(shù)，建立了動力車的動力學(xué)模型。模型的體選取了車體、構(gòu)架、輪對、驅(qū)動裝置、軸箱、電機(jī)吊桿、牽引四連桿。端軸、中間軸軸箱軸承分別設(shè)置了3mm、11mm自由間隙。

1.2 輪軌幾何關(guān)系

機(jī)車輪徑1067mm，車輪廓形為錐形踏面，鋼軌型面為80A[7]，軌距1000mm，軌底坡為1/40，等效錐度為0.054。

1.3 工況設(shè)置

針對機(jī)車實(shí)際運(yùn)行工況，直線工況設(shè)置10個速度級，運(yùn)行速度為50-140kh/h，速度間隔10km/h。選取曲線半徑分別為R130、R800、R1200三種實(shí)際運(yùn)行中的曲線工況。

在軌道不平順方面，直線工況采用美國4級軌道譜，空間波長設(shè)置為1-120m。曲線工況采用美國5級軌道譜，空間波長設(shè)置為1-100m。

2 ?直線工況橫向平穩(wěn)性和加速度

不同速度下，直線通過橫向平穩(wěn)性最大值、橫向加速度最大值如圖1、圖2所示。同時，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在計算平穩(wěn)性和運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)過程中，加速度值均進(jìn)行0.4-40Hz 帶通濾波。

直線通過橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)隨著運(yùn)行速度的增加逐漸增加。在50-140km/h區(qū)間，指標(biāo)基本處于線性增加狀態(tài)。對于同一速度級，指標(biāo)按照前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心逐漸降低。速度為140km/h時前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到2.24，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到2.11，車體中心指標(biāo)達(dá)到1.96。

直線通過橫向加速度最大值指標(biāo)隨著運(yùn)行速度的增加基本呈現(xiàn)線性增加趨勢。在50-140km/h區(qū)間，前司機(jī)室和車體中心指標(biāo)基本處于線性增加狀態(tài)，后司機(jī)室指標(biāo)則處于波動狀態(tài)，在80-90km/h時指標(biāo)低于車體中心指標(biāo)，在100-120km/h時指標(biāo)高于前司機(jī)室指標(biāo)。速度為140km/h時前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到0.50m/s2，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到0.46m/s2，車體中心指標(biāo)達(dá)到0.32m/s2。

從以上計算可知，對于直線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)逐漸增加，指標(biāo)由大到小順序為前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心。在所有速度級中，指標(biāo)最大值為140km/h時前司機(jī)室橫向平穩(wěn)性，達(dá)到2.24。

隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)整體呈現(xiàn)線性上升總體趨勢，指標(biāo)總體趨勢由大到小順序為前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心，但后司機(jī)室指標(biāo)存在局部波動，部分速度級高于前司機(jī)室或者低于車體中心的指標(biāo)。在所有速度級中，指標(biāo)最大值為140km/h時前司機(jī)室橫向加速度，達(dá)到0.50m/s2。

3 ?曲線工況橫向平穩(wěn)性

不同速度下，R130、R800、R1200曲線通過工況，橫向平穩(wěn)性最大值如圖3-圖5所示。

對于R130曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)逐漸增加，5km/h到15km/h區(qū)段指標(biāo)增長最快，隨后指標(biāo)增長速度逐漸放緩。在30km/h速度下，前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.11，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.08，車體中心指標(biāo)達(dá)到1.04。

對于R800曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)逐漸增加，55km/h到25km/h區(qū)段指標(biāo)增長平穩(wěn)，25km/h到30km/h區(qū)段指標(biāo)增長速度增大。在95km/h速度下，前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.68，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.67，車體中心橫向指標(biāo)達(dá)到1.48。

對于R1200曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸增加，在65km/h到115km/h整個區(qū)段指標(biāo)增長速度基本一致。在115km/h速度下，前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.81，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.76，車體中心指標(biāo)達(dá)到1.60。

從以上計算可知，對于曲線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)處于基本線性增加趨勢，前后司機(jī)室指標(biāo)大于車體中心指標(biāo)。在R130所有速度級中，指標(biāo)最大值為30km/h時前司機(jī)室指標(biāo)，達(dá)到1.11。在R800所有速度級中，指標(biāo)最大值為105km/h時前司機(jī)室，指標(biāo)達(dá)到1.68。在R1200所有速度級中，指標(biāo)最大值為115km/h時前司機(jī)室指標(biāo)，達(dá)到1.81。

4 ?曲線工況橫向加速度

不同速度下，R130、R800、R1200曲線通過橫向加速度最大值如圖6-圖8所示。

對于R130曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)呈現(xiàn)線性增加趨勢，在5km/h到30km/h區(qū)段指標(biāo)增長速度基本一致，且由于速度較低，前后司機(jī)室橫向加速度和車體中心指標(biāo)差別不大。在30km/h速度級下，前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到0.10m/s2，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到0.07m/s2，車體中心指標(biāo)也達(dá)到0.07m/s2。

對于R800曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)出現(xiàn)雙線性的增長趨勢。在85km/h前指標(biāo)先緩慢增線性長，85km/h到95km/h，指標(biāo)迅速線性增長。95km/h時車體中心指標(biāo)達(dá)到1.19m/s2，前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.43m/s2，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到1.53m/s2。

對于R1200曲線通過工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)先降低后增加。在65km/h到75km/h區(qū)段指標(biāo)降低，75km/h到105km/h區(qū)段指標(biāo)緩慢增加，105km/h到115km/h區(qū)段指標(biāo)顯著增加。115km/h時前司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到2.47m/s2，后司機(jī)室指標(biāo)達(dá)到0.99m/s2，車體中心指標(biāo)達(dá)到1.70m/s2。隨著速度的增加，前后司機(jī)室和車體中心指標(biāo)的差距先減小后增大。

從以上計算可知，對于曲線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)出現(xiàn)不同變化規(guī)律。對于R130所有速度級中，指標(biāo)隨速度增加基本處于線性增長趨勢。指標(biāo)最大值為30km/h時前司機(jī)室指標(biāo)，達(dá)到0.10m/s2。對于R800所有速度級中，指標(biāo)出現(xiàn)雙線性的增長趨勢。在85km/h前指標(biāo)先緩慢增線性長，85km/h到95km/h，指標(biāo)迅速線性增長，最大值為95km/h時后司機(jī)室指標(biāo)，達(dá)到1.53m/s2。對于R1200所有速度級中，隨速度變化指標(biāo)出現(xiàn)先降低后增長的變化趨勢。在65km/h到75km/h區(qū)段，指標(biāo)降低。在75km/h到105km/h區(qū)段，指標(biāo)緩慢線性增長。105km/h到115km/h，指標(biāo)迅速線性增長，最大值為115km/h時前司機(jī)室指標(biāo)，達(dá)到2.47m/s2。

5 ?結(jié)論

通過對機(jī)車直線和曲線工況的動力學(xué)計算，可以獲得如下結(jié)論：

①對于直線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)逐漸增加，指標(biāo)由大到小順序為前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心。而機(jī)車橫向加速度最大值整體呈現(xiàn)上升趨勢，指標(biāo)總體趨勢由大到小順序同樣為前司機(jī)室、后司機(jī)室、車體中心，但后司機(jī)室指標(biāo)存在局部波動，部分速度級高于前司機(jī)室或者低于車體中心的指標(biāo)。

②對于曲線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向平穩(wěn)性最大值指標(biāo)逐漸增加，前后司機(jī)室指標(biāo)大于車體中心指標(biāo)。

③對于曲線工況，隨著運(yùn)行速度的增加，機(jī)車橫向加速度最大值指標(biāo)出現(xiàn)不同變化規(guī)律。對于R130所有速度級中，指標(biāo)隨速度增加基本處于線性增長趨勢。對于R800所有速度級中，指標(biāo)出現(xiàn)雙線性的增長趨勢。對于R1200所有速度級中，隨速度變化指標(biāo)出現(xiàn)先降低后增長的變化趨勢。

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