宋 昊，羅 贇，王坤全

（1 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2 中國(guó)南車集團(tuán) 資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川資陽(yáng)643100）

隨著我國(guó)鐵路的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)輸以及適當(dāng)提速是提高鐵路運(yùn)輸能力的有效途徑，要達(dá)到牽引重載列車的要求，機(jī)車必須具有非常大的牽引力，而增加軸重是提高機(jī)車牽引力的有效方式之一，我國(guó)正在大秦線上運(yùn)行的HXD1、HXD2大功率機(jī)車采用了25t軸重，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了大軸重貨車轉(zhuǎn)向架［1］。

軸重的增加有效地提高了機(jī)車的牽引力，也帶來(lái)了諸如輪軌力增大等一系列技術(shù)問題。合理的機(jī)車設(shè)計(jì)參數(shù)可以盡可能降低輪軌動(dòng)作用力。此前有文獻(xiàn)［2］針對(duì)23t、25t、30t不同軸重以及一二系懸掛參數(shù)對(duì)重載機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)［3］針對(duì)巴西鐵路對(duì)30t以上軸重機(jī)車的需求，在比較了單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式，以及單牽引拉桿和中心銷牽引方式的動(dòng)力學(xué)性能基礎(chǔ)上，提出了32t軸重機(jī)車3軸轉(zhuǎn)向架初步設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)［4］對(duì)32t軸重機(jī)車的轉(zhuǎn)向架總體方案進(jìn)行了探討。本文在文獻(xiàn)［3］基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從參數(shù)優(yōu)化的角度分析了一系橫向彈性間隙和止擋剛度，以及二系止檔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大軸重機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響，得到合理的參數(shù)范圍，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車穩(wěn)定性、直線平穩(wěn)性以及曲線通過性能的理想配置，為大軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

2C0軸式內(nèi)燃機(jī)車由車體、2臺(tái)構(gòu)架、6臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)和6個(gè)輪對(duì)組成。由于機(jī)車運(yùn)用線路較差（考慮巴西鐵路線路條件和運(yùn)行狀況），因此32t3軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車采用一系軟二系硬的懸掛裝置，一系懸掛由鋼圓彈簧、軸箱拉桿以及垂向減振器組成；二系懸掛為4點(diǎn)支撐的橡膠堆配橫垂向減振器。機(jī)車的具體結(jié)構(gòu)、自由度及廣義坐標(biāo)參見文獻(xiàn)［3］，機(jī)車采用單軸箱拉桿和中心銷牽引，圖1是在SIMPACK中建立的6軸機(jī)車物理模型。軌道不平順按差功率譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域隨機(jī)不平順線路，橫向不平順比AAR2略好，垂向不平順比AAR2略差。

圖2是機(jī)車一二系橫向止擋示意圖以及一系橫向止擋非線性特性曲線。（c）圖中0.4mm為機(jī)車軸箱自由間隙，輪對(duì)和構(gòu)架間相對(duì)位移超過彈性間隙后，一系止擋開始作用。

圖1 機(jī)車在SIMPACK中的物理模型

圖2 （a）一系橫向止擋示意圖

圖2 （b）二系橫向止擋示意圖

圖2 （c）一系橫向止擋非線性特性

2 一系彈性間隙和止擋剛度優(yōu)化分析

通過在軸端設(shè)置彈性橫動(dòng)裝置有助于改善機(jī)車動(dòng)力曲線通過［5］性能，但對(duì)機(jī)車直線運(yùn)行性能也有一定的影響，機(jī)車直線運(yùn)行時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，一系橫向止擋處最大位移已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過軸箱自由間隙，因此需要通過研究一系彈性間隙和止擋剛度的不同參數(shù)值對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響，得到相對(duì)最優(yōu)值。

2.1 端軸一系橫向彈性間隙和彈性止擋剛度

首先分析一系橫向彈性間隙和彈性止擋剛度對(duì)機(jī)車直線運(yùn)行性能的影響。由于機(jī)車運(yùn)用線路較差，通常最高運(yùn)用速度僅為60km／h，因此直線工況分析采用80km／h的速度。圖3是機(jī)車直線運(yùn)行時(shí)，端軸橫向彈性間隙在1～8mm，止擋剛度在5.0～15.0MN／m范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略微有變化，間隙在3mm左右指標(biāo)最小，影響幅度在1%以下，輪軸橫向力在2～3mm時(shí)最大，橫向力影響幅度在10%以內(nèi)。

圖3 端軸一系橫向彈性間隙和止擋剛度對(duì)機(jī)車直線性能的影響

圖4 端軸一系橫向彈性間隙對(duì)機(jī)車R300m曲線通過性能的影響

圖4是機(jī)車以均衡速度（未平衡離心加速度Aq＝0m／s2，速度為21.37km／h）通過超高20mm、緩和曲線20m、圓曲線200m、半徑R300m曲線時(shí)，端軸橫向彈性間隙在1～8mm范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，間隙變化對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、脫軌系數(shù)以及搖頭角影響甚微，對(duì)輪軸橫向力略有影響，間隙在3mm左右輪軸橫向力最大，搖頭角最小。

圖5是在機(jī)車以均衡速度通過超高20mm，圓曲線200m，半徑R300m曲線時(shí)，端軸橫向彈性間隙1.5 mm，橫向彈性止擋剛度在1.0～100.0MN／m范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果說明，減小橫向彈性止擋剛度可以降低輪軸橫向力和脫軌系數(shù)，當(dāng)橫向彈性止擋剛度小于10MN／m后影響減弱。

圖5 端軸一系橫向彈性止擋剛度對(duì)機(jī)車R300m曲線通過性能的影響

通過以上計(jì)算，建議端軸橫向彈性間隙在1～3 mm，止擋剛度在5.0～10.0MN／m范圍內(nèi)。

2.3 中間軸一系橫向彈性間隙

由于該機(jī)車主要運(yùn)用在小半徑低速條件，因此分析中間軸一系橫向彈性間隙對(duì)小半徑曲線通過性能的影響。機(jī)車以均衡速度通過超高20mm，圓曲線200m，半徑R300m曲線時(shí)，中間軸橫向彈性間隙的變化對(duì)最大輪軸橫向力和脫軌系數(shù)影響較大，計(jì)算結(jié)果見圖6。結(jié)果說明，增大中間軸橫向彈性間隙可以降低輪軸橫向力和脫軌系數(shù)，當(dāng)間隙大于16mm后影響減弱，間隙大于18mm后影響甚微。因此建議一系橫向彈性間隙取16～20mm。

3 二系橫向止擋參數(shù)對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

在車體和轉(zhuǎn)向架間設(shè)置二系橫動(dòng)裝置，能緩和不平順曲線對(duì)機(jī)車的沖擊［5］。

二系止擋自由間隙設(shè)置為30mm，直線運(yùn)行時(shí)二系橫向止擋處最大位移為27mm，說明直線上二系止擋不接觸，止擋自由間隙設(shè)置是合理的。

通過曲線軌道時(shí)，車體與構(gòu)架橫向相對(duì)位移大，容易達(dá)到止擋間隙，因此選取機(jī)車以80km／h速度通過超高20mm的R800m半徑具有差不平順的曲線工況進(jìn)行分析。由于二系橫向止擋承受的沖擊力為低頻力，經(jīng)一系懸掛衰減后，對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)相互作用的影響甚微［6］，因此主要考慮二系橫向止擋彈性間隙和剛度對(duì)止擋處的橫向位移和作用力的影響。圖7表明二系橫向止擋彈性間隙小于10mm時(shí)，隨著間隙的減小，止擋變形減少，但是止擋橫向作用力迅速增大。當(dāng)間隙大于10 mm后，隨著彈性止擋剛度的增加，止擋變形減小，但是止擋橫向作用力增大。止擋剛度為2MN／m時(shí)，間隙大于9.5mm，止擋彈性間隙完全用完。此時(shí)圓曲線上止擋處變形量的均值為20mm左右，可見止擋自由間隙設(shè)置合理。

圖6 中間軸一系橫向彈性間隙對(duì)機(jī)車R300m曲線通過性能的影響

圖7 R800m半徑二系橫向止擋間隙和剛度對(duì)止擋橫向位移和作用力的影響

4 結(jié)論

通過對(duì)32t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸端間隙以及橫向止擋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）一系端軸橫向彈性間隙和止擋剛度對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力以及搖頭角均有不同程度的影響，但對(duì)前3項(xiàng)影響很小，對(duì)輪軸橫向力影響較大。建議端軸橫向彈性間隙在1～3mm，止擋剛度在5.0～10.0MN／m。

（2）由于該機(jī)車主要運(yùn)用在小半徑低速條件，因此分析機(jī)車通過半徑R300曲線時(shí)中間軸一系橫向彈性間隙對(duì)輪軸橫向力和脫軌系數(shù)的影響，得到參數(shù)范圍16～20mm。

（3）通過分析直線和曲線運(yùn)行時(shí)，二系止擋處的橫向位移和橫向力，得到二系止擋自由間隙30mm，彈性間隙范圍10～12mm，以及止擋剛度范圍4.0～8.0 MN／m。

以上結(jié)果表明橫向止擋影響大軸重機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能，因此研究止擋動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有重要意義。止擋參數(shù)優(yōu)化分析也為大軸重機(jī)車的設(shè)計(jì)研究提供了參考。

［1］邵文東，董黎生，兆文忠，謝素明.出口澳大利亞35.7t軸重貨車轉(zhuǎn)向架的研制［J］.鐵道車輛，2008，46（2）：27－30.

［2］杜建華，陳 康.軸重及懸掛參數(shù)對(duì)大功率六軸交流傳動(dòng)機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2010，（10）：1－4.

［3］王坤全，羅 赟，張紅軍.32t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案及動(dòng)力學(xué)性能分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30（1）：4－7.

［4］王坤全.32t大軸重交流傳動(dòng)機(jī)車轉(zhuǎn)向架方案探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（1）：86－89.

［5］鮑維千.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

［6］劉建新，王開云，封全保.機(jī)車車輛二系橫向止擋結(jié)構(gòu)參數(shù)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43（4）：469－472.