牽引電機懸掛方式對機車橫向穩定性的影響研究

馮相杰， 陳 康

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

機車驅動裝置懸掛方式大致分為軸懸式、架懸式、半體懸式和體懸式，架懸式又可分為彈性架懸和剛性架懸。傳統機車的速度低，驅動裝置的懸掛方式通常采用軸懸式懸掛方式；軸懸式懸掛方式的簧下質量相對較大，不能滿足高速運行的一系列動力學要求，金鼎昌等人經過研究發現半體懸和體懸懸掛方式能夠減少簧下質量，降低輪軌動作用力，可以滿足高速的要求[1]，故高速動力車驅動裝置的懸掛方式通常采用架懸式、半體懸式和體懸式。架懸式可以提高機車的橫向穩定性，降低機車對線路的要求[2]，我國160 km/h交流傳動機車上驅動裝置懸掛方式大多采用彈性架懸式。筆者主要就剛性架懸、彈性架懸和半體懸這3種方案的機車橫向穩定性性能進行對比研究。同時分析3種方案的橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性。

1 動力車模型

以國內某一彈性架懸式高速動力車為參考，在SIMPACK多體系統動力學環境中分別建立了彈性架懸式、剛性架懸式和半體懸式高速動力車模型。彈性架懸式高速動力車為B0-B0軸式電力機車，軸質量為19.7 t，主要由輪對、軸箱、一系懸掛裝置、構架、二系懸掛裝置、驅動裝置和基礎制動裝置組成。車體和構架間由二系懸掛裝置連接，構架和輪對之間由一系懸掛裝置連接；彈性架懸式高速動力車牽引電機一端通過兩根擺桿吊掛在構架上，另一端直接與構架相連，每個牽引電動機和構架間裝有一個橫向耦合減振器，牽引機構采用單牽引桿方式；模型中采用的輪軌關系為JM3磨耗型踏面與60 kg鋼軌匹配，1/40軌底坡。圖1為彈性架懸式機車物理學模型。剛性架懸式和半體懸式高速動力車模型都是在彈性架懸式高速動力車模型的基礎上，通過改變電機與構架的連接結構與懸掛裝置的參數得到的,通過彈性架懸式機車鎖死橡膠球關節與構架連接的剛度以及擺桿零自由度的連接在構架上得到剛性架懸式高速動力車模型，另外，剛性架懸相較于彈性架懸去掉了橫向耦合減振器。半體懸式高速動力車牽引電機一端通過兩根擺桿吊掛在構架的端梁上，另一端直接與車體相連，它的橫向耦合減振器裝在牽引電動機與車體之間，在縱向上靠近擺桿的位置。

2 初始結構參數下的橫向穩定性分析

穩定性計算方法主要有非線性和線性(根軌跡法)2種。根軌跡法是用來分析線性穩定性，確定線性臨界速度。筆者只計算與實際更為貼近的非線性臨界速度，這里用計算機車運行過程中輪對橫向振動極限環振幅的方法分析機車的非線性臨界速度[3]。輪對橫向振動極限環振幅的計算方法為讓機車以一定的速度通過一段不平順時域譜激擾的長度為50 m的軌道，然后繼續在平順的直線軌道上運行，通過計算各剛體位移的收斂和發散情況來判斷機車是否失穩[4]。

2.1 剛性架懸式機車的橫向穩定性分析

驅動裝置采用剛性架懸的機車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環振幅見圖2。

圖2 剛性架懸各輪對極限環振幅

計算結果表明，驅動裝置采用剛性架懸的機車的非線性臨界速度為240 km/h左右。當機車以60～100 km/h低速運行時輪對具有小幅的極限環振動，機車運行速度為100～240 km/h時各輪對橫向振動具有很好的收斂性。盡管低速運行時輪對的橫向位移比輪軌間隙小，遠沒有達到撞擊鋼軌的極限狀態，但低速下的極限環振動仍然對機車在低速下運行時的橫向穩定性有不利的影響。

2.2 彈性架懸式機車的橫向穩定性分析

驅動裝置采用彈性架懸的機車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環振幅見圖3。

計算結果表明，驅動裝置采用彈性架懸的機車的非線性臨界速度為280 km/h左右。當機車以60～100 km/h低速運行時輪對具有小幅的極限環振動，機車運行速度為100～280 km/h時各輪對橫向振動具有很好的收斂性。盡管低速運行時輪對的橫向位移比輪軌間隙小，遠沒有達到撞擊鋼軌的極限狀態，但低速下的極限環振動仍然對機車在低速下運行時的橫向穩定性有不利的影響。

圖3 彈性架懸各輪對極限環振幅

2.3 半體懸式機車的橫向穩定性分析

驅動裝置采用半體懸式的機車在不同的速度下各輪對的橫向振動極限環振幅見圖4。

圖4 半體懸各輪對極限環振幅

計算結果表明，驅動裝置采用半體懸的機車的非線性臨界速度為320 km/h左右。機車運行速度在60～320 km/h時各輪對始終有小幅的橫向振動，速度在140～240 km/h時顯得尤為突出。

2.4 不同驅動裝置懸掛方式的橫向穩定性對比

對3種驅動裝置不同懸掛方式的模型的橫向穩定性作對比分析研究，圖5比較了第1輪對的橫向振動極限環振幅和速度320 km/h的時間歷程。

計算結果表明，驅動裝置為半體懸的機車非線性臨界速度最高，驅動裝置為剛性架懸的機車非線性臨界速度最低，驅動裝置為彈性架懸的機車非線性臨界速度居中；驅動裝置為剛性架懸和彈性架懸的機車在低速運行時都存在小幅的極限環振動，半體懸的機車在運行過程中始終存在小幅的橫向振動。

3 橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性

通過閱讀文獻發現，對機車橫向穩定性影響比較大的結構參數主要是一系縱向剛度、抗蛇行減振器的安裝剛度和抗蛇行減振器的阻尼系數[5]。主要針對設計方案中高速動力車低速運行時輪對橫向振動出現小幅度的極限環振動的問題，分析3種方案的橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性。用Kpx表示一系縱向剛度，保持其他參數不變的情況下，一系縱向剛度分別取11，15，19，23，27，31 kN/mm進行分析對比研究。

3.1 剛性架懸式機車橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計算結果如圖6所示，從圖6中可以看出，當保持其他結構參數不變的條件下，剛性架懸式機車在低速下運行時第1輪對的極限環振幅隨著一系縱向剛度的減小而減小，當Kpx等于11 kN/mm時，剛性架懸式機車低速下的極限環振幅為0，輪對不會出現橫向振動。從總體趨勢上看，剛性架懸式機車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，但是在一定的范圍類(如Kpx在19～23 kN/mm時)減小一系縱向剛度并不能有效的增大其非線性臨界速度。

圖5 3模型橫向穩定性計算結果比較

圖6 一系縱向剛度對剛性架懸第1輪對極限環振幅的影響

3.2 彈性架懸式機車橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計算結果如圖7所示，從圖7中可以看出，在保持其他結構參數不變的情況下，彈性架懸式機車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，另外，隨著一系縱向剛度的減小，彈性架懸式機車第1輪對在低速運行時的極限環振幅也隨之減小，當Kpx等于11 kN/mm時，機車第1輪對在低速運行時不會出現橫向振動問題。

3.3 半體懸式機車橫向穩定性對一系縱向剛度變化的敏感性

計算結果如圖8所示，從圖8中可以看出，半體懸式機車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的增大而減小，半體懸式機車在運行中始終有著小幅的橫向振動位移，改變一系縱向剛度不能明顯改善這一問題。

圖7 一系縱向剛度對彈性架懸第1輪對極限環振幅的影響

圖8 一系縱向剛度對剛性架懸第1輪對極限環振幅的影響

4 結束語

通過分析驅動裝置不同懸掛方式的機車的橫向穩定性以及一系縱向剛度對機車橫向穩定性的影響，得到以下結論：

(1) 在保持其他結構參數不變，只改變驅動裝置的懸掛方式的情況下，半體懸機車的非線性臨界速度最大，剛性架懸機車的非線性臨界速度最小，彈性架懸機車的非線性臨界速度居中。

(2) 從總體趨勢上看，剛性架懸、彈性架懸和半體懸機車的非線性臨界速度都會隨著一系縱向剛度的降低而增大。但是當一系縱向剛度在一定的范圍內變化時(如Kpx在19～23 kN/mm時)，剛性架懸式機車的非線性臨界速度保持不變。

(3) 對于剛性架懸和彈性架懸機車而言，機車在低速運行時的極限環振幅會隨著一系縱向剛度的減小而減小，當一系縱向剛度等于11 kN/mm時，剛性架懸式和彈性架懸式機車在低速時都不會出現橫向振動位移。

(4) 彈性架懸機車的橫向穩定性對一系縱向剛度的敏感度最高，半體懸機車的橫向穩定性對一系縱向剛度的敏感度最低，剛性架懸式機車的橫向穩定性對一系縱向剛度的敏感度居于二者之間。

以上模擬計算，驅動裝置采用剛性架懸和半體懸的機車的計算模型都是在彈性架懸式機車動力學模型的基礎上進行簡單的修改得到的，與實際的剛性架懸式機車和半體懸式機車都有一定的偏差，所以需更進一步地進行研究分析。

[1] 金鼎昌，羅 赟，黃志輝. 牽引電動機懸掛方式對機車或動車動力學性能的影響[J]. 鐵道學報，1994，16(S1)：43-47.

[2] 羅赟，羅世輝，金鼎昌. 采用彈性與剛性架承式驅動裝置的機車橫向性能比較[J]. 機車電傳動， 2005(3)：41-43.

[3] 許自強，羅世輝，馬衛華. 速度200 km/h車輛一系懸掛參數優化及性能分析[J]. 鐵道機車車輛，2012,32(1):22-25.

[4] 何皋，陳清.懸掛參數對250 km/h高速機車橫向動力學的影響[J]. 電力機車與城軌車輛,2012,35(2):25-30.

[5] 池茂儒，張衛華，曾京，等. 高速客車轉向架懸掛參數分析[J]. 大連交通大學學報, 2007,28(3):13-19.