33t大軸重機車的輪軌動作用力研究

孫永路，陳 康

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

提高軸重是世界各國重載運輸一致采用的一項重要舉措，是降低運行成本的最有效的辦法。重載運輸?shù)娜髽?biāo)準(zhǔn)之一是軸重應(yīng)在25t以上［1］。美國、加拿大、澳大利亞已普遍采用35.4t軸重，巴西、瑞典已采用30 t軸重，南非、澳大利亞昆士蘭鐵路均是窄軌，已采用28 t（舊車26t）軸重。俄羅斯重載列車軸重提高到27 t［1-2］。我國也是鐵路貨運大國，當(dāng)前貨運機車的軸重為25t。在既有貨運干線質(zhì)量允許的條件下，開行大功率、大軸重貨運機車是解決我國當(dāng)前鐵路貨運緊張的主要辦法之一。

軸重的增加，可提高機車黏著利用率，提高牽引動力，加大單列車運輸能力，增加經(jīng)濟效益［6］。但同時可能伴隨著產(chǎn)生一些問題，如對走行部材料強度要求提高，車輪磨耗加快，起動、制動難度增加，更重要的是輪軌作用力增大，對軌道的破壞性加大，運行安全性下降。

分析軸重增加后機車的性能及輪軌作用力變化差異，探討機車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計及懸掛參數(shù)的變化對機車運行品質(zhì)的影響，以達(dá)到減小甚至消除軸重增加帶來的不利，對實際的大軸重機車設(shè)計制造具有很重要的作用［3-5］。因此，在開發(fā)時對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的大軸重機車的動力學(xué)表現(xiàn)比較分析是一項很重要的工作。

輪軌間的動作用力是影響機車運行安全和軌道破壞的最主要因素之一［6-7］。本文結(jié)合正在開發(fā)設(shè)計的某型33t大軸重交流傳動電力機車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，研究了33t軸重機車的輪軌動作用力特點，并與目前主流的25 t軸重機車的輪軌動作用力進行比較分析，對33t軸重機車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 33t軸重機車的物理模型

33t軸重機車的軸式為C0-C0，電機懸掛方式為軸懸式，機車的物理模型見圖1。

圖1 33t軸重機車的物理模型

機車由車體、構(gòu)架、輪對、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引電動機、電機吊掛裝置、牽引機構(gòu)組成。每構(gòu)架的二系懸掛裝置由6組高圓彈簧、兩個垂向減振器、兩個橫向減振器組成。一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器（端軸）和軸箱定位裝置組成。牽引電機一端抱在車軸上，另一端通過吊桿掛在構(gòu)架上。轉(zhuǎn)向架軸距為2.25～2.0m。為了降低牽引高度，牽引機構(gòu)由水平牽引桿、斜牽引桿和牽引桿吊桿組成。

為了全面了解33t軸重機車的輪軌動作用力特性，分析軸重增大后輪軌動作用力的變化情況，我們分析了兩種不同轉(zhuǎn)向架方案的33t軸重機車的輪軌動作用力，一種方案為一系硬、二系軟的結(jié)構(gòu)（簡稱方案1），另一種方案為一系軟、二系硬的結(jié)構(gòu)（簡稱方案2）。同時，作為比較，我們還對應(yīng)分析了兩種方案下的25t軸重機車的輪軌動作用力。為了便于分析，機車的簧下質(zhì)量和簧間質(zhì)量保持相同，機車軸重的不同僅僅是由于車體質(zhì)量不同產(chǎn)生的。模型中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 機車模型中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 33t軸重機車的輪軌動作用力分析

2.1 直線上的輪軌動作用力

在分析機車在直線軌道上的輪軌動作用力時，我們采用的線路不平順為美國AAR5級線路，軌道不平順考慮了左、右鋼軌的垂向和橫向不平順。機車運行速度為40～120km／h。

（1）垂向的輪軌動作用力

機車軸重增大后，輪軌垂向靜載荷增大是不可避免的，再加上輪軌間動載荷作用，線路和車輪都要受到更大的沖擊。計算分析表明對于所分析的4種2C0軸式機車模型，中間軸受力均小于端軸。因此我們選擇前轉(zhuǎn)向架1、3位輪對作比較。

機車第1、3輪對的垂向輪軌動作用力的計算結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 第1輪對的垂向輪軌動作用力

圖3 第3輪對的垂向輪軌動作用力

當(dāng)機車軸重從25t增加到33t后，如果轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛方案和一、二系靜撓度保持與25t軸重機車的相同，33t軸重機車的垂向輪軌動作用力明顯增大。采用方案1時，第1輪對在運行速度80km／h時增幅最大為40.5%，在運行速度100km／h時增幅最小為33.4%。第3輪對的增幅總體上比第1輪對小一些，在運行速度40km／h時增幅最大為41.8%，在運行速度100km／h時增幅最小為16.8%；采用方案2時第1輪對在速度80km／h時增幅最大為36.5%，在40km／h時增幅最小為19.5%。第3輪對的增幅總體上比第1輪對大一些，在速度60km／h時增幅最大為41.1%，在速度120km／h時增幅最小為17.6%。

當(dāng)機車軸重從25t增加到33t后，如果轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛改用與25t不同的一系軟、二系硬的設(shè)計，且一、二系靜撓度之和保持與25t軸重機車的相同（即模型4和模型1相比），此時垂向輪軌動作用力的增幅與方案1相比明顯降低，第1輪對在運行速度80 km／h時增幅最大為19.1%，在運行速度40km／h時甚至減小了1%。第3輪對的增幅在運行速度70km／h時增幅最大為8%，在運行速度40km／h減小了13.6%，第3輪對的垂向輪軌動作用力水平已經(jīng)與25t軸重的相當(dāng)。因此，增大機車一系靜撓度（降低一系垂向剛度）可以明顯降低機車的垂向輪軌動作用力，很好的改善了輪軌沖擊作用。大軸重機車更適合采用一系軟、二系硬的方案。

（2）橫向的輪軌動作用力

機車第1、3輪對的橫向輪軌動作用力的計算結(jié)果見圖4、圖5。

當(dāng)機車軸重從25t增加到33t后，不管轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛采用一系硬、二系軟的方案，還是一系軟、二系硬的方案，如果軸箱的縱向、橫向定位剛度保持不變，機車的橫向輪軌動作用力并沒有明顯增加，相反，在某些運行速度下第1輪對反而有所下降，一系靜撓度大時其下降得更多，仿真結(jié)果中模型4（方案2）的橫向輪軌力最小。對于第3輪對，當(dāng)運行速度低于70km／h時，33t軸重機車的橫向輪軌動作用力大于模型1的，運行速度在70～120km／h內(nèi)，模型3的橫向輪軌動作用力值和模型1的保持一致，模型4的橫向輪軌動作用力相比之下最小，與模型2的值接近。因此，大軸重機車的橫向輪軌動作用力主要由軸箱的縱向、橫向定位剛度決定，受機車一、二系靜撓度的影響很小。

圖4 第1輪對的橫向輪軌動作用力

圖5 第3輪對的橫向輪軌動作用力

（3）曲線上的車輪導(dǎo)向力

曲線通過時車輪導(dǎo)向力是值得關(guān)注的一個動力學(xué)指標(biāo)［8］。當(dāng)車輪導(dǎo)向力增大而垂向力減小時，脫軌系數(shù)會增大，超過標(biāo)準(zhǔn)時會影響到機車的脫軌安全性。我們主要比較機車第1輪對導(dǎo)向車輪橫向輪軌力的差異。

圖6是機車在300m半徑圓曲線上運行速度為70 km／h時第1輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的準(zhǔn)靜態(tài)值，圖7是機車以不同速度通過300m半徑圓曲線時第1輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的統(tǒng)計最大值，線路具有AAR5級線路不平順。

結(jié)果表明，不管軸重為25t還是33t，當(dāng)只改變機車的懸掛方案時其曲線上導(dǎo)向輪的橫向準(zhǔn)靜態(tài)值和動態(tài)統(tǒng)計最大值都保持近似不變。軸重從25t增加到33 t后，第1輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力準(zhǔn)靜態(tài)值增大約23%，統(tǒng)計最大值增大15%～20%（在20～80km／h運行速度內(nèi)）。一系懸掛靜撓度增加并不能降低穩(wěn)態(tài)曲線通過和動態(tài)曲線通過時車輪的橫向力，仿真表明它主要受軸重和軸箱縱向、橫向定位剛度的影響。

圖6 第一輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的準(zhǔn)靜態(tài)值

圖7 第一輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的統(tǒng)計最大值

3 一系懸掛橫向剛度對33t軸重機車橫向輪軌力的影響

機車多剛體系統(tǒng)是一個由二級懸掛組成的動力學(xué)系統(tǒng)，其中機車的一系懸掛縱向、橫向剛度對機車的穩(wěn)定性和曲線通過性能的影響非常大，而穩(wěn)定性和曲線通過性能對一系懸掛縱向、橫向剛度的要求又是矛盾的［4-6］。因此，在設(shè)計中要根據(jù)具體機車結(jié)構(gòu)對懸掛參數(shù)進行最優(yōu)化選擇。我們以模型3機車為研究對象，分析一系橫向剛度對33t軸重機車橫向輪軌力的影響。

圖8是33t軸重機車在直線軌道上1，2，3位輪對輪軌橫向動作用力隨一系橫向剛度值變化情況。圖9給出了33t軸重機車在300m半徑圓曲線上第1輪對導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力動載荷和統(tǒng)計最大值隨一系橫向剛度變化的情況。直線上機車速度100km／h，曲線上為70km／h。軌道不平順均為AAR5級線路。

圖8 一系橫向剛度對橫向輪軌動作用力影響

圖9 一系橫向剛度對車輪導(dǎo)向力的影響

隨著一系橫向剛度的增大，33t軸重機車1、3位輪對在直線軌道上的橫向輪軌動作用力明顯增大，第2輪對變化不大。在300m半徑圓曲線上第一輪對導(dǎo)向輪的動載荷和統(tǒng)計最大載荷在2.5kN／mm時最低，大于或小于此值，車輪導(dǎo)向力都會增大。

因此，對于33t軸重機車，在滿足穩(wěn)定性要求和兼顧曲線通過性能的前提下，盡可能地降低一系橫向剛度值，可以改善大軸重機車在直線軌道上產(chǎn)生的輪軌沖擊。

4 結(jié)論

通過對正在設(shè)計的某型33t大軸重機車的輪軌動作用力進行分析研究，并與25t軸重機車進行比較，得到以下結(jié)論：

（1）機車在直線軌道上運行，軸重從25t增加到33t，若保持一系硬、二系軟并且靜撓度值相同，則輪軌垂向作用力要明顯增大，且一位輪增幅最大。若33t軸重機車采用一系軟，二系硬的懸掛方案，則相比上述方案，輪軌垂向動作用力明顯下降，其中，3位輪的作用力已降到傳統(tǒng)的25t軸重機車的水平。

（2）機車在直線軌道上運行，軸重從25t增加到33t，輪軌橫向動載荷變化隨速度變化。不管采用一系硬、二系軟還是一系軟、二系硬的方案，在軸箱的縱向、橫向定位剛度不變情況下，機車的橫向輪軌動作用力沒有明顯增加。速度低于70km／h時，33t軸重機車的橫向輪軌動載荷比25t的要大。

（3）機車在圓曲線上運行，軸重從25t增加到33 t，準(zhǔn)靜態(tài)通過的橫向載荷近似成比例增加，增幅約為23%。動態(tài)曲線通過的橫向載荷最大值增幅為15%～20%。一系靜撓度增大對輪軌橫向力的改善作用不大。

（4）對采用模型2中設(shè)計參數(shù)的33t軸重機車，一系橫向剛度理論最佳值為2.5kN／mm，此時，曲線上導(dǎo)向輪輪軌力最小。隨著橫向剛度增加，直線上1、3位輪輪軌橫向作用力逐漸增大。

［1］錢立新.世界鐵路重載運輸?shù)淖钚逻M展［J］.鐵道建筑.2007，（8）：82-88.

［2］錢立新.國際鐵路重載技術(shù)發(fā)展水平［J］.國外鐵路，2003，（8）：58-59.

［3］杜建華，陳 康.軸重及懸掛參數(shù)對大功率六軸交流傳動機車運行平穩(wěn)性的影響［J］.內(nèi)燃機車，2010，（10）：1-5.

［4］肖守訥，黃 偉.25t軸重機車設(shè)計中的動力學(xué)及強度問題［J］.內(nèi)燃機車，1999，307（9）：5-8.

［5］王開云，孟 宏，翟婉明.120km／h交流傳動貨運電力機車動力學(xué)性能仿真分析及評估［J］.鐵道機車車輛，1999，（9）：5-8.

［6］鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部（第4版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［7］王 勇，羅 仁，池茂儒.大軸重貨車轉(zhuǎn)向架輪軌動力作用和磨耗研究［C］.實踐 開拓 創(chuàng)新——2008年快速重載車輛轉(zhuǎn)向架與輪軸學(xué)術(shù)研討會論文匯編，2008.

［8］朱劍林，曲天威，許自強.6軸大功率重載機車曲線通過問題研究［J］.內(nèi)燃機車，2009，（8）：1-4.