一系橡膠減振墊對(duì)機(jī)車平穩(wěn)性的影響

摘要：隨著鐵路技術(shù)的不斷提升，列車運(yùn)行速度正在不斷提升。在120km/h以上速度運(yùn)行時(shí)，機(jī)車的平穩(wěn)性對(duì)運(yùn)行安全，部件壽命和司乘人員的舒適度有深刻影響，而懸掛裝置的結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)的匹配是影響機(jī)車平穩(wěn)性的主要因素。以某內(nèi)燃機(jī)車為例，分析鋼制彈簧底部安裝橡膠減振墊的機(jī)車一系懸掛結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)車在高速運(yùn)行時(shí)橫向平穩(wěn)性的影響。

關(guān)鍵詞：橡膠減振墊;懸掛;機(jī)車動(dòng)力學(xué);平穩(wěn)性

0 ?引言

我國作為地廣物博的大國，冶金、能源等相關(guān)物資極度依賴鐵路運(yùn)輸輸送到各地。經(jīng)濟(jì)的快速增長同時(shí)帶來了貨運(yùn)量的猛增，因此必須提升鐵路運(yùn)輸能力，以滿足貨運(yùn)量增長的需求。提升貨車運(yùn)輸重量，提高運(yùn)輸能力的最重要手段之一就是提高運(yùn)行速度。隨著鐵路技術(shù)的不斷提升，我國的行車速度已經(jīng)達(dá)到了120km/h以上，很多和諧型機(jī)車已經(jīng)將最高運(yùn)行速度提升至160km/h。但隨著行車速度等級(jí)的提高，在高速段行駛（如140km/h）時(shí)，機(jī)車保持較好的平穩(wěn)性指標(biāo)非常關(guān)鍵。較大的振動(dòng)加速度和幅度會(huì)降低部件壽命，直觀上會(huì)影響司乘人員和乘客的乘坐體驗(yàn)，甚至是機(jī)車的行車安全。下面以某型內(nèi)燃機(jī)車的一系懸掛裝置結(jié)構(gòu)為例，分析橡膠減振墊對(duì)機(jī)車橫向平穩(wěn)性的影響。

1 ?原因分析和驗(yàn)證

該型內(nèi)燃機(jī)車在環(huán)線上的試運(yùn)行中，當(dāng)速度提升至130km/h以上時(shí)，司機(jī)室內(nèi)的人員能明顯感受到幅度非常大的、周期性的橫向振動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)性能不盡人意。

影響機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的主要因素是機(jī)車的懸掛裝置結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)匹配。國內(nèi)機(jī)車普遍采用了鋼彈簧的一系懸掛裝置配合高圓彈簧或橡膠堆的二系懸掛裝置，輔以各向減振器。一系懸掛裝置中的鋼制螺旋彈簧，在其下方普遍配合了一種橡膠減振墊，以起到一定的隔振作用，鋼彈簧吸收低頻振動(dòng)，橡膠結(jié)構(gòu)則過濾一部分高頻振動(dòng)。這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)可以在路內(nèi)保有量極高的DF系列、SS系列機(jī)車中找到，在高速鐵路車輛和地鐵車輛上也大量采用。該內(nèi)燃機(jī)車也采用了類似的減振墊結(jié)構(gòu)，但軸箱裝置的定位采用了單拉桿結(jié)構(gòu)（圖1）。這種結(jié)構(gòu)是近年來和諧型電力機(jī)車上（如HXD3D）采用較多的結(jié)構(gòu)。由于電力機(jī)車走行部需要將車上的電流和滾動(dòng)軸承絕緣，HXD3D機(jī)車沒有使用橡膠減振墊，改為了一些沒有撓度和隔振性能的尼龍部件。該內(nèi)燃機(jī)車在結(jié)構(gòu)以及其他懸掛參數(shù)上非常接近HXD3D型電力機(jī)車，懸掛結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別就是有無橡膠減振墊。鑒于HXD3D機(jī)車多年運(yùn)用中的優(yōu)秀動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，有理由認(rèn)為，鋼制彈簧和橡膠減振墊的組合結(jié)構(gòu)影響了該內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能。

理論上，計(jì)算彈簧和橡膠減振墊的耦合剛度一般把減振墊簡化為普通的彈簧單元，通過彈簧串并聯(lián)的計(jì)算方法計(jì)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者會(huì)調(diào)整彈簧參數(shù)以滿足機(jī)車動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)設(shè)置的垂向、橫向剛度范圍。但實(shí)際上，由于橡膠本身的材料特性和橡膠減振墊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在機(jī)車運(yùn)行時(shí)，減振墊和彈簧的變形方式不同，當(dāng)其在豎直方向被壓縮（或釋放）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的偏轉(zhuǎn)變形，在機(jī)車產(chǎn)生垂向振動(dòng)時(shí)，減振墊的橫向剛度會(huì)變小。另外，當(dāng)橡膠墊發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧和橡膠墊的接觸面可能產(chǎn)生滑移，在這個(gè)瞬間，彈簧的橫向剛度會(huì)暫時(shí)變得極小。所以在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，彈簧+橡膠結(jié)構(gòu)的軸箱裝置橫向剛度比理論計(jì)算的值小。

傳統(tǒng)機(jī)車使用的雙拉桿定位軸箱裝置主要由拉桿結(jié)構(gòu)提供橫向剛度，而單拉桿結(jié)構(gòu)本身橫向定位剛度不高，主要的橫向剛度是由彈簧結(jié)構(gòu)提供的。因此當(dāng)單拉桿定位的軸箱裝置中，彈簧結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度偏離了機(jī)車設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)設(shè)范圍，相當(dāng)于在受迫振動(dòng)公式中改變了一個(gè)常數(shù)，車輛在受到來自鋼軌的激勵(lì)時(shí)，車體的振動(dòng)響應(yīng)較大，導(dǎo)致機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能變差。

動(dòng)力學(xué)性能的影響因素非常多，任何一個(gè)參數(shù)改變時(shí)都有可能使平穩(wěn)性變好或變差。為了驗(yàn)證橡膠減振墊與橫向平穩(wěn)性的相關(guān)性，在不改變其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，將該內(nèi)燃機(jī)車的軸箱結(jié)構(gòu)改變后進(jìn)行測(cè)試，將橡膠減振墊換為了相同厚度的尼龍部件，其垂向變形極小，橫向可視為剛體。改造后的機(jī)車在相同線路上的測(cè)試中運(yùn)行至130km/h以上時(shí)，司機(jī)室橫向振幅明顯較改造前減小，在高速動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，測(cè)得的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為2.4，能夠滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。這個(gè)結(jié)果與之前的分析是一致的。

2 ?結(jié)論

綜上可以得到結(jié)論，當(dāng)軸箱采用單拉桿定位時(shí)，在彈簧底部安裝橡膠減振墊，整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際橫向剛度比計(jì)算剛度小，可能導(dǎo)致一系懸掛參數(shù)偏離預(yù)設(shè)范圍，剛度降低在一定程度上能夠?qū)е聶C(jī)車的橫向平穩(wěn)性降低。

但同時(shí)需要指出，沒有減振墊的軸箱裝置可能無法過濾掉一些來自于鋼軌的高頻振動(dòng)，因此工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，不能簡單地放棄使用橡膠減振墊，可以通過實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證彈簧和減振墊的實(shí)際耦合剛度，當(dāng)剛度不符合設(shè)定時(shí)，可以改變橡膠膠料或調(diào)整彈簧參數(shù)達(dá)到目的。

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作者簡介：高健，男，滿族，遼寧丹東人，助理工程師，研究方向?yàn)樽咝胁吭O(shè)計(jì)師。