林 輝， 朱亞男， 李益民， 李冰毅

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院 牽引動力系， 西安 710014)

隨著我國牽引動力技術(shù)的發(fā)展，對機車也提出了更加高速、重載等要求，為了在確保機車運行安全、提高運行品質(zhì)的前提下達到更高的要求，在機車設計制造時必須滿足其輪(軸)重分配的均衡性。而機車輪(軸)重分配是否均衡則與機車垂向載荷的分布情況密切相關(guān)[1]，由于機車垂向載荷主要來源于車體及其車內(nèi)設備，因此，保證機車車體上部的質(zhì)量分布均衡將直接影響機車最終輪(軸)重分配的均衡程度。

為了保證機車車體上部質(zhì)量均衡分布，除了在機車設計時保證車內(nèi)設備對稱布置、配重均衡等原則外，由于在機車制造過程中各部件的差異、加工偏差以及車體鋼結(jié)構(gòu)的變形等等原因，往往會導致機車二系支承處的載荷分配不均勻，從而使整車輪(軸)重分配不符合要求。因此需要通過對機車二系支承處的二系彈簧進行加、減墊片的調(diào)簧操作，來保證機車二系載荷分布的均衡性[2-3]，從而從根本上保證機車輪(軸)重分配的均衡程度。

由于機車車體與其二系支承組成了超靜定的力學結(jié)構(gòu)[4]，調(diào)簧操作較為復雜，傳統(tǒng)的調(diào)簧工藝主要依托于技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗，尚缺乏系統(tǒng)性的理論指導，因此效率低下。通過分析典型B0-B0軸列式電力機車的支承結(jié)構(gòu)，針對該種機車提出一套行之有效的二系調(diào)簧方法，對實際的調(diào)簧工藝具有非常重要的指導意義。

1 典型B0-B0軸式交流機車二系支承結(jié)構(gòu)分析

在大功率交流傳動電力機車中，即HXD系列機車中，典型的B0-B0軸式電力機車的支承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 B0-B0軸式交流機車支承結(jié)構(gòu)示意

在圖1所示的電力機車支承結(jié)構(gòu)中，有8個二系支承點，這8個二系支承點具體的位置情況見圖2。

圖2 B0-B0軸式交流機車二系支承平面結(jié)構(gòu)

由圖1和圖2可知，典型B0-B0軸式電力機車共有8個二系支承位置，其中同一側(cè)每2個相鄰支承點兩兩之間的距離l1相對于兩轉(zhuǎn)向架最外側(cè)二系支承點距離l來說較小。該系列典型機車的尺寸l1和l數(shù)值見表1。

表1 典型B0-B0軸式電力機車尺寸參數(shù)

2 機車二系支承結(jié)構(gòu)的簡化

為保證機車車體上部質(zhì)量分布均衡，關(guān)鍵要保證機車二系支承處載荷分布偏差最小，而典型的B0-B0軸式電力機車共有8個二系支承位置，使得車體——二系支持結(jié)構(gòu)組成了一個復雜的超靜定系統(tǒng)，受各種耦合因素影響，會導致二系支承載荷分配偏差增大，同時增加二系調(diào)簧工藝的復雜度。

由表1可看出，幾種典型B0-B0軸式電力機車同側(cè)每2個相鄰支承點間最大距離僅占到兩轉(zhuǎn)向架最外側(cè)二系支承點間距的3%～6%左右，幾乎可以忽略，因此可將2個相鄰支承點簡化為一個組，將該系列機車的8點二系支承結(jié)構(gòu)簡化為4組支承結(jié)構(gòu)，從而簡化力學模型。簡化后力學模型如圖3所示。

圖3 機車二系4點支承簡化力學模型圖

在圖3中，F(xiàn)R1、FR2、FL1、FL2為簡化模型中的4點支承處載荷；a和b為各支承點距車體平面幾何中心沿x軸和y軸方向的距離；P為車體上部總重，假定為一集中力，作用在坐標(ex，ey)處；ex、ey為車體上部總重在x軸和y軸的偏移量。由圖3可知，4點二系支承的簡化力學模型可以更方便地建立數(shù)學模型，從而更加明確各支承處二系載荷的分布規(guī)律。

(1)

進一步推導可得出該最優(yōu)解的求解范圍(具體推導過程參見文獻[5])：

(2)

式(2)的求解范圍說明：機車車體上部質(zhì)量應集中在如圖4所示陰影部分區(qū)域內(nèi)，如若車體上部質(zhì)量集中加載位置超出該區(qū)域，則說明車體上部質(zhì)量分配本身存在著重大偏差，必須返廠重新調(diào)整。

圖4 機車車體上部質(zhì)量允許加載位置區(qū)域

3 簡化模型中各支承點的確定

根據(jù)上節(jié)分析的機車二系支承的簡化結(jié)構(gòu)，可將8點支承結(jié)構(gòu)簡化為4點支承結(jié)構(gòu)分析，從而簡化調(diào)簧過程，并可根據(jù)圖4所示初步判定機車是否能進行調(diào)簧。下面來具體論證機車4點簡化支承結(jié)構(gòu)中各支承點的位置及等效載荷如何確定。

由圖2可知，典型B0-B0軸式電力機車同側(cè)每2個二系支承點位置較近，為建立合理的數(shù)學模型進行分析，忽略制造和加工誤差以及材料的微小形變，提出以下幾點假設：

(1)車體底架結(jié)構(gòu)為剛體，受力無形變；

(2)機車同側(cè)二系彈簧與車體底架接觸點位置共線；

(3)機車所有二系支承位置處于同一平面上[6]。

在以上假設的基礎(chǔ)上，將車體同側(cè)相鄰的2個二系支承位置單獨建模分析，如圖5所示：1、2點為車體同側(cè)相鄰二系支承位置，F(xiàn)1、F2為其對應的實測支承載荷。

圖5 車體同側(cè)相鄰2點二系支承位置建模示意圖

為了將相鄰2個支承點等效為1個支承位置，需首先對相鄰支承點進行局部調(diào)簧，使得2點支反力F1、F2等效為F，且滿足式(3)，F(xiàn)即為局部調(diào)簧后各支承點的支反力。

(3)

假設局部調(diào)整前后2個支承點支反力之和不變，且根據(jù)前述機車同側(cè)二系彈簧與車體底架接觸點位置共線的假設，就要求局部加墊調(diào)整前后各支承點彈簧壓縮量無變化，即局部調(diào)整前后對應調(diào)整點的二系彈簧高度應維持不變[7]。

由上推出，局部調(diào)整前各支承點彈簧高度為h0i-Fici，調(diào)整后高度則變?yōu)閔0i+hi-Fci；二者相等，由此可推出局部調(diào)整時在各點的計算加墊值：

h0i-Fici=h0i+hi-Fci

?hi=(F-Fi)ci

(4)

考慮到在實際調(diào)簧操作中，應盡量減少所加墊片數(shù)量，因此并不是在2個支承點處全部加墊，故各支承點實際的輸出加墊值Δhi應為：

Δhi=hi-min[h1，h2]

(5)

綜上分析，總結(jié)出將相鄰2個支承點等效為一個支承點的具體操作步驟：先實測1、2點的支承載荷F1、F2，在其中較小載荷位置處按下式加墊調(diào)整：

若F1>F2，則僅在2點加墊，加墊值為：

Δh2=(F-F2)c2-(F-F1)c1

(6)

反之，若F1

Δh1=(F-F1)c1-(F-F2)c2

(7)

為保證一定安全裕量，將以上計算出的加墊值乘以安全系數(shù)K(0≤K≤1，一般取K=0.9)，再按計算結(jié)果實施加墊。

經(jīng)局部調(diào)整后，圖5中相鄰的2個支承點就可等效為1個支承點，等效位置與2支承點幾何中點重合，等效載荷為調(diào)整后2個支承點載荷之和，等效點彈簧綜合柔度為：

(8)

經(jīng)上述操作后，可將典型B0-B0軸式電力機車的8點二系支承結(jié)構(gòu)簡化成為4點支承結(jié)構(gòu)，在后續(xù)調(diào)簧過程中，可將相鄰2個支承點看作一組按4點支承結(jié)構(gòu)進行調(diào)簧，從而使調(diào)簧操作大為簡化。

4 應用案例

將上述調(diào)簧方法應用到現(xiàn)場SS4型電力機車55A號車體的調(diào)簧操作中，該車體調(diào)簧前初始二系載荷分布情況見表1。

表1 SS4型機車車體初始二系載荷分布

表1中，各支承點位置與圖2所示支承點的編號對應關(guān)系見表2。從表1可看出，該車體二系支承載荷分布極不均衡，需進行調(diào)簧使之均衡分布。

表2 機車支承點位置編號對應關(guān)系

按上面所述的簡化二系支承方法，將8點二系支承結(jié)構(gòu)簡化為4組，經(jīng)計算，各點加墊調(diào)整情況見表3。

表3 SS4型機車車體相鄰二系彈簧局部調(diào)整情況

經(jīng)局部調(diào)整后，該車體二系載荷分布情況已較為均衡，最大偏差變?yōu)?.34 kN，較調(diào)整前下降了55.64%。

經(jīng)上述簡化支承的局部調(diào)簧操作后，將SS4電力機車車體二系支承等效為4組，再進行整體調(diào)簧，整體調(diào)簧各支承點加墊情況見表4。

表4 SS4型機車車體簡化支承后整體調(diào)整情況

由于在實際調(diào)簧中，所加墊片數(shù)目為整數(shù)，所以將表3和表4的加墊值相加再經(jīng)量化為整數(shù)的操作后，得到最終在各個二系支承位置的實際指導加墊量。SS4型機車車體最終加墊情況及調(diào)整后各二系支承點載荷分布情況見表5。

表5 SS4型機車車體實際調(diào)整加墊量及載荷變化情況

5 結(jié) 論

通過研究典型B0-B0軸列式電力機車二系支承結(jié)構(gòu)分布特點，提出一種簡化二系支承的加墊調(diào)整方法，可將8點二系支承結(jié)構(gòu)簡化為4點支承結(jié)構(gòu)，從而使機車的二系調(diào)簧操作大為簡化。經(jīng)SS455A號機車車體實車數(shù)據(jù)試驗，調(diào)簧效果良好，可得出以下結(jié)論：

(1)按文中所述方法進行局部調(diào)簧，調(diào)整后可極大改善機車二系載荷分布不均的情況，SS4型機車車體經(jīng)局部調(diào)整，二系載荷最大偏差較調(diào)整前下降了55.64%，效果良好。

(2)局部調(diào)整后，可將機車車體看成為4點支承結(jié)構(gòu)再進行整體調(diào)簧，整體調(diào)簧只需在最小支撐組處整體加墊1～2次即可達到理想的調(diào)簧效果。SS4型機車車體整體調(diào)簧僅加墊一次，最大偏差較調(diào)整前下降了24.25%，較初始載荷最大偏差下降了66.4%，效果明顯。

(3)所述方法計算出的加墊值為小數(shù)，實際指導調(diào)簧時需將加墊值量化操作變?yōu)檎麛?shù)，最終得到的一組8點二系支承位置的加墊序列即為機車二系調(diào)簧工藝的指導加墊值。