重載機(jī)車軸重對其動力學(xué)性能影響的探討

李華祥， 張志和， 呂士勇， 劉 鵬

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

提高軸重是世界各國重載運(yùn)輸一致采用的一項重要舉措,是降低運(yùn)行成本的最有效的辦法之一。軸重的增加,可提高機(jī)車黏著利用率,提高牽引力,加大單列車運(yùn)輸能力,增加經(jīng)濟(jì)效益[1],但軸重的增加也意味著輪軌作用力產(chǎn)生變化,分析軸重增加后對機(jī)車和鋼軌之間作用力的影響,探討影響的原因和因數(shù),研究輪軌動作用力的特點(diǎn)，以達(dá)到減小和消除軸重增加帶來的不利影響,對重載機(jī)車的設(shè)計、制造和應(yīng)用具有實(shí)際的意義和重要的作用。

機(jī)車運(yùn)行時，輪軌之間主要承受3個方向的載荷，即垂向載荷、橫向載荷和縱向載荷。垂向載荷由機(jī)車質(zhì)量所產(chǎn)生的靜載荷和垂向振動引起的附加動載荷組成，橫向載荷由機(jī)車通過曲線時產(chǎn)生的輪軌導(dǎo)向力及機(jī)車橫向振動引起的附加橫向載荷組成，縱向載荷包括牽引力和制動力以及縱向沖動引起的沖擊力，這些載荷的作用效果可用機(jī)車動力學(xué)評定指標(biāo)——運(yùn)行安全性和運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)來評價。

文中主要對機(jī)車軸重增加后對動力學(xué)性能的影響進(jìn)行探討。采用測力輪對法對影響機(jī)車安全性指標(biāo)的脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)、采用加速度傳感器對影響機(jī)車平穩(wěn)性指標(biāo)的車體振動加速度等指標(biāo)進(jìn)行測試，通過對測試結(jié)果的分析探討機(jī)車軸重增加對機(jī)車動力學(xué)性能的影響。

1 試驗車型說明

被試機(jī)車為2種車型，一種為八軸23 t/25 t軸重機(jī)車，機(jī)車最高運(yùn)行速度為120 km/h，另一種為八軸27 t/30 t軸重機(jī)車，機(jī)車最高運(yùn)行速度為100 km/h。2種車型的軸重均可通過增加和減少車內(nèi)配重塊實(shí)現(xiàn)各自機(jī)車不同軸重之間的轉(zhuǎn)換。2種車型外型圖見圖1和圖2。

對于機(jī)車來說,機(jī)車轉(zhuǎn)向架懸掛裝置的性能對機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性和走行安全性起主要作用，轉(zhuǎn)向架懸掛裝置根據(jù)所處位置的不同分為一系懸掛裝置與二系懸掛裝置，圖1和圖2所示的八軸機(jī)車均在軸箱與構(gòu)架之間設(shè)置一系懸掛裝置，在車體與轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置二系懸掛裝置。

八軸23 t/25 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置采用鋼彈簧+雙軸箱拉桿結(jié)構(gòu)，在軸箱體上有兩組螺旋鋼彈簧，在軸箱體兩側(cè)各安裝有一個軸箱拉桿，并配置有一系垂向減振器；二系懸掛裝置由兩組二系懸掛螺旋鋼彈簧作為承載主體，同時在構(gòu)架與車體間設(shè)置二系橫向減振器以衰減振動[2]。

圖1 八軸23 t/25 t軸重機(jī)車

圖2 八軸27 t/30 t軸重機(jī)車

八軸27 t/30 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置采用技術(shù)成熟的鋼彈簧+雙軸箱拉桿結(jié)構(gòu)，并配置垂向減振器。考慮軸重及牽引力的增大，軸箱采用雙拉桿結(jié)構(gòu)，通過合理匹配橫向定位剛度，以提高小曲線通過能力，同時降低輪對橫向力[3]；通過仿真計算可知，降低一系垂向剛度可以明顯降低機(jī)車的垂向輪軌動作用力，很好的改善輪軌沖擊作用，大軸重機(jī)車更適合采用一系軟、二系硬的懸掛結(jié)構(gòu)[4]，因此大軸重機(jī)車二系懸掛裝置采用橡膠堆+橫向減振器的結(jié)構(gòu)，橡膠堆的工作高度相對高柔鋼彈簧的工作高要低些，可減小車軸的負(fù)載，保證機(jī)車具有良好的黏著性能，減小軸重轉(zhuǎn)移。

2種機(jī)車轉(zhuǎn)向架外形圖見圖3和圖4。

圖3 八軸23 t/25 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架

圖4 八軸27 t/30 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架

2 機(jī)車運(yùn)行安全性測試評價

機(jī)車運(yùn)行安全性可用脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)來表征。脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)通過作用于機(jī)車車輪與鋼軌之間的垂向力和橫向力的測量和計算完成，輪軌力的測量采用測力輪對方式進(jìn)行，試驗前，需要進(jìn)行測力輪對的技術(shù)整備工作，完成輪軌力測量電橋貼片、靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)校核等作業(yè)，車輪旋轉(zhuǎn)一圈給出一對有效峰值，輪軌間垂向和橫向作用力通過測力輪對直接測量得到， 2種車型均在機(jī)車前進(jìn)方向安裝了兩條測力輪對，分別安裝在前進(jìn)方向的第1軸位和第5軸位。

2.1 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)用于評定被試機(jī)車的車輪在橫向力作用下是否會爬上鋼軌而造成脫軌。

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2360[5]規(guī)定的脫軌系數(shù)限值見表1。

按測力輪對法對不同軸重的機(jī)車進(jìn)行不同速度等級下的直線運(yùn)行試驗，從試驗結(jié)果看，前進(jìn)方向第1軸的脫軌系數(shù)較其他軸的脫軌系數(shù)要稍高一些，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時各型機(jī)車均選取1軸的脫軌系數(shù)評定值進(jìn)行比較，圖5即是在4種軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)的對比圖。

表1 脫軌系數(shù)Q/P的限值

圖5 不同軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)對比圖

在直線運(yùn)行試驗中，在90 km/h速度下，采用同一轉(zhuǎn)向架的23 t軸重機(jī)車和25 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)相同，并無明顯的增大，在90 km/h速度以上軸重大的機(jī)車脫軌系數(shù)會有小幅度增加。在80 km/h速度下，采用同一轉(zhuǎn)向架的27 t軸重機(jī)車和30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)不同，30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)增幅稍大。

考慮到27 t/30 t軸重機(jī)車最高運(yùn)行速度為100 km/h，23 t/25 t軸重機(jī)車最高運(yùn)行速度為120 km/h，因此也對速度為60 km/h以上的27 t/30 t軸重下的脫軌系數(shù)進(jìn)行了對比，見圖6。

圖6 27 t/30 t軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)對比圖

從圖6可知，27 t/30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)0.16(60 km/h)，脫軌系數(shù)從60 km/h速度后開始增大，軸重的增加在高速的時候?qū)γ撥壪禂?shù)的影響加大，在60 km/h 速度情況下差異小，這和23 t/25 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)的曲線規(guī)律是一致的，只是脫軌系數(shù)增大的速度點(diǎn)前移了。100 km/h速度下的30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)為0.34，是測試中脫軌系數(shù)最高的評定值，但在評定等級的優(yōu)良范圍值0.6之內(nèi)。

2.2 輪軸垂向力

機(jī)車軸重增大會帶來輪軌垂向靜載荷的增加，再加上輪軌間的動載荷作用，輪軸垂向力隨軸重的增加都會改變，測試結(jié)果見圖7。

圖7 不同軸重下的輪軸垂向力對比圖

采用相同懸掛設(shè)計的機(jī)車輪軸垂向力受速度增加的影響很小，軸重的增加會引起輪軸垂向力的小幅度增加，其中輪軌間動載荷又受線路環(huán)境條件和運(yùn)行工況的影響，其不確定因素較大。

從圖7的試驗結(jié)果也可看到27 t/30 t軸重機(jī)車輪軸垂向力較23 t/25 t軸重機(jī)車無明顯大的增幅，在27 t/30 t軸重機(jī)車懸掛設(shè)計中采用了一系軟、二系硬的懸掛結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果也表明對于降低機(jī)車的垂向輪軌動作用力有明顯的改善。

2.3 輪軸橫向力和線路橫向穩(wěn)定性

線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)表示線路在機(jī)車橫向力的作用下，可能產(chǎn)生軌距擴(kuò)大或軌排橫移的程度。

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2360規(guī)定的線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)限值見表2。

表2 線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)C限值

采用動力學(xué)仿真分析方法對機(jī)車輪軸橫向力和線路橫向穩(wěn)定性進(jìn)行評估。在直線運(yùn)行工況，前進(jìn)方向中間軸的輪軸橫向力較第1軸要稍高一些，因此各型機(jī)車均選取中間軸的輪軸橫向力數(shù)值進(jìn)行比較，并折算為線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)，圖8是在4種軸重下的八軸機(jī)車中間軸輪軸橫向力的對比圖。

機(jī)車的一系懸掛橫向剛度對機(jī)車的輪軌橫向力影響非常大，從圖8可知，采用相同懸掛設(shè)計的23 t/25 t軸重機(jī)車輪軌橫向力幾乎沒有變化，不受軸重和速度的影響，而采用相同懸掛設(shè)計的27 t/30 t軸重機(jī)車輪軌橫向力受軸重增加的影響較大，受速度增加的影響較小，這也反映了大軸重機(jī)車采用垂向剛度一系軟、二系硬的懸掛方式雖然有利于減小垂向力，但一系懸掛垂向剛度低對于輪軌橫向力的改善不明顯。

線路穩(wěn)定性對一系懸掛縱向、橫向剛度的要求是矛盾的，因此TB/T 2360標(biāo)準(zhǔn)對輪軌橫向力并沒有限值要求，評定指標(biāo)采用的是受輪軌垂向力和橫向力共同作用下的線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)，因為在設(shè)計中會 根據(jù)具體機(jī)車結(jié)構(gòu)對懸掛參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇，圖9是在4種軸重下的八軸機(jī)車中間軸線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)的對比圖。

圖8 不同軸重下的八軸機(jī)車中間軸輪軸橫向力對比圖

圖9 不同軸重下的八軸機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)對比圖

23，25，27 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)評定等級最高為0.57，在優(yōu)良范圍0.7以內(nèi)，30 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)評定等級在良好范圍0.88以內(nèi)，優(yōu)化選擇后的懸掛參數(shù)對于27 t軸重機(jī)車的線路橫向穩(wěn)定性作用效果明顯，對于30 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性的作用效果不明顯，可繼續(xù)研究更適宜的懸掛參數(shù)減小軸重帶來的影響。

3 機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性測試評價

機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性可用車體振動加速度值來表征。振動加速度包括垂向和橫向加速度，通過設(shè)置在車體前后牽引梁和司機(jī)室座椅底部地板中央的加速度傳感器來測量，對測量數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定處理后來評價機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性。TB/T 2360標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車體振動加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)各評定等級的限值見表3。

圖10和圖11即是在直線運(yùn)行時，4種軸重狀態(tài)下的八軸機(jī)車車體垂向和橫向振動加速度的對比圖。

表3 車體振動加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)評定等級

圖10 不同軸重下的八軸機(jī)車車體垂向振動加速度對比圖

圖11 不同軸重下的八軸機(jī)車車體橫向振動加速度對比圖

運(yùn)行速度的增加會引起車體垂向振動加速度和車體橫向振動加速度的增大，但增大的幅度小，對機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很小。

軸重的增加，在采用同樣的轉(zhuǎn)向架參數(shù)的情況下，機(jī)車的車體振動加速度有所改善，機(jī)車運(yùn)行的舒適度更高一些。

圖12和圖13是在直線運(yùn)行時，4種軸重狀態(tài)下的八軸機(jī)車車體垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的對比圖。

從圖12和圖13可知，運(yùn)行速度的增加會引起機(jī)車垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的增大，但增大的幅度小，對機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很小；軸重的增加，在采用同樣的轉(zhuǎn)向架參數(shù)的情況下，軸重的增加會改善車體平穩(wěn)性，但改善的幅度小，對機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很小。

從以上數(shù)據(jù)也可得知，機(jī)車的平穩(wěn)性更多的影響因素不是機(jī)車的軸重，而是轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)。

圖12 不同軸重下的八軸機(jī)車垂向平穩(wěn)性指標(biāo)對比圖

圖13 不同軸重下的八軸機(jī)車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)對比圖

4 結(jié) 論

通過不同軸重下的機(jī)車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)的實(shí)際測量值進(jìn)行測量并分析研究，同時參考機(jī)車設(shè)計時的仿真分析結(jié)果，有如下結(jié)論：

(1) 機(jī)車在直線軌道上運(yùn)行，在80 km/h速度下，軸重的增加對采用相同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及懸掛參數(shù)的機(jī)車脫軌系數(shù)無明顯的增大，在80 km/h速度以上軸重大的機(jī)車脫軌系數(shù)會有小幅度增加。軸重的增加在高速的時候?qū)γ撥壪禂?shù)的影響加大，因此，大軸重機(jī)車更適宜重載中速的運(yùn)行模式。輪軌間作用力和線路橫向穩(wěn)定性指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)許可范圍之內(nèi)，安全性評估滿足使用要求。

(2) 采用相同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及懸掛參數(shù)的機(jī)車，軸重的增加會改善車體平穩(wěn)性，影響機(jī)車平穩(wěn)性更多的因素不是機(jī)車的軸重，而是轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)。兩種機(jī)車的車體振動加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)許可范圍之內(nèi)，平穩(wěn)性評估滿足使用要求。

通過試驗和分析表明，軸重增加后的重載機(jī)車動力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通過增加機(jī)車軸重可以提高機(jī)車牽引力或改善機(jī)車的黏著性能，重載機(jī)車的推廣應(yīng)用將具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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

[2] 張志和，封全保，賈 峰，等.HXD2型交流傳動重載貨運(yùn)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架[J].機(jī)車電傳動,2008(3):6-7，11.

[3] 馬呈祥，寇樹仁，楊俊杰，等.30 t軸重交流傳動電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計思考[J].鐵道機(jī)車車輛,2013，33(S1):103-106.

[4] 孫永路，陳 康.33 t大軸重機(jī)車的輪軌動作用力研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2012，32(4):28-31.

[5] TB/T 2360鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中華人民共和國鐵道部,1993.

[6] 檢驗報告.(2007)JL字第W189號[R].北京:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,2007.

[7] 檢驗報告.(2014)JL字第W-1039號[R].北京:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,2014.