孫永路，陳 康

（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）

提高軸重是世界各國(guó)重載運(yùn)輸一致采用的一項(xiàng)重要舉措，是降低運(yùn)行成本的最有效的辦法。重載運(yùn)輸?shù)娜髽?biāo)準(zhǔn)之一是軸重應(yīng)在25t以上［1］。美國(guó)、加拿大、澳大利亞已普遍采用35.4t軸重，巴西、瑞典已采用30 t軸重，南非、澳大利亞昆士蘭鐵路均是窄軌，已采用28 t（舊車26t）軸重。俄羅斯重載列車軸重提高到27 t［1-2］。我國(guó)也是鐵路貨運(yùn)大國(guó)，當(dāng)前貨運(yùn)機(jī)車的軸重為25t。在既有貨運(yùn)干線質(zhì)量允許的條件下，開(kāi)行大功率、大軸重貨運(yùn)機(jī)車是解決我國(guó)當(dāng)前鐵路貨運(yùn)緊張的主要辦法之一。

軸重的增加，可提高機(jī)車黏著利用率，提高牽引動(dòng)力，加大單列車運(yùn)輸能力，增加經(jīng)濟(jì)效益［6］。但同時(shí)可能伴隨著產(chǎn)生一些問(wèn)題，如對(duì)走行部材料強(qiáng)度要求提高，車輪磨耗加快，起動(dòng)、制動(dòng)難度增加，更重要的是輪軌作用力增大，對(duì)軌道的破壞性加大，運(yùn)行安全性下降。

分析軸重增加后機(jī)車的性能及輪軌作用力變化差異，探討機(jī)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及懸掛參數(shù)的變化對(duì)機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)的影響，以達(dá)到減小甚至消除軸重增加帶來(lái)的不利，對(duì)實(shí)際的大軸重機(jī)車設(shè)計(jì)制造具有很重要的作用［3-5］。因此，在開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大軸重機(jī)車的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)比較分析是一項(xiàng)很重要的工作。

輪軌間的動(dòng)作用力是影響機(jī)車運(yùn)行安全和軌道破壞的最主要因素之一［6-7］。本文結(jié)合正在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的某型33t大軸重交流傳動(dòng)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，研究了33t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力特點(diǎn)，并與目前主流的25 t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力進(jìn)行比較分析，對(duì)33t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 33t軸重機(jī)車的物理模型

33t軸重機(jī)車的軸式為C0-C0，電機(jī)懸掛方式為軸懸式，機(jī)車的物理模型見(jiàn)圖1。

圖1 33t軸重機(jī)車的物理模型

機(jī)車由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引電動(dòng)機(jī)、電機(jī)吊掛裝置、牽引機(jī)構(gòu)組成。每構(gòu)架的二系懸掛裝置由6組高圓彈簧、兩個(gè)垂向減振器、兩個(gè)橫向減振器組成。一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器（端軸）和軸箱定位裝置組成。牽引電機(jī)一端抱在車軸上，另一端通過(guò)吊桿掛在構(gòu)架上。轉(zhuǎn)向架軸距為2.25～2.0m。為了降低牽引高度，牽引機(jī)構(gòu)由水平牽引桿、斜牽引桿和牽引桿吊桿組成。

為了全面了解33t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力特性，分析軸重增大后輪軌動(dòng)作用力的變化情況，我們分析了兩種不同轉(zhuǎn)向架方案的33t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力，一種方案為一系硬、二系軟的結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱方案1），另一種方案為一系軟、二系硬的結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱方案2）。同時(shí)，作為比較，我們還對(duì)應(yīng)分析了兩種方案下的25t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力。為了便于分析，機(jī)車的簧下質(zhì)量和簧間質(zhì)量保持相同，機(jī)車軸重的不同僅僅是由于車體質(zhì)量不同產(chǎn)生的。模型中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)車模型中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 33t軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力分析

2.1 直線上的輪軌動(dòng)作用力

在分析機(jī)車在直線軌道上的輪軌動(dòng)作用力時(shí)，我們采用的線路不平順為美國(guó)AAR5級(jí)線路，軌道不平順考慮了左、右鋼軌的垂向和橫向不平順。機(jī)車運(yùn)行速度為40～120km／h。

（1）垂向的輪軌動(dòng)作用力

機(jī)車軸重增大后，輪軌垂向靜載荷增大是不可避免的，再加上輪軌間動(dòng)載荷作用，線路和車輪都要受到更大的沖擊。計(jì)算分析表明對(duì)于所分析的4種2C0軸式機(jī)車模型，中間軸受力均小于端軸。因此我們選擇前轉(zhuǎn)向架1、3位輪對(duì)作比較。

機(jī)車第1、3輪對(duì)的垂向輪軌動(dòng)作用力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 第1輪對(duì)的垂向輪軌動(dòng)作用力

圖3 第3輪對(duì)的垂向輪軌動(dòng)作用力

當(dāng)機(jī)車軸重從25t增加到33t后，如果轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛方案和一、二系靜撓度保持與25t軸重機(jī)車的相同，33t軸重機(jī)車的垂向輪軌動(dòng)作用力明顯增大。采用方案1時(shí)，第1輪對(duì)在運(yùn)行速度80km／h時(shí)增幅最大為40.5%，在運(yùn)行速度100km／h時(shí)增幅最小為33.4%。第3輪對(duì)的增幅總體上比第1輪對(duì)小一些，在運(yùn)行速度40km／h時(shí)增幅最大為41.8%，在運(yùn)行速度100km／h時(shí)增幅最小為16.8%；采用方案2時(shí)第1輪對(duì)在速度80km／h時(shí)增幅最大為36.5%，在40km／h時(shí)增幅最小為19.5%。第3輪對(duì)的增幅總體上比第1輪對(duì)大一些，在速度60km／h時(shí)增幅最大為41.1%，在速度120km／h時(shí)增幅最小為17.6%。

當(dāng)機(jī)車軸重從25t增加到33t后，如果轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛改用與25t不同的一系軟、二系硬的設(shè)計(jì)，且一、二系靜撓度之和保持與25t軸重機(jī)車的相同（即模型4和模型1相比），此時(shí)垂向輪軌動(dòng)作用力的增幅與方案1相比明顯降低，第1輪對(duì)在運(yùn)行速度80 km／h時(shí)增幅最大為19.1%，在運(yùn)行速度40km／h時(shí)甚至減小了1%。第3輪對(duì)的增幅在運(yùn)行速度70km／h時(shí)增幅最大為8%，在運(yùn)行速度40km／h減小了13.6%，第3輪對(duì)的垂向輪軌動(dòng)作用力水平已經(jīng)與25t軸重的相當(dāng)。因此，增大機(jī)車一系靜撓度（降低一系垂向剛度）可以明顯降低機(jī)車的垂向輪軌動(dòng)作用力，很好的改善了輪軌沖擊作用。大軸重機(jī)車更適合采用一系軟、二系硬的方案。

（2）橫向的輪軌動(dòng)作用力

機(jī)車第1、3輪對(duì)的橫向輪軌動(dòng)作用力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

當(dāng)機(jī)車軸重從25t增加到33t后，不管轉(zhuǎn)向架的一、二系懸掛采用一系硬、二系軟的方案，還是一系軟、二系硬的方案，如果軸箱的縱向、橫向定位剛度保持不變，機(jī)車的橫向輪軌動(dòng)作用力并沒(méi)有明顯增加，相反，在某些運(yùn)行速度下第1輪對(duì)反而有所下降，一系靜撓度大時(shí)其下降得更多，仿真結(jié)果中模型4（方案2）的橫向輪軌力最小。對(duì)于第3輪對(duì)，當(dāng)運(yùn)行速度低于70km／h時(shí)，33t軸重機(jī)車的橫向輪軌動(dòng)作用力大于模型1的，運(yùn)行速度在70～120km／h內(nèi)，模型3的橫向輪軌動(dòng)作用力值和模型1的保持一致，模型4的橫向輪軌動(dòng)作用力相比之下最小，與模型2的值接近。因此，大軸重機(jī)車的橫向輪軌動(dòng)作用力主要由軸箱的縱向、橫向定位剛度決定，受機(jī)車一、二系靜撓度的影響很小。

圖4 第1輪對(duì)的橫向輪軌動(dòng)作用力

圖5 第3輪對(duì)的橫向輪軌動(dòng)作用力

（3）曲線上的車輪導(dǎo)向力

曲線通過(guò)時(shí)車輪導(dǎo)向力是值得關(guān)注的一個(gè)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)［8］。當(dāng)車輪導(dǎo)向力增大而垂向力減小時(shí)，脫軌系數(shù)會(huì)增大，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會(huì)影響到機(jī)車的脫軌安全性。我們主要比較機(jī)車第1輪對(duì)導(dǎo)向車輪橫向輪軌力的差異。

圖6是機(jī)車在300m半徑圓曲線上運(yùn)行速度為70 km／h時(shí)第1輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的準(zhǔn)靜態(tài)值，圖7是機(jī)車以不同速度通過(guò)300m半徑圓曲線時(shí)第1輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的統(tǒng)計(jì)最大值，線路具有AAR5級(jí)線路不平順。

結(jié)果表明，不管軸重為25t還是33t，當(dāng)只改變機(jī)車的懸掛方案時(shí)其曲線上導(dǎo)向輪的橫向準(zhǔn)靜態(tài)值和動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)最大值都保持近似不變。軸重從25t增加到33 t后，第1輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力準(zhǔn)靜態(tài)值增大約23%，統(tǒng)計(jì)最大值增大15%～20%（在20～80km／h運(yùn)行速度內(nèi)）。一系懸掛靜撓度增加并不能降低穩(wěn)態(tài)曲線通過(guò)和動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)時(shí)車輪的橫向力，仿真表明它主要受軸重和軸箱縱向、橫向定位剛度的影響。

圖6 第一輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的準(zhǔn)靜態(tài)值

圖7 第一輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力的統(tǒng)計(jì)最大值

3 一系懸掛橫向剛度對(duì)33t軸重機(jī)車橫向輪軌力的影響

機(jī)車多剛體系統(tǒng)是一個(gè)由二級(jí)懸掛組成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其中機(jī)車的一系懸掛縱向、橫向剛度對(duì)機(jī)車的穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能的影響非常大，而穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能對(duì)一系懸掛縱向、橫向剛度的要求又是矛盾的［4-6］。因此，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體機(jī)車結(jié)構(gòu)對(duì)懸掛參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇。我們以模型3機(jī)車為研究對(duì)象，分析一系橫向剛度對(duì)33t軸重機(jī)車橫向輪軌力的影響。

圖8是33t軸重機(jī)車在直線軌道上1，2，3位輪對(duì)輪軌橫向動(dòng)作用力隨一系橫向剛度值變化情況。圖9給出了33t軸重機(jī)車在300m半徑圓曲線上第1輪對(duì)導(dǎo)向車輪的橫向輪軌力動(dòng)載荷和統(tǒng)計(jì)最大值隨一系橫向剛度變化的情況。直線上機(jī)車速度100km／h，曲線上為70km／h。軌道不平順均為AAR5級(jí)線路。

圖8 一系橫向剛度對(duì)橫向輪軌動(dòng)作用力影響

圖9 一系橫向剛度對(duì)車輪導(dǎo)向力的影響

隨著一系橫向剛度的增大，33t軸重機(jī)車1、3位輪對(duì)在直線軌道上的橫向輪軌動(dòng)作用力明顯增大，第2輪對(duì)變化不大。在300m半徑圓曲線上第一輪對(duì)導(dǎo)向輪的動(dòng)載荷和統(tǒng)計(jì)最大載荷在2.5kN／mm時(shí)最低，大于或小于此值，車輪導(dǎo)向力都會(huì)增大。

因此，對(duì)于33t軸重機(jī)車，在滿足穩(wěn)定性要求和兼顧曲線通過(guò)性能的前提下，盡可能地降低一系橫向剛度值，可以改善大軸重機(jī)車在直線軌道上產(chǎn)生的輪軌沖擊。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)正在設(shè)計(jì)的某型33t大軸重機(jī)車的輪軌動(dòng)作用力進(jìn)行分析研究，并與25t軸重機(jī)車進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

（1）機(jī)車在直線軌道上運(yùn)行，軸重從25t增加到33t，若保持一系硬、二系軟并且靜撓度值相同，則輪軌垂向作用力要明顯增大，且一位輪增幅最大。若33t軸重機(jī)車采用一系軟，二系硬的懸掛方案，則相比上述方案，輪軌垂向動(dòng)作用力明顯下降，其中，3位輪的作用力已降到傳統(tǒng)的25t軸重機(jī)車的水平。

（2）機(jī)車在直線軌道上運(yùn)行，軸重從25t增加到33t，輪軌橫向動(dòng)載荷變化隨速度變化。不管采用一系硬、二系軟還是一系軟、二系硬的方案，在軸箱的縱向、橫向定位剛度不變情況下，機(jī)車的橫向輪軌動(dòng)作用力沒(méi)有明顯增加。速度低于70km／h時(shí)，33t軸重機(jī)車的橫向輪軌動(dòng)載荷比25t的要大。

（3）機(jī)車在圓曲線上運(yùn)行，軸重從25t增加到33 t，準(zhǔn)靜態(tài)通過(guò)的橫向載荷近似成比例增加，增幅約為23%。動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)的橫向載荷最大值增幅為15%～20%。一系靜撓度增大對(duì)輪軌橫向力的改善作用不大。

（4）對(duì)采用模型2中設(shè)計(jì)參數(shù)的33t軸重機(jī)車，一系橫向剛度理論最佳值為2.5kN／mm，此時(shí)，曲線上導(dǎo)向輪輪軌力最小。隨著橫向剛度增加，直線上1、3位輪輪軌橫向作用力逐漸增大。

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