賴 奎，陳 清

(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)

隨著國(guó)內(nèi)鐵路6次大提速，旅客列車速度達(dá)到200 km/h等級(jí)，主要是以開行動(dòng)車組為主，但考慮到我國(guó)地域開闊，鐵路網(wǎng)分布廣，加之各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，客運(yùn)需求差別較大，合理的模式應(yīng)該是機(jī)車牽引與動(dòng)車組共存模式，所以研究發(fā)展200 km/h電力機(jī)車是必要的［1］。而隨著機(jī)車牽引速度以及噸位的提高，對(duì)制動(dòng)的要求越來(lái)越高，機(jī)車在大的制動(dòng)力作用下，發(fā)生鋼軌和機(jī)車受擠壓而變形的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了客運(yùn)列車的安全［2］。本文研究了200 km/h機(jī)車在直線軌道上運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能，為研究機(jī)車的運(yùn)行安全性提供方法。

1 鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 平穩(wěn)性

平穩(wěn)性是指機(jī)車在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種振動(dòng)，它是集中反映機(jī)車系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力的綜合性參數(shù)，影響旅客乘坐的舒適度［3］。按照TB/T2360－93來(lái)評(píng)定，我國(guó)的平穩(wěn)性評(píng)定等級(jí)的界限值如表1所示。

表1 我國(guó)機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)

1.2 穩(wěn)定性

1.2.1 輪對(duì)橫向力

輪對(duì)橫向力參照GB5599－85［4］來(lái)評(píng)定，以輪對(duì)的兩導(dǎo)向力之和作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其極限值為

在文獻(xiàn)［4］中，對(duì)于機(jī)車，取α=0.85。當(dāng)軸重21 000 kg，其靜輪載Q0=103 kN，此值為66.9 kN。

1.2.2 輪重減載率

輪重減載率是指車輪所受垂向力的減載量與左右車輪平均垂向力的比值，用于衡量有無(wú)可能由于一側(cè)車輪減載過(guò)大而導(dǎo)致脫軌。其參照GB5599－85［4］來(lái)評(píng)定，第一限度為機(jī)車運(yùn)行安全的合格標(biāo)準(zhǔn)，第二限度為增大了安全裕量的限制標(biāo)準(zhǔn)。如表2所示。

表2 輪重減載率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)是指作用在車輪上的橫向力和垂向力的比值，用于評(píng)定防止車輪脫離軌道的指標(biāo)。按照TB/T2360－93來(lái)評(píng)定，其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 脫軌系數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2 動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算模型

200 km/h六軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車模型采用C0C0軸式，由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、6個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī)及齒輪箱等)和6個(gè)輪對(duì)組成。一系定位采用鋼簧和雙軸箱拉桿組合結(jié)構(gòu)。垂向載荷主要靠鋼簧支承，牽引剛度主要由軸箱拉桿提供，輪對(duì)的橫向定位剛度則由軸箱拉桿和鋼簧并聯(lián)剛度提供。端軸裝配有垂向減振器，輪對(duì)定位中還布置橫向止擋。轉(zhuǎn)向架的二系懸掛為高圓鋼簧，轉(zhuǎn)向架每側(cè)有3個(gè)高圓簧，等間距布置在轉(zhuǎn)向架的中部，車體的橫向和垂向剛度基本由高圓簧提供，縱向采用了四邊形牽引裝置。為保證機(jī)車的運(yùn)行品質(zhì)，二系還布置了垂向、橫向和抗蛇行減振器。其中每個(gè)轉(zhuǎn)向架的4個(gè)二系垂向減振器對(duì)稱布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的2個(gè)橫向減振器對(duì)稱布置在轉(zhuǎn)向架靠機(jī)車內(nèi)側(cè)的中間橫梁，每個(gè)轉(zhuǎn)向架還有兩個(gè)抗蛇行減振器。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)1個(gè)球鉸和2根吊桿連接在構(gòu)架上，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置與構(gòu)架的彈性橫動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置和構(gòu)架間設(shè)置1個(gè)橫向減振器，驅(qū)動(dòng)裝置與輪對(duì)間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償由空心軸實(shí)現(xiàn)［5］。機(jī)車模型如圖1所示。

圖1 200 km/h六軸交流傳動(dòng)電力機(jī)車模型

3 制動(dòng)工況的模擬

機(jī)車在制動(dòng)時(shí)，由于是非穩(wěn)態(tài)的工況，受力復(fù)雜，主要有3方面的外力:首先是由于施加制動(dòng)力矩受到的輪軌的制動(dòng)力;其次是通過(guò)車鉤受到的來(lái)自銜接車輛的動(dòng)作用力;再者是機(jī)車的運(yùn)行阻力，包括沖擊振動(dòng)阻力以及空氣阻力等。其中制動(dòng)力矩的施加對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能最大，所以本文只考慮制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的影響，并且將制動(dòng)力矩作為定值輸入［6］。

在電力機(jī)車的模型中，其粘著系數(shù)u=0.25，車輪最小靜載力Q=100.42 kN，所以車輪所能承受的最大制動(dòng)力根據(jù)式(2)［7］

可得B≈25 kN

則輪對(duì)所受最大制動(dòng)力矩根據(jù)式(3)

可得T=31.25 kN·m，其中，R為車輪半徑。

在文中的模型中，在每個(gè)輪對(duì)上施加的力矩小于最大制動(dòng)力矩T，以此來(lái)保證在車輪不打滑的情況下來(lái)研究200 km/h電力機(jī)車在制動(dòng)工況下的動(dòng)力學(xué)性能。

4 惰行和制動(dòng)工況動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析

惰行工況是指機(jī)車在不受牽引力和制動(dòng)力，保持勻速運(yùn)行的狀態(tài)。在制動(dòng)工況下，對(duì)每個(gè)輪對(duì)施加恒定大小的制動(dòng)力矩，以此來(lái)分析機(jī)車以100～200 km/h的速度通過(guò)直線軌道的動(dòng)力學(xué)性能，其中線路的不平順等級(jí)為美國(guó)6級(jí)線路。

4.1 穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)性能比較

4.1.1 輪對(duì)橫向力

輪對(duì)橫向力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 輪對(duì)橫向力比較

由圖2所示，惰行工況中輪對(duì)橫向力隨著速度的增大，不斷增大，且在相同速度時(shí)第三輪對(duì)的輪對(duì)橫向力值最大，所以可以用第三輪對(duì)的最大值27.6 kN作判斷，遠(yuǎn)小于極限值66.9 kN。而在制動(dòng)工況中，輪對(duì)橫向力的變化趨勢(shì)與惰性工況大體一致，且同一速度下各個(gè)輪對(duì)橫向力值相差不大。

4.1.2 輪重減載率

輪重減載率計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3所示，惰行工況中輪重減載率隨著速度的增大而不斷增大，最大值為0.27，小于規(guī)定的第二限度。在制動(dòng)工況中，輪重減載率的變化趨勢(shì)與惰性工況大體一致，且同一速度下各個(gè)輪對(duì)的減載率值相差不大。

圖3 輪重減載率比較

4.1.3 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 脫軌系數(shù)的比較

如圖4所示，惰行工況中，脫軌系數(shù)隨著速度的增大而不斷增大，最大值為0.13，遠(yuǎn)＜0.6，屬于優(yōu)良等級(jí)。在制動(dòng)工況中，脫軌系數(shù)的變化趨勢(shì)與惰性工況基本一致，且同一速度下各個(gè)輪對(duì)的減載率值相差不大。

由以上對(duì)比可得，直線上運(yùn)行的200 km/h電力機(jī)車在制動(dòng)工況下的穩(wěn)定性性能與惰性工況相比并無(wú)明顯變化。

4.2 平穩(wěn)性性能比較

4.2.1 垂向平穩(wěn)性

機(jī)車前、后司機(jī)室的垂向平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 前后司機(jī)室垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

如圖5所示，在惰行工況下，前、后司機(jī)室的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度的增大，變化很小，說(shuō)明速度對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大。而在制動(dòng)工況中，前后司機(jī)室的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)略大于惰行工況，且當(dāng)制動(dòng)初速度為100 km/h時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)與其它制動(dòng)初速度下的值相比，有很大突變。

平穩(wěn)性指標(biāo)是由振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率決定的，在制動(dòng)工況下，制動(dòng)初速度為100 km/h和120 km/h的前司機(jī)室的垂向振動(dòng)加速度比較如圖6所示。

圖6 不同制動(dòng)初速度下前司機(jī)室垂向加速度比較

如圖6所示，在制動(dòng)初速度為100 km/h時(shí)，隨著時(shí)間的增加機(jī)車速度不斷減小，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行速度低于某個(gè)臨界速度時(shí)，垂向振動(dòng)加速度開始劇烈地變化，且遠(yuǎn)大于臨界速度之前的振動(dòng)加速度，由此使垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在初速度為100 km/h時(shí)產(chǎn)生大的突變。而在0～20 s的時(shí)間內(nèi)，制動(dòng)初速度為120 km/h時(shí)，并沒有減少到臨界速度，垂向振動(dòng)加速度變化不大，所以垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化很小。

在惰行和制動(dòng)工況中，當(dāng)勻速速度和制動(dòng)初速度均為120 km/h時(shí)，前司機(jī)室垂向振動(dòng)加速度如圖7所示。

圖7 勻速和制動(dòng)工況前司機(jī)室垂向加速度比較

如圖7所示，與勻速工況相比，對(duì)機(jī)車施加制動(dòng)的開始一小段時(shí)間內(nèi)，由于機(jī)車受到突然激擾，垂向振動(dòng)加速度迅速變大，而后因機(jī)車的慣性力和懸掛彈性力的作用，車體的垂向振動(dòng)趨于平穩(wěn)［8］。

4.2.2 橫向平穩(wěn)性

機(jī)車前、后司機(jī)室橫向平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 前后司機(jī)室橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

如圖8所示，在惰行工況下，前、后司機(jī)室的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度的增大，變化很小，說(shuō)明速度對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大。而在制動(dòng)工況中，前后司機(jī)室的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)受速度影響同樣不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可以得出結(jié)論:(1)200 km/h電力機(jī)車在直線上制動(dòng)時(shí)，隨著制動(dòng)初速度的增大，其穩(wěn)定性指標(biāo)逐漸變大。(2)制動(dòng)工況下的穩(wěn)定性性能與惰性工況相比并無(wú)明顯變化，所以在直線上制動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)車穩(wěn)定性影響不大。(3)在制動(dòng)工況下，當(dāng)機(jī)車速度低于某個(gè)臨界值時(shí)，前、后司機(jī)室垂向振動(dòng)加速度劇烈變大，嚴(yán)重影響了機(jī)車舒適性和平穩(wěn)性。(4)在直線軌道上制動(dòng)時(shí)，對(duì)機(jī)車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響不大。

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