抗蛇行減振器安裝方式對機車穩定性和平穩性的影響

鄧小星， 陳國勝， 陳喜紅

(中國中車株洲電力機車有限公司， 湖南株洲 412001)

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抗蛇行減振器安裝方式對機車穩定性和平穩性的影響

鄧小星， 陳國勝， 陳喜紅

(中國中車株洲電力機車有限公司， 湖南株洲 412001)

分析3種抗蛇行減振器安裝方式時轉向架的受力差異，通過動力學仿真分析研究抗蛇行減振器安裝方式對機車運行穩定性和平穩性的影響。研究表明，左右對稱但非平行安裝方式下的機車運行穩定性和橫向平穩性明顯差于左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式。對于左右對稱但非平行安裝方式，減小抗蛇行減振器與轉向架縱向中心線的夾角有利于提高機車運行穩定性和改善機車橫向運行平穩性

抗蛇行； 轉向架蛇行； 安裝角度； 穩定性； 平穩性

隨著HXD1D和HXD3D六軸機車批量投入運營，我國機車牽引客車模式的客運運輸已基本步入了快速客運時代。相比六軸快速客運機車，目前運營的四軸快速客運機車仍為上世紀90年代研制成功的SS8型機車，本世紀初研制的九方、奧星、天梭等機車均未量產。以上四軸快速客運機車均采用B0轉向架，最高速度為160 ～200 km/h，轉向架都配置了抗蛇行減振器。但實際運用中有些四軸機車還是出現了140 km/h以上速度區間晃車等問題，晃車原因之一為轉向架蛇行運動穩定性裕量不足。而轉向架蛇行運動穩定性與抗蛇行減振器的參數及其安裝方式均有密切關系。若忽略了抗蛇行減振器安裝方式的影響，單純進行抗蛇行減振器的參數優化對提升機車蛇行運動穩定性效果有限。本文將就抗蛇行減振器安裝方式對機車運行穩定性和平穩性的影響進行討論。

1　抗蛇行減振器3種安裝方式

轉向架抗蛇行減振器通常安裝在構架側梁與車體邊梁之間。按照左、右抗蛇行減振器的相互位置關系大概可以將抗蛇行減振器安裝方式歸為以下3類，如圖1：(a)左右對稱但非平行安裝方式；(b)左右對稱且平行安裝方式；(c)斜對稱安裝方式。

2　3種安裝方式的力學分析

對于圖1(a)所示的抗蛇行減振器左右對稱但非平行安裝方式，當轉向架順時針搖頭時，一側的抗蛇行減振器受拉力F11，由于減振器為二力桿結構，力F11的方向為減振器兩端關節的連線，力F11可以分解為縱向分力和橫向分力F11y；另一側的抗蛇行減振器受壓力F12，F12與F11大小相等，力F12可以分解為縱向分力和橫向分力F12y；F11與F12縱向分力大小相等、方向相反，互相抵消；而橫向分力F11y和橫向分力F12y則大小相等、方向相同，因此構架和車體受到的橫向合力為F11y+F12y。

對于圖1(b)所示的抗蛇行減振器左右對稱且平行安裝方式，當轉向架順時針搖頭時，一側的抗蛇行減振器受拉力F21，由于減振器與轉向架中心線平行，力F21橫向分力0；另一側的抗蛇行減振器受壓力F22，F22與F21大小相等，且力F22的橫向分力同樣為0。因此構架和車體受到的橫向合力為0。

對于圖1(c)所示的抗蛇行減振器斜對稱安裝方式，當轉向架順時針搖頭時，一側的抗蛇行減振器受拉力F31，力F31可以分解為縱向分力和橫向分力F31y；另一側的抗蛇行減振器同樣受拉力F32，F32與F31大小相等，力F32可以分解為縱向分力和橫向分力F32y；F31與F32縱向分力大小相等、方向相反，互相抵消；橫向分力F31y和橫向分力F32y也是大小相等、方向相反，因此構架和車體受到的橫向合力為0。

3種抗蛇行減振器安裝方式中，只有抗蛇行減振器左右對稱但非平行安裝方式的構架和車體橫向受力不為0，且橫向受力與減振器和轉向架縱向中心線的夾角正相關。

另外，左右對稱但非平行安裝方式和斜對稱安裝方式情況下，抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角將給二系懸掛附加一部分橫向阻尼，該附加橫向阻尼也將一定程度地影響機車橫向平穩性。

圖1　抗蛇行減振器不同安裝方式

3　3種安裝方式對穩定性的影響

建立了某四軸快速客運機車的動力學模型。該動力學模型包含車體、構架、牽引電機、輪對共11個剛體，共66個自由度；每個轉向架包含4個一系彈簧組、2個二系彈簧、4個一系垂向減振器、2個二系垂向減振器、2個二系橫向減振器和2個抗蛇行減振器，該動力學模型詳細考慮了各減振器兩端的安裝位置。機車的主要結構和懸掛參數見表1。

計算了3種抗蛇行減振器安裝方式下的機車穩定性和平穩性，3種計算動力學模型只有抗蛇行減振器安裝位置不同，其他參數完全一致。3種安裝方式下的第1輪對極限環見圖2，左右對稱但非平行安裝方式下的第1輪對橫移極限環隨速度遞增，而左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式下的第1輪對橫移極限環在500 km/h速度范圍內都為0。

當機車運行速度為350 km/h時，3種抗蛇行減振器安裝方式下的第1輪對收斂情況見圖3。其中，左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式下的第1輪對橫移很快收斂為0，而左右對稱但非平行安裝方式下的第1輪對橫移出現了約2 mm的等幅振蕩，無法有效收斂。

綜上，左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式下的機車穩定性明顯好于左右對稱但非平行安裝方式。

表1　機車主要結構和懸掛參數

圖2　3種安裝方式下的輪對橫移極限環

圖3　速度350 km/h時的輪對橫移

4　左右對稱但非平行安裝方式下夾角對運行穩定性和平穩性的影響

可以推測，在抗蛇行減振器左右對稱但非平行安裝方式下機車穩定性較低的原因與構架和車體受到的橫向合力F11y+F12y有關，即轉向架搖頭運動的同時不可避免的施加于轉向架自身一個橫向力，從而造成轉向架搖頭運動與橫移運動的耦合。

該橫向力與抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角(如圖1(a)中的β1)正相關。因此，在不改變其他參數的情況下，通過改變夾角β1對機車穩定性及平穩性進行了動力學計算，見圖4。當夾角β1為4°和8°時，第一輪對橫移極限環在500 km/h速度范圍內都為0；夾角β1為12°時，速度超過350 km/h時第一輪對橫移極限環明顯增大，最大約2.5 mm；夾角β1為16°時，速度超過250 km/h時第一輪對橫移極限環明顯增大，最大約5 mm；夾角β1為20°時，速度超過200 km/h時第一輪對橫移極限環迅速增大，最大達到了輪軌間隙8 mm。因此，抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角β1越大，其蛇行運動穩定性越低。從提高機車蛇行運動穩定性角度考慮，該機車的夾角β1不宜超過8°。

圖4　不同夾角下的輪對極限環

抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角β1對機車平穩性的影響見圖5和圖6。其中，夾角β1越大，則機車的橫向平穩性指標越大，而機車的垂向平穩性指標則與該夾角關系不大。機車的橫向平穩性指標增大主要原因是受橫向合力F11y+F12y及由夾角β1帶來的附加二系橫向阻尼的雙重影響。

圖5　不同夾角下的機車橫向平穩性

因此，在抗蛇行減振器左右對稱但非平行安裝方式下，減小抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角β1對提高機車穩定性和改善機車橫向運行平穩性均為有益。

圖6　不同夾角下的機車垂向平穩性

5　結論

左右對稱但非平行安裝方式、左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式3種抗蛇行減振器安裝方式中，只有左右對稱但非平行安裝方式下的構架和車體橫向受力不為0，即轉向架搖頭運動的同時不可避免的施加于轉向架自身一個橫向力，從而造成轉向架搖頭運動與橫移運動的耦合。受其影響，左右對稱但非平行安裝方式下的機車運行穩定性明顯差于左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式。

在抗蛇行減振器左右對稱但非平行安裝方式下，抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角與機車穩定性和橫向平穩性有密切關系。減小該夾角對提高機車運行穩定性和改善機車橫向運行平穩性均為有益。

機車抗蛇行減振器的優選安裝方式為左右對稱且平行安裝方式和斜對稱安裝方式；若選擇左右對稱但非平行安裝方式，則應控制抗蛇行減振器和轉向架縱向中心線的夾角值不應太大。

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DENGXiaoxing,CHENGuosheng,CHENXihong

(CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China)

The paper analyzes the bogie force difference of three installation ways of yaw dampers, and studies the influence of yaw dampers installation way on locomotive stability and comfort through dynamics simulation. The study shows that locomotive's stability and comfort is much better when anti-hunting dampers are left-right symmetrically & parallel installed or skew symmetrically installed than left-right symmetrically and non-parallel installed. When locomotive's anti-hunting dampers are left-right symmetrically & non-parallel installed, reducing the angle between anti-hunting damper and bogie longitudinal center line is benefit for improving locomotive's stability and comfort.

anti-hunting; bogie hunting; installation angle; stability; comfort

1008-7842 (2016) 02-0024-03

??)男，工程師(

2015-11-15)

U260.11+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.05