馮相杰， 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， 成都 610031)

機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置懸掛方式大致分為軸懸式、架懸式、半體懸式和體懸式，架懸式又可分為彈性架懸和剛性架懸。傳統(tǒng)機(jī)車的速度低，驅(qū)動(dòng)裝置的懸掛方式通常采用軸懸式懸掛方式；軸懸式懸掛方式的簧下質(zhì)量相對(duì)較大，不能滿足高速運(yùn)行的一系列動(dòng)力學(xué)要求，金鼎昌等人經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)半體懸和體懸懸掛方式能夠減少簧下質(zhì)量，降低輪軌動(dòng)作用力，可以滿足高速的要求[1]，故高速動(dòng)力車驅(qū)動(dòng)裝置的懸掛方式通常采用架懸式、半體懸式和體懸式。架懸式可以提高機(jī)車的橫向穩(wěn)定性，降低機(jī)車對(duì)線路的要求[2]，我國(guó)160 km/h交流傳動(dòng)機(jī)車上驅(qū)動(dòng)裝置懸掛方式大多采用彈性架懸式。筆者主要就剛性架懸、彈性架懸和半體懸這3種方案的機(jī)車橫向穩(wěn)定性性能進(jìn)行對(duì)比研究。同時(shí)分析3種方案的橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性。

1 動(dòng)力車模型

以國(guó)內(nèi)某一彈性架懸式高速動(dòng)力車為參考，在SIMPACK多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)環(huán)境中分別建立了彈性架懸式、剛性架懸式和半體懸式高速動(dòng)力車模型。彈性架懸式高速動(dòng)力車為B0-B0軸式電力機(jī)車，軸質(zhì)量為19.7 t，主要由輪對(duì)、軸箱、一系懸掛裝置、構(gòu)架、二系懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成。車體和構(gòu)架間由二系懸掛裝置連接，構(gòu)架和輪對(duì)之間由一系懸掛裝置連接；彈性架懸式高速動(dòng)力車牽引電機(jī)一端通過(guò)兩根擺桿吊掛在構(gòu)架上，另一端直接與構(gòu)架相連，每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)和構(gòu)架間裝有一個(gè)橫向耦合減振器，牽引機(jī)構(gòu)采用單牽引桿方式；模型中采用的輪軌關(guān)系為JM3磨耗型踏面與60 kg鋼軌匹配，1/40軌底坡。圖1為彈性架懸式機(jī)車物理學(xué)模型。剛性架懸式和半體懸式高速動(dòng)力車模型都是在彈性架懸式高速動(dòng)力車模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變電機(jī)與構(gòu)架的連接結(jié)構(gòu)與懸掛裝置的參數(shù)得到的,通過(guò)彈性架懸式機(jī)車鎖死橡膠球關(guān)節(jié)與構(gòu)架連接的剛度以及擺桿零自由度的連接在構(gòu)架上得到剛性架懸式高速動(dòng)力車模型，另外，剛性架懸相較于彈性架懸去掉了橫向耦合減振器。半體懸式高速動(dòng)力車牽引電機(jī)一端通過(guò)兩根擺桿吊掛在構(gòu)架的端梁上，另一端直接與車體相連，它的橫向耦合減振器裝在牽引電動(dòng)機(jī)與車體之間，在縱向上靠近擺桿的位置。

2 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)下的橫向穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計(jì)算方法主要有非線性和線性(根軌跡法)2種。根軌跡法是用來(lái)分析線性穩(wěn)定性，確定線性臨界速度。筆者只計(jì)算與實(shí)際更為貼近的非線性臨界速度，這里用計(jì)算機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅的方法分析機(jī)車的非線性臨界速度[3]。輪對(duì)橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅的計(jì)算方法為讓機(jī)車以一定的速度通過(guò)一段不平順時(shí)域譜激擾的長(zhǎng)度為50 m的軌道，然后繼續(xù)在平順的直線軌道上運(yùn)行，通過(guò)計(jì)算各剛體位移的收斂和發(fā)散情況來(lái)判斷機(jī)車是否失穩(wěn)[4]。

2.1 剛性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動(dòng)裝置采用剛性架懸的機(jī)車在不同的速度下各輪對(duì)的橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅見(jiàn)圖2。

圖2 剛性架懸各輪對(duì)極限環(huán)振幅

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)裝置采用剛性架懸的機(jī)車的非線性臨界速度為240 km/h左右。當(dāng)機(jī)車以60～100 km/h低速運(yùn)行時(shí)輪對(duì)具有小幅的極限環(huán)振動(dòng)，機(jī)車運(yùn)行速度為100～240 km/h時(shí)各輪對(duì)橫向振動(dòng)具有很好的收斂性。盡管低速運(yùn)行時(shí)輪對(duì)的橫向位移比輪軌間隙小，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到撞擊鋼軌的極限狀態(tài)，但低速下的極限環(huán)振動(dòng)仍然對(duì)機(jī)車在低速下運(yùn)行時(shí)的橫向穩(wěn)定性有不利的影響。

2.2 彈性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動(dòng)裝置采用彈性架懸的機(jī)車在不同的速度下各輪對(duì)的橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅見(jiàn)圖3。

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)裝置采用彈性架懸的機(jī)車的非線性臨界速度為280 km/h左右。當(dāng)機(jī)車以60～100 km/h低速運(yùn)行時(shí)輪對(duì)具有小幅的極限環(huán)振動(dòng)，機(jī)車運(yùn)行速度為100～280 km/h時(shí)各輪對(duì)橫向振動(dòng)具有很好的收斂性。盡管低速運(yùn)行時(shí)輪對(duì)的橫向位移比輪軌間隙小，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到撞擊鋼軌的極限狀態(tài)，但低速下的極限環(huán)振動(dòng)仍然對(duì)機(jī)車在低速下運(yùn)行時(shí)的橫向穩(wěn)定性有不利的影響。

圖3 彈性架懸各輪對(duì)極限環(huán)振幅

2.3 半體懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性分析

驅(qū)動(dòng)裝置采用半體懸式的機(jī)車在不同的速度下各輪對(duì)的橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅見(jiàn)圖4。

圖4 半體懸各輪對(duì)極限環(huán)振幅

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)裝置采用半體懸的機(jī)車的非線性臨界速度為320 km/h左右。機(jī)車運(yùn)行速度在60～320 km/h時(shí)各輪對(duì)始終有小幅的橫向振動(dòng)，速度在140～240 km/h時(shí)顯得尤為突出。

2.4 不同驅(qū)動(dòng)裝置懸掛方式的橫向穩(wěn)定性對(duì)比

對(duì)3種驅(qū)動(dòng)裝置不同懸掛方式的模型的橫向穩(wěn)定性作對(duì)比分析研究，圖5比較了第1輪對(duì)的橫向振動(dòng)極限環(huán)振幅和速度320 km/h的時(shí)間歷程。

計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)裝置為半體懸的機(jī)車非線性臨界速度最高，驅(qū)動(dòng)裝置為剛性架懸的機(jī)車非線性臨界速度最低，驅(qū)動(dòng)裝置為彈性架懸的機(jī)車非線性臨界速度居中；驅(qū)動(dòng)裝置為剛性架懸和彈性架懸的機(jī)車在低速運(yùn)行時(shí)都存在小幅的極限環(huán)振動(dòng)，半體懸的機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中始終存在小幅的橫向振動(dòng)。

3 橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)機(jī)車橫向穩(wěn)定性影響比較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是一系縱向剛度、抗蛇行減振器的安裝剛度和抗蛇行減振器的阻尼系數(shù)[5]。主要針對(duì)設(shè)計(jì)方案中高速動(dòng)力車低速運(yùn)行時(shí)輪對(duì)橫向振動(dòng)出現(xiàn)小幅度的極限環(huán)振動(dòng)的問(wèn)題，分析3種方案的橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性。用Kpx表示一系縱向剛度，保持其他參數(shù)不變的情況下，一系縱向剛度分別取11，15，19，23，27，31 kN/mm進(jìn)行分析對(duì)比研究。

3.1 剛性架懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，當(dāng)保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，剛性架懸式機(jī)車在低速下運(yùn)行時(shí)第1輪對(duì)的極限環(huán)振幅隨著一系縱向剛度的減小而減小，當(dāng)Kpx等于11 kN/mm時(shí)，剛性架懸式機(jī)車低速下的極限環(huán)振幅為0，輪對(duì)不會(huì)出現(xiàn)橫向振動(dòng)。從總體趨勢(shì)上看，剛性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，但是在一定的范圍類(如Kpx在19～23 kN/mm時(shí))減小一系縱向剛度并不能有效的增大其非線性臨界速度。

圖5 3模型橫向穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果比較

圖6 一系縱向剛度對(duì)剛性架懸第1輪對(duì)極限環(huán)振幅的影響

3.2 彈性架懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出，在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，彈性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的減小而增大，另外，隨著一系縱向剛度的減小，彈性架懸式機(jī)車第1輪對(duì)在低速運(yùn)行時(shí)的極限環(huán)振幅也隨之減小，當(dāng)Kpx等于11 kN/mm時(shí)，機(jī)車第1輪對(duì)在低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)橫向振動(dòng)問(wèn)題。

3.3 半體懸式機(jī)車橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度變化的敏感性

計(jì)算結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，半體懸式機(jī)車的非線性臨界速度隨著一系縱向剛度的增大而減小，半體懸式機(jī)車在運(yùn)行中始終有著小幅的橫向振動(dòng)位移，改變一系縱向剛度不能明顯改善這一問(wèn)題。

圖7 一系縱向剛度對(duì)彈性架懸第1輪對(duì)極限環(huán)振幅的影響

圖8 一系縱向剛度對(duì)剛性架懸第1輪對(duì)極限環(huán)振幅的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析驅(qū)動(dòng)裝置不同懸掛方式的機(jī)車的橫向穩(wěn)定性以及一系縱向剛度對(duì)機(jī)車橫向穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，只改變驅(qū)動(dòng)裝置的懸掛方式的情況下，半體懸機(jī)車的非線性臨界速度最大，剛性架懸機(jī)車的非線性臨界速度最小，彈性架懸機(jī)車的非線性臨界速度居中。

(2) 從總體趨勢(shì)上看，剛性架懸、彈性架懸和半體懸機(jī)車的非線性臨界速度都會(huì)隨著一系縱向剛度的降低而增大。但是當(dāng)一系縱向剛度在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)(如Kpx在19～23 kN/mm時(shí))，剛性架懸式機(jī)車的非線性臨界速度保持不變。

(3) 對(duì)于剛性架懸和彈性架懸機(jī)車而言，機(jī)車在低速運(yùn)行時(shí)的極限環(huán)振幅會(huì)隨著一系縱向剛度的減小而減小，當(dāng)一系縱向剛度等于11 kN/mm時(shí)，剛性架懸式和彈性架懸式機(jī)車在低速時(shí)都不會(huì)出現(xiàn)橫向振動(dòng)位移。

(4) 彈性架懸機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度的敏感度最高，半體懸機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度的敏感度最低，剛性架懸式機(jī)車的橫向穩(wěn)定性對(duì)一系縱向剛度的敏感度居于二者之間。

以上模擬計(jì)算，驅(qū)動(dòng)裝置采用剛性架懸和半體懸的機(jī)車的計(jì)算模型都是在彈性架懸式機(jī)車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改得到的，與實(shí)際的剛性架懸式機(jī)車和半體懸式機(jī)車都有一定的偏差，所以需更進(jìn)一步地進(jìn)行研究分析。

[1] 金鼎昌，羅 赟，黃志輝. 牽引電動(dòng)機(jī)懸掛方式對(duì)機(jī)車或動(dòng)車動(dòng)力學(xué)性能的影響[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，1994，16(S1)：43-47.

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