驅動系統彈性懸掛方式對機車動力學影響對比研究

張曉霞, 侯 躍, 姚 遠,3

(1 成都理工大學 核技術與自動化學院， 成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031；3 大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室, 湖南株洲 412001)

近年來，隨著列車運行速度的不斷提高，越來越多的高速機車動力轉向架采用驅動裝置彈性懸掛的結構型式，以提高機車或動車高速運行橫向動力學性能[1-2]。國內外針對驅動裝置彈性懸掛進行了深入的研究。梁煒昭指出車體和構架的橫向動力學指標隨著懸掛擺桿長度和驅動裝置減振器阻尼的增大而先減小、后增大[3]。長客股份的黃彩虹分析后得出當電機橫移頻率低于最佳頻率時，轉向架蛇行運動穩定性較高[4]。S.Alfi根據EN 14363分析電機懸掛剛度對非線性穩定性的影響[5]，文獻[6]指出增加電機懸掛剛度是降低動態滑移率的有效措施，從而提高了機車的黏著性能，且動態滑移率與電機懸掛剛度的平方根成反比。羅赟等提出3剛體機車橫向振動模型，分析不同速度下驅動裝置懸掛參數對機車受迫振動的影響，指出機車運行速度達到160 km/h后，驅動裝置懸掛應采用彈性懸掛方式，驅動裝置縱、橫向剛度選擇在10 kN·m-1數量級，可以顯著改善機車的橫向性能和電機工作條件，有效降低橫向輪軌力，還可以提高機車的穩定性[7]。文獻[8-9] 通過對六軸機車驅動裝置懸掛方案的研究發現采用彈性懸掛方案可以顯著降低機車直線運行的輪軸橫向力，且擺桿位于電機端的彈性懸掛方式優于懸臂端彈性懸掛方式。文獻[10]建立了具有10個自由度的轉向架動力學模型，并根據動態吸振原理提出了驅動系統的最佳懸架頻率。針對B0和C0機車建立多體動力學模型，比較兩種不同的驅動系統彈性懸掛裝置對機車動力學性能影響。在以上兩種彈性懸掛裝置的基礎上提出全彈性懸掛結構，并對整車進行多體動力學仿真。最后研究了不同車輛懸掛參數下全彈性懸掛結構的魯棒性。研究結果可為機車、動力車優化彈性懸掛參數的實際工程應用提供理論依據。

1 驅動系統懸掛方式

對于高速機車，驅動系統通過單橡膠節點和兩個擺桿安裝在構架的橫梁上，并且驅動系統與構架通過減振器橫向連接，以衰減電機的橫向運動。橡膠節點和兩個擺桿分別布置在驅動系統沿軌道方向的兩側，橡膠節點和擺桿均具有彈性，以隔離振動并提供電機的橫向回復剛度。當電機相對構架橫向運動時，垂向布置的兩根擺桿和橡膠節點在鉛垂面內擺動，實現電機質心繞橡膠節點的橫向運動。擺桿可布置在靠近電機側和非電機側兩種結構形式，分別如圖1和2所示。驅動系統通過雙空心軸六連桿盤傳動裝置與輪對連接，其合成橫向剛度為圖中kce；驅動系統與構架間布置橫向減振器，橫向阻尼為圖中cmy。

由于電機相對橡膠節點繞垂向軸擺動實現電機質心的橫向運動，電機擺動頻率與阻尼比不僅與懸掛元件的剛度和阻尼參數有關，而且與電機質心、安裝位置等結構參數有關。圖1和圖2分別為兩種驅動系統彈性懸掛示意圖與結構參數，其中l1、l2、l3和l分別為橡膠節點到電機橫向減振器，電機質心、六連桿和擺桿的長度；h為擺桿高度；Mm和Imx分別為電機質量和繞縱向軸的轉動慣量。

圖1 驅動系統彈性懸掛方式1

圖2 驅動系統彈性懸掛方式2

選取兩臺不同的200 km/h速度等級機車作為分析對象，其彈性懸掛驅動系統分別為上述兩種結構形式，兩種驅動系統的結構參數見表1。

表1 兩種驅動系統的參數

2 兩種懸掛方式對動力學性能的影響對比

為了比較以上兩種驅動系統彈性懸掛方式對機車動力學性能的影響，利用多剛體動力學軟件SIMPACK分別建立兩臺機車動力學模型，如圖3，機車主要參數見表2。機車1、2驅動系統分別采用上述懸掛方式1和懸掛方式2。車輪踏面為JM3磨耗形踏面，標準軌距，計算機車直線運行工況。軌道激勵采用德國高干擾功率譜密度轉換成1～139 m波長的時域不平順。

表2 兩臺機車主要參數

圖3 機車多體動力學模型

圖4為不同速度下驅動系統彈性懸掛方式對機車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉向架后輪對。對于這兩種機車，當車輛運行速度大于150 km/h時，驅動系統彈性懸掛對機車輪軸橫向力的影響開始顯現，且速度越大驅動系統彈性懸掛對輪軸橫向力的改善作用越明顯。對于B0機車，采用方式2的彈性懸掛結構略優于方式1，而當驅動系統為剛性懸掛時方式1優于方式2。以200 km/h的運行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降3%，較剛性懸掛最大可下降22%。對于C0機車，采用方式2的彈性懸掛結構優于方式1，而當驅動系統為剛性懸掛時方式2略優于方式1。以200 km/h的運行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降9%，較剛性懸掛最大可下降21%。

圖4 不同速度下驅動系統彈性懸掛方式對應的輪軸橫向力

圖5為不同驅動系統彈性懸掛方式對B0機車非線性臨界速度的影響曲線，此時線路采用AAR5級橫向不平順的直線軌道。在驅動系統采用方式1的彈性懸掛結構的條件下，當電機阻尼為30～50 N·s/m時，B0機車可獲得較高的臨界速度(380 km/h)，較剛性懸掛提高28%；在驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構的條件下，當電機阻尼為30～40 N·s/m時，B0機車可獲得較高的臨界速度(420 km/h)，較剛性懸掛提高50%。在合適的電機懸掛阻尼條件下，當B0機車驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構獲得的非線性臨界速度較方式1可提高10%。

3 全彈性懸掛性能研究

在上述彈性懸掛的基礎上，本節提出兩種驅動系統全彈性懸掛方式，與現有的驅動系統懸掛方式相比，該懸掛方式減小了橡膠節點的橫向剛度，實現驅動系統更大范圍內的運動。當驅動系統采用全彈性懸掛式時橡膠節點橫向剛度會影響電機的橫向振動，從而影響轉向架的振動情況進而導致車輛動力學性能的變化。下面主要分析驅動系統全彈性懸掛的橡膠節點橫向剛度對機車輪軸橫向力的影響。圖6和圖7為不同速度下驅動系統彈性懸掛方式對B0機車、C0機車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉向架后輪對。在B0機車驅動系統采用方式一的彈性懸掛的條件下，橡膠節點橫向剛度的增加會導致機車輪軸橫向力的不斷增大，且輪軸橫向力的上升情況會受到電機懸掛阻尼的影響；以電機懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節點橫向剛度的增加輪軸橫向力上升28%。在C0機車驅動系統采用方式1的彈性懸掛的條件下，當采用小的電機懸掛阻尼時，輪軸橫向力會隨橡膠節點橫向剛度的增加先上升后緩慢下降；當采用較大的電機懸掛阻尼時，輪軸橫向力會緩慢上升；以電機懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節點橫向剛度的增加輪軸橫向力上升17%。而當這兩種機車驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構時，橡膠節點橫向剛度的變化對輪軸橫向力幾乎無影響。

圖5 B0機車分別采用不同驅動系統彈性懸掛方式的非線性臨界速度

此外，在分析兩種機車輪軸橫向力的變化規律時，發現無論驅動系統采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響均弱于B0機車。在相同的橡膠節點橫向剛度和電機懸掛阻尼的條件下，驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構方案較方式1可獲得更小的輪軸橫向力，這也印證了第2節的仿真結果。

圖6 橡膠節點橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖7 橡膠節點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響

為了比較上述4種驅動系統彈性懸掛方式下的車輛懸掛參數的魯棒性，下面主要分析一系縱向剛度、一系橫向剛度和抗蛇行減振器等參數對驅動系統彈性懸掛改善車輛輪軸橫向力的影響。

圖8為不同驅動系統彈性懸掛條件下一系縱向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響，隨一系縱向剛度的增加，機車輪軸橫向力不斷上升。當機車驅動系統采用方式1的彈性懸掛結構時，除一系縱向剛度為60 kN/mm外，全彈性對應的輪軸橫向力均有所改善，最大下降10%；當機車驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構時，一系縱向剛度在10～40 kN/mm范圍內，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，最大下降5%。

圖8 不同驅動系統彈性懸掛條件下一系縱向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖9為不同驅動系統彈性懸掛條件下一系橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響，隨一系橫向剛度的增加，機車輪軸橫向力不斷上升。當機車驅動系統采用方式1的彈性懸掛結構時，全彈性懸掛下的輪軸橫向力始終低于原有值，輪軸橫向力最大下降7%；當機車驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構時，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，且改善幅度隨一系橫向剛度的增加而提高，輪軸橫向力最大下降4%。

圖9 不同驅動系統彈性懸掛條件下一系橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖10為不同驅動系統彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對B0機車輪軸橫向力的影響，隨著抗蛇行減振器阻尼的增加，機車輪軸橫向力不斷下降。當機車驅動系統采用方式1的彈性懸掛結構時，全彈性懸掛對輪軸橫向力有較大改善，抗蛇行減振器阻尼越小全彈性懸掛改善對輪軸橫向力效果越明顯，輪軸橫向力最大下降43%；當機車驅動系統采用方式2的彈性懸掛結構時，全彈性懸掛對輪軸橫向力仍有一定的改善效果，蛇行減振器阻尼對全彈性懸掛改善對輪軸橫向力的影響與方式1相似，輪軸橫向力最大下降20%。該結論表明當抗蛇行減振器發生故障導致阻尼減小時，驅動系統采用全彈性懸掛方案將更有利于機車平穩運行。

圖10 不同驅動系統彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對B0機車輪軸橫向力的影響

4 結 論

(1) 機車驅動系統彈性懸掛有利于改善機車動力學性能，隨著車輛運行速度的增加，驅動系統彈性懸掛可較剛性懸掛顯著降低機車的輪軸橫向力，非線性臨界速度最大可提高50%。當擺桿位于電機側時，對改善機車動力學性能更為明顯，相對于擺桿位于非電機側，B0機車200 km/h時輪軸橫向力最大下降3%，臨界速度提高10%。

(2) 當驅動系統采用擺桿位于非電機側的全彈性懸掛時，減小橡膠節點橫向剛度有利于減小機車輪軸橫向力；而當驅動系統采用擺桿位于電機側的全彈性懸掛時，橡膠節點橫向剛度對機車輪軸橫向力影響很小。無論驅動系統采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響均弱于B0機車。

(3) 隨一系縱向剛度和一系橫向剛度的增加，4種驅動系統彈性懸掛方式下的車輛輪軸橫向力均不斷上升，而采取全彈性懸掛較傳統驅動系統彈性懸掛更能降低輪軸橫向力?？股咝袦p振器阻尼對機車輪軸橫向力影響較大，當抗蛇行減振器發生故障導致阻尼減小時，驅動系統采用全彈性懸掛可顯著改善機車橫向動力學性能。