32t軸重機車橫向止擋參數優化分析

宋 昊，羅 贇，王坤全

（1 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031；2 中國南車集團 資陽機車有限公司，四川資陽643100）

隨著我國鐵路的發展，實現重載運輸以及適當提速是提高鐵路運輸能力的有效途徑，要達到牽引重載列車的要求，機車必須具有非常大的牽引力，而增加軸重是提高機車牽引力的有效方式之一，我國正在大秦線上運行的HXD1、HXD2大功率機車采用了25t軸重，國內已經研發了大軸重貨車轉向架［1］。

軸重的增加有效地提高了機車的牽引力，也帶來了諸如輪軌力增大等一系列技術問題。合理的機車設計參數可以盡可能降低輪軌動作用力。此前有文獻［2］針對23t、25t、30t不同軸重以及一二系懸掛參數對重載機車動力學性能的影響進行了理論分析。文獻［3］針對巴西鐵路對30t以上軸重機車的需求，在比較了單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式，以及單牽引拉桿和中心銷牽引方式的動力學性能基礎上，提出了32t軸重機車3軸轉向架初步設計方案。文獻［4］對32t軸重機車的轉向架總體方案進行了探討。本文在文獻［3］基礎上，進一步從參數優化的角度分析了一系橫向彈性間隙和止擋剛度，以及二系止檔結構參數對大軸重機車動力學性能的影響，得到合理的參數范圍，以實現機車穩定性、直線平穩性以及曲線通過性能的理想配置，為大軸重機車轉向架設計提供參考。

1 計算模型

2C0軸式內燃機車由車體、2臺構架、6臺牽引電動機和6個輪對組成。由于機車運用線路較差（考慮巴西鐵路線路條件和運行狀況），因此32t3軸轉向架機車采用一系軟二系硬的懸掛裝置，一系懸掛由鋼圓彈簧、軸箱拉桿以及垂向減振器組成；二系懸掛為4點支撐的橡膠堆配橫垂向減振器。機車的具體結構、自由度及廣義坐標參見文獻［3］，機車采用單軸箱拉桿和中心銷牽引，圖1是在SIMPACK中建立的6軸機車物理模型。軌道不平順按差功率譜轉換的時域隨機不平順線路，橫向不平順比AAR2略好，垂向不平順比AAR2略差。

圖2是機車一二系橫向止擋示意圖以及一系橫向止擋非線性特性曲線。（c）圖中0.4mm為機車軸箱自由間隙，輪對和構架間相對位移超過彈性間隙后，一系止擋開始作用。

圖1 機車在SIMPACK中的物理模型

圖2 （a）一系橫向止擋示意圖

圖2 （b）二系橫向止擋示意圖

圖2 （c）一系橫向止擋非線性特性

2 一系彈性間隙和止擋剛度優化分析

通過在軸端設置彈性橫動裝置有助于改善機車動力曲線通過［5］性能，但對機車直線運行性能也有一定的影響，機車直線運行時計算結果表明，一系橫向止擋處最大位移已經遠遠超過軸箱自由間隙，因此需要通過研究一系彈性間隙和止擋剛度的不同參數值對機車動力學性能的影響，得到相對最優值。

2.1 端軸一系橫向彈性間隙和彈性止擋剛度

首先分析一系橫向彈性間隙和彈性止擋剛度對機車直線運行性能的影響。由于機車運用線路較差，通常最高運用速度僅為60km／h，因此直線工況分析采用80km／h的速度。圖3是機車直線運行時，端軸橫向彈性間隙在1～8mm，止擋剛度在5.0～15.0MN／m范圍內的計算結果。結果表明橫向平穩性指標略微有變化，間隙在3mm左右指標最小，影響幅度在1%以下，輪軸橫向力在2～3mm時最大，橫向力影響幅度在10%以內。

圖3 端軸一系橫向彈性間隙和止擋剛度對機車直線性能的影響

圖4 端軸一系橫向彈性間隙對機車R300m曲線通過性能的影響

圖4是機車以均衡速度（未平衡離心加速度Aq＝0m／s2，速度為21.37km／h）通過超高20mm、緩和曲線20m、圓曲線200m、半徑R300m曲線時，端軸橫向彈性間隙在1～8mm范圍內的計算結果。結果表明，間隙變化對橫向平穩性指標、脫軌系數以及搖頭角影響甚微，對輪軸橫向力略有影響，間隙在3mm左右輪軸橫向力最大，搖頭角最小。

圖5是在機車以均衡速度通過超高20mm，圓曲線200m，半徑R300m曲線時，端軸橫向彈性間隙1.5 mm，橫向彈性止擋剛度在1.0～100.0MN／m范圍內的計算結果。結果說明，減小橫向彈性止擋剛度可以降低輪軸橫向力和脫軌系數，當橫向彈性止擋剛度小于10MN／m后影響減弱。

圖5 端軸一系橫向彈性止擋剛度對機車R300m曲線通過性能的影響

通過以上計算，建議端軸橫向彈性間隙在1～3 mm，止擋剛度在5.0～10.0MN／m范圍內。

2.3 中間軸一系橫向彈性間隙

由于該機車主要運用在小半徑低速條件，因此分析中間軸一系橫向彈性間隙對小半徑曲線通過性能的影響。機車以均衡速度通過超高20mm，圓曲線200m，半徑R300m曲線時，中間軸橫向彈性間隙的變化對最大輪軸橫向力和脫軌系數影響較大，計算結果見圖6。結果說明，增大中間軸橫向彈性間隙可以降低輪軸橫向力和脫軌系數，當間隙大于16mm后影響減弱，間隙大于18mm后影響甚微。因此建議一系橫向彈性間隙取16～20mm。

3 二系橫向止擋參數對動力學性能的影響

在車體和轉向架間設置二系橫動裝置，能緩和不平順曲線對機車的沖擊［5］。

二系止擋自由間隙設置為30mm，直線運行時二系橫向止擋處最大位移為27mm，說明直線上二系止擋不接觸，止擋自由間隙設置是合理的。

通過曲線軌道時，車體與構架橫向相對位移大，容易達到止擋間隙，因此選取機車以80km／h速度通過超高20mm的R800m半徑具有差不平順的曲線工況進行分析。由于二系橫向止擋承受的沖擊力為低頻力，經一系懸掛衰減后，對輪軌動態相互作用的影響甚微［6］，因此主要考慮二系橫向止擋彈性間隙和剛度對止擋處的橫向位移和作用力的影響。圖7表明二系橫向止擋彈性間隙小于10mm時，隨著間隙的減小，止擋變形減少，但是止擋橫向作用力迅速增大。當間隙大于10 mm后，隨著彈性止擋剛度的增加，止擋變形減小，但是止擋橫向作用力增大。止擋剛度為2MN／m時，間隙大于9.5mm，止擋彈性間隙完全用完。此時圓曲線上止擋處變形量的均值為20mm左右，可見止擋自由間隙設置合理。

圖6 中間軸一系橫向彈性間隙對機車R300m曲線通過性能的影響

圖7 R800m半徑二系橫向止擋間隙和剛度對止擋橫向位移和作用力的影響

4 結論

通過對32t軸重機車轉向架軸端間隙以及橫向止擋結構參數進行優化分析，可以得出以下結論：

（1）一系端軸橫向彈性間隙和止擋剛度對車輛橫向平穩性、脫軌系數、輪軸橫向力以及搖頭角均有不同程度的影響，但對前3項影響很小，對輪軸橫向力影響較大。建議端軸橫向彈性間隙在1～3mm，止擋剛度在5.0～10.0MN／m。

（2）由于該機車主要運用在小半徑低速條件，因此分析機車通過半徑R300曲線時中間軸一系橫向彈性間隙對輪軸橫向力和脫軌系數的影響，得到參數范圍16～20mm。

（3）通過分析直線和曲線運行時，二系止擋處的橫向位移和橫向力，得到二系止擋自由間隙30mm，彈性間隙范圍10～12mm，以及止擋剛度范圍4.0～8.0 MN／m。

以上結果表明橫向止擋影響大軸重機車的動力學性能，因此研究止擋動力學參數具有重要意義。止擋參數優化分析也為大軸重機車的設計研究提供了參考。

［1］邵文東，董黎生，兆文忠，謝素明.出口澳大利亞35.7t軸重貨車轉向架的研制［J］.鐵道車輛，2008，46（2）：27－30.

［2］杜建華，陳 康.軸重及懸掛參數對大功率六軸交流傳動機車運行平穩性的影響［J］.內燃機車，2010，（10）：1－4.

［3］王坤全，羅 赟，張紅軍.32t軸重機車轉向架設計方案及動力學性能分析［J］.鐵道機車車輛，2010，30（1）：4－7.

［4］王坤全.32t大軸重交流傳動機車轉向架方案探討［J］.鐵道機車車輛，2011，31（1）：86－89.

［5］鮑維千.機車總體及轉向架［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［6］劉建新，王開云，封全保.機車車輛二系橫向止擋結構參數［J］.西南交通大學學報，2008，43（4）：469－472.