和諧型電力機(jī)車二系懸掛調(diào)簧方法分析研究

皮優(yōu)政

（中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州機(jī)務(wù)段，廣州 510010）

0 引言

機(jī)車輪重分配的均衡性對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能有重要影響，車體上部各項(xiàng)裝設(shè)備的對(duì)稱排列、轉(zhuǎn)向架及牽引電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱分布都是為了使輪重分布均勻[1]。當(dāng)輪重分配不均時(shí)，機(jī)車的牽引力和制動(dòng)力都要受到影響，降低機(jī)車的使用壽命和影響行車安全性。導(dǎo)致輪重分配不均的原因有很多，主要包括重要部件加工偏差、車體鋼結(jié)構(gòu)的變形、二系載荷分布不均及檢修完成后重新組裝等。

調(diào)簧技術(shù)[2]是解決機(jī)車二系載荷分布不均影響機(jī)車輪重不均的重要途徑。二系載荷調(diào)整就是通過(guò)改變二系圓簧的彈簧壓縮量，從而調(diào)整支撐點(diǎn)的受力大小，使各個(gè)支撐點(diǎn)的受力保持均衡。改變彈簧壓縮量主要是對(duì)二系圓簧進(jìn)行加墊或減墊操作，目前的機(jī)車調(diào)簧技術(shù)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)。由于缺乏理論指導(dǎo)，往往會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，需要嘗試多次才能達(dá)到技術(shù)要求。

本文建立了某和諧型機(jī)車的二系懸掛靜力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模型的簡(jiǎn)化，著重分析了二系載荷對(duì)機(jī)車輪重不均的影響。文中在傳統(tǒng)的二系圓簧加墊方法上提出了平分對(duì)角加墊原則，對(duì)傳統(tǒng)的加墊方法進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)仿真驗(yàn)證了優(yōu)化的合理性，降低了落車后調(diào)簧工藝的難度，對(duì)實(shí)際的調(diào)簧工藝具有指導(dǎo)意義。

1 和諧型機(jī)車模型簡(jiǎn)化分析計(jì)算

和諧型電力機(jī)車多數(shù)是2C0軸列式[3]，其主要由車體、二系懸掛、轉(zhuǎn)向架、一系懸掛、牽引電動(dòng)機(jī)及輪對(duì)組成。二系懸掛采用高圓螺旋彈簧+橡膠墊結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 2C0軸式電力機(jī)車模型

由圖1可知轉(zhuǎn)向架為“目”字形結(jié)構(gòu)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上有6個(gè)二系圓簧，每一側(cè)有3個(gè)相鄰的二系圓簧，相鄰圓簧間距為t。2個(gè)轉(zhuǎn)向架共12個(gè)支撐點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)非常復(fù)雜的受力系統(tǒng)，大大增加了二系調(diào)簧工藝的難度。為了使計(jì)算更加方便，需要將同一側(cè)相鄰3個(gè)支撐點(diǎn)簡(jiǎn)化為1組受力點(diǎn)，機(jī)車12個(gè)支撐點(diǎn)可以簡(jiǎn)化為4組受力點(diǎn)。這樣可以極大簡(jiǎn)化機(jī)車二系懸掛受力模型[4]。簡(jiǎn)化模型一般建立在以下的前提下：1）將構(gòu)架簡(jiǎn)化為一個(gè)二維參考平面，車體重心集中在平面一點(diǎn)；2）將二系圓簧面接觸簡(jiǎn)化為點(diǎn)接觸；3）忽略構(gòu)架的彈性形變，認(rèn)為其是剛體結(jié)構(gòu)；4）忽略二系縱向剛度對(duì)構(gòu)架受力影響。構(gòu)架受力簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

圖中F1、F2、F3和F4分別代表4組受力點(diǎn)圓簧的支撐力；a為同側(cè)兩組支撐點(diǎn)距離的一半；b為同一轉(zhuǎn)向架兩組支撐點(diǎn)橫向間距的一半；O為構(gòu)架平面的幾何中心；G為車體上部的總質(zhì)量；（X,Y）為車體重心在平面上的坐標(biāo)。設(shè)二系圓簧的剛度為k，各組圓簧的剛度相同，則二系圓簧的柔度為C（C=1/k）。4組圓簧的原長(zhǎng)為l1～l4，并且4個(gè)支撐點(diǎn)始終在同一平面。根據(jù)力矩平衡可得方程：

圖2 構(gòu)架受力簡(jiǎn)化模型圖

根據(jù)式（5）可以得到F1～F4關(guān)于l1～l4的偏導(dǎo)數(shù)，即某一組圓簧的長(zhǎng)度的改變引起4組圓簧支撐載荷的變化量，其矩陣方程如下：

根據(jù)式（6）可以知道，在1位加墊，則1位和4位都會(huì)增加相同的力，而2位和3位都會(huì)減少相同的力。并且增加的量與減少的量相等，在其他位置也滿足這個(gè)規(guī)律，這種二系圓簧加墊規(guī)律稱之為對(duì)角線同增同減規(guī)律。由這個(gè)規(guī)律可知，在某一位置加高度為h的墊片與在對(duì)角線位置分別加高度為h/2的墊片效果是一樣的。

2 兩種加墊方法對(duì)比分析

二系圓簧調(diào)整不僅要考慮載荷分布的均勻性，還要考慮是否對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響[5]。兩種加墊方法均會(huì)引起二系圓簧相互之間高度的間隔差異，這種間隔差異對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能比如輪軌垂向力產(chǎn)生較大影響，加大車體垂向振動(dòng)幅度，影響機(jī)車運(yùn)行。

假設(shè)在1位加高度為h的墊片，4組圓簧的高度隨之會(huì)發(fā)生變化。設(shè)R1～R4分別為4組圓簧加墊后的高度，ΔR1～ΔR4分別為加墊前、后的高度差。各組圓簧剛度相同且都為k，由胡克定律可得：

由上式可知，在1位加高度為h的墊片，加墊后的二系圓簧上升高度為3h/4，對(duì)角線的圓簧下降高度為h/4，其他兩位圓簧也上升h/4。假設(shè)在1位、4位分別加高度為h/2的墊片，由胡克定律可得：

由上式可知，在1、4位分別加h/2的墊片，加墊后的二系圓簧上升高度為h/4，對(duì)角線的圓簧上升高度為h/4，其他兩位圓簧也上升h/4。在總加墊量一定的情況下，第一種方法加墊后圓簧相互之間高度間隙較大，第二種方法加墊后的圓簧相互之間高度間隙為0。因此，在二系載荷較低的對(duì)角線位置平分加墊更有利于機(jī)車整體的穩(wěn)定性，減少二系圓簧調(diào)整對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響。

3 動(dòng)力學(xué)模型仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述機(jī)車二系懸掛載荷調(diào)整理論的正確性及對(duì)角線位置平分加墊方法的優(yōu)越性，利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件[6]建立完整的機(jī)車二系載荷調(diào)整模型。該模型包括1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)和4個(gè)模擬彈簧，模型中通過(guò)改變彈簧原長(zhǎng)來(lái)模擬加墊。動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示，模型中參數(shù)如表1所示。

圖3 二系載荷調(diào)整動(dòng)力學(xué)模型

上述模型建立后，首先測(cè)得4個(gè)位置的原始載荷，然后進(jìn)行加墊仿真。只在1 位加墊2 mm墊片，計(jì)算仿真結(jié)果，在1、4位分別加墊1 mm，計(jì)算仿真結(jié)果，對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。只在1位加墊4 mm墊片，計(jì)算仿真結(jié)果，在1、4位分別加墊2 mm，計(jì)算仿真結(jié)果，對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。只在2位加墊2 mm墊片，計(jì)算仿真結(jié)果，在2、3位分別加墊1 mm，計(jì)算仿真結(jié)果，對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。只在2位加墊4 mm墊片，計(jì)算仿真結(jié)果，在2、3位分別加墊2 mm，計(jì)算仿真結(jié)果，對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

表2 加墊仿真結(jié)果對(duì)比分析

由仿真結(jié)果可知，二系圓簧調(diào)整工藝中，一個(gè)位置加墊與對(duì)角線平分加墊調(diào)整后載荷誤差很小，不到0.1%。仿真結(jié)果與上述理論分析基本一致，驗(yàn)證了二系圓簧加墊過(guò)程中對(duì)角線同增同減規(guī)律的正確性。存在較小偏差的原因可能是仿真分析不僅要考慮二系載荷的垂向剛度，還要考慮二系載荷的橫向剛度，但總體來(lái)說(shuō)誤差在可接受范圍。

為了驗(yàn)證兩種加墊方法對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響，可在多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack中建立機(jī)車運(yùn)行的準(zhǔn)靜態(tài)工況（速度為5 km/h）。在該工況下，對(duì)只在1位加墊2 mm的機(jī)車模型進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)，提取其車體垂向振動(dòng)加速度動(dòng)力學(xué)參數(shù)響應(yīng)結(jié)果，如圖4 所示；對(duì)在1、4位分別加墊1 mm的機(jī)車模型進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)[7]，提取其車體垂向振動(dòng)加速度動(dòng)力學(xué)參數(shù)響應(yīng)結(jié)果，如圖5所示。

圖4 1位加墊車體垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)

對(duì)兩種加墊方法仿真結(jié)果對(duì)比分析，車體垂向振動(dòng)加速度在幅值和變化趨勢(shì)上均存在明顯差異。由圖4可知，只在1位加墊時(shí)其車體垂向振動(dòng)加速度幅值較大且不穩(wěn)定，說(shuō)明車體垂向振動(dòng)幅度較大且振動(dòng)無(wú)規(guī)律。由圖5可知，在1、4位平分加墊其車體垂向振動(dòng)加速度幅值較小且穩(wěn)定，說(shuō)明車體垂向振動(dòng)幅度較小且振動(dòng)有規(guī)律。對(duì)角線平分加墊方法更有利于機(jī)車整體的穩(wěn)定性。

通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)，首先驗(yàn)證了二系載荷調(diào)整對(duì)角線同增同減規(guī)律的正確性，又驗(yàn)證了對(duì)角線平分加墊更有利于機(jī)車運(yùn)行中整體的穩(wěn)定性。在二系載荷調(diào)整都均勻的前提下，對(duì)角線平分加墊工藝更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 1、4位平分加墊車體垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某和諧型機(jī)車二系載荷調(diào)簧工藝的理論研究，提出了兩種二系圓簧加墊方法，著重分析了對(duì)角線平分加墊方法的優(yōu)越性。后來(lái)在Simpack中建立了多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。對(duì)角線平分加墊方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)簧工藝有重要指導(dǎo)意義，提高了調(diào)簧工藝的生產(chǎn)效率。