楊昕時 王伯銘 張力波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都//第一作者，碩士研究生)

動車組輪(軸)重均衡是保證動車組粘著牽引力和車輛運(yùn)動性能正常發(fā)揮的必要條件。稱重試驗(yàn)是動車組編組前的最后一道工序?！禖RH2A、B、E 型動車組三級檢修規(guī)程》規(guī)定：動車組單輛靜態(tài)稱重檢測輪重差時，差值應(yīng)小于等于4%[1]。若輪重差不滿足要求，可通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥以及在一系彈簧處加設(shè)調(diào)整墊片來調(diào)整。目前的動車組稱重調(diào)平是在人工經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下完成的，缺乏理論指導(dǎo)。如：文獻(xiàn)[2-3]分析了稱重工藝的影響因素，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)總結(jié)了調(diào)整輪重差的經(jīng)驗(yàn)原則，并增加了預(yù)調(diào)整工藝。文獻(xiàn)[4]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從工藝角度總結(jié)了現(xiàn)場輪重差調(diào)整方法，該調(diào)整方法存在一定的隨機(jī)性和盲目性，未能從根本上提出解決方案。文獻(xiàn)[5-7]分別研究了輪重調(diào)整方法和車體稱重方法，研究中尚未將由單個位置調(diào)整對整車帶來的影響進(jìn)行量化，僅得到了經(jīng)驗(yàn)性的指導(dǎo)方案。文獻(xiàn)[8]分析了在轉(zhuǎn)向架單個位置加設(shè)墊片對其他位置的影響，但并未得出指導(dǎo)調(diào)平的理論規(guī)律，最終都要依靠算法尋找最優(yōu)解。

本文通過建立動車組單輛車整體稱重理論模型，分析得到稱重調(diào)平的理論規(guī)律，提出了3個調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)以及高度調(diào)整閥調(diào)平條件，并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論規(guī)律的正確性。應(yīng)用此理論指導(dǎo)現(xiàn)場稱重，可以有效避免工人的盲目操作，顯著提高了現(xiàn)場稱重效率，為計(jì)算機(jī)編寫計(jì)算動車組單輛車整體稱重調(diào)平程序提供了必要的理論支持，同時亦為稱重調(diào)平的數(shù)字化智能化提供了指導(dǎo)方向。

1 現(xiàn)行動車組單輛靜態(tài)稱重過程

將車輛推置于稱重軌上，稱重軌上有8個載重臺，載重臺將輪對舉升，通過傳感器測得各輪重，根據(jù)輪重數(shù)據(jù)指導(dǎo)工人進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平的方法有兩種：一種是在軸箱彈簧處加墊片，一種是調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥。由于在軸箱彈簧處加設(shè)墊片的操作復(fù)雜，因此優(yōu)先通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)整輪重。工人打開一輛車對角的空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)節(jié)輪重，輪重數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在控制室，當(dāng)輪重差符合要求后，停止調(diào)節(jié)；若不能調(diào)平，則在軸箱彈簧處加設(shè)墊片，再調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)平輪重，如此重復(fù)直到調(diào)平，若始終不能調(diào)平，則該車不合格。

2 動車組靜態(tài)稱重理論模型

2.1 車體垂向受力模型

車體支撐于4個空氣彈簧上，其垂向受力簡化模型如圖1所示。

注：2L——空氣彈簧縱向間距；2H——空氣彈簧橫向間距；N1，N2，N3，N4——空氣彈簧支撐力；P——車體所受的重力；ΔX,ΔY——分別為x方向和y方向車體重心偏離形心的距離

圖1 車體垂向受力模型

車體所受的支撐力通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，4個支撐力能夠調(diào)節(jié)到的最好狀態(tài)為載荷最平均分配狀態(tài)[5]。車體4點(diǎn)載荷調(diào)整時，其規(guī)律為對角相同，即1位空氣彈簧垂向支撐力增大，則對角的4位空氣彈簧支撐力也增大，并且增大量相同；另一對角上空氣彈簧2、3位的垂向支撐力減小，且減小量與1、4位增大量相等[8]。因此，通常情況下，車體所受的4點(diǎn)支撐載荷如式(1)。

(1)

其中，ΔN(k,h)為與4個空氣彈簧狀態(tài)有關(guān)的偏差載荷，可通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)整至零時即為載荷最平均分配狀態(tài)。

2.2 轉(zhuǎn)向架垂向受力模型

將轉(zhuǎn)向架分為構(gòu)架和輪對，構(gòu)架的垂向受力模型如圖2所示，輪對的受力模型如圖3所示。

注：2a——軸距；2b——軸箱彈簧的橫向間距；G——構(gòu)架所受的重力；ex1,ey1——分別為x方向和y方向構(gòu)架重心偏離形心的距離；F1,F2,F3,F4——分別為不同輪對對軸箱的支撐力

圖2 構(gòu)架垂向受力簡圖

注：GW——輪對所受的重力；2W——輪對的滾動圓中心距；F1W,F2W——軌道對輪對的支撐力

圖3 輪對垂向受力簡圖

根據(jù)構(gòu)架及輪對垂向受力可列出靜力學(xué)平衡方程，結(jié)合4個軸箱變形協(xié)調(diào)條件可求得轉(zhuǎn)向架4個輪輪重大小FWi(i=1,2,3,4)，如式(2)所示。

(2)

式中：

li——軸箱彈簧的初始長度(i=1,2,3,4)；

c——軸箱彈簧的垂向柔度，即剛度的倒數(shù)。

本文假定所有軸箱彈簧的垂向剛度相同且保持不變。

3 調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)的確立

結(jié)合式(1)和式(2)可得，一軸的輪重偏差為：

(3)

同理，可分別列出二軸、三軸、四軸的輪重偏差。

則車輛稱重時的輪重偏差可分為以下3部分：

(1) 由空氣彈簧引起的偏差ΔS。這部分偏差可以通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥的方法來減小。

(2) 由軸箱彈簧引起的偏差ΔB1與ΔB2。根據(jù)彈簧串聯(lián)定律可知，將一個剛度為K、原長為L1的彈簧與一個剛度無窮大、原長為L2的彈簧串聯(lián)，串聯(lián)后的彈簧剛度為K，原長為L1+L2。因此，在軸箱彈簧處加設(shè)墊片，等效于改變軸箱彈簧的原長。因此，這部分偏差可通過在軸箱彈簧處加設(shè)墊片來減小。

(3) 由車輛重心橫向偏心引起的偏差ΔPy1和ΔPy2，這部分偏差不能通過上述調(diào)平方法減小。

令：

(4)

將輪重偏差控制在4%以內(nèi)，則：

|ΔB1|+|ΔS+ΔPy1|≤4%

(5)

|ΔB2|+|-ΔS+ΔPy2|≤4%

(6)

車輛稱重時，希望僅通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥便能調(diào)平，同時要考慮在軸箱彈簧處加設(shè)墊片。當(dāng)僅調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥時，ΔS為變量，所以式(4)和(5)所組成的方程組有解時，便說明只調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥就能調(diào)平。

令：

(7)

將|ΔB1|、|ΔB2|和Δ命名為調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)，則高度調(diào)整閥調(diào)平條件為:

(8)

當(dāng)滿足上述高度調(diào)整閥調(diào)平條件時，僅通過高度調(diào)整閥即可調(diào)平；若不能同時滿足，則需分別在前后轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧處加設(shè)墊片來減小|ΔB1|和|ΔB2|，從而使調(diào)平條件滿足要求。由于|ΔB1|和|ΔB2|分別能反映前、后轉(zhuǎn)向架的調(diào)平情況，為了節(jié)約調(diào)平時間，降低工藝難度和復(fù)雜度，當(dāng)需要在軸箱彈簧處加設(shè)墊片時，工人希望盡量只在一個轉(zhuǎn)向架的軸箱彈簧上加設(shè)。為此，可以先比較|ΔB1|和|ΔB2|的大小，再進(jìn)一步計(jì)算能否通過只減小|ΔB1|和|ΔB2|中較大者來滿足高度調(diào)整閥調(diào)平條件。

4 實(shí)例分析

通過車輛現(xiàn)場稱重可以得出8個車輪的輪重，然后根據(jù)輪重可算得3個調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)值。

表1列出了多輛車現(xiàn)場稱重數(shù)據(jù)，并計(jì)算出了上述三輛車在稱重過程中的調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)(見表2)，計(jì)算結(jié)果證明了理論的正確性。第一輛車調(diào)平時發(fā)現(xiàn)只調(diào)高度調(diào)整閥不能夠調(diào)平，然后在后轉(zhuǎn)向架加設(shè)墊片才將車輛調(diào)平；第二輛車由于不能只通過調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥調(diào)平，因此通過在前后轉(zhuǎn)向架上加設(shè)墊片，才調(diào)平了車輛；為了驗(yàn)證理論的正確性，對于不能只通過調(diào)高度調(diào)整閥調(diào)平的第三輛車進(jìn)行重心調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)車體上的配重塊，將車體重心向中心移動，當(dāng)高度調(diào)整閥調(diào)平條件滿足時，再調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥，結(jié)果證明此時確實(shí)不需在軸箱彈簧處加設(shè)墊片便能調(diào)平。由表1和表2可知：

(1) 根據(jù)理論，|ΔB1|和|ΔB2|與轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧的狀態(tài)有關(guān)，其值可分別通過在前后轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧處加設(shè)墊片來改變，與高度調(diào)整閥調(diào)節(jié)無關(guān)。而在車輛實(shí)際稱重中，只調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥時，兩個參數(shù)都有一定的變化，這是由于測量數(shù)據(jù)時車體并未穩(wěn)定以及稱重臺測量誤差引起的，其改變的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在軸箱彈簧處加設(shè)墊片引起的變化值。

(2) 第一輛車不能只通過調(diào)高度調(diào)整閥調(diào)平的原因是，車輛不平是由后轉(zhuǎn)向架的不平造成的。在后轉(zhuǎn)向架上加設(shè)墊片，當(dāng)滿足了高度調(diào)整閥調(diào)平條件后調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥便能夠調(diào)平。

(3) 第二輛車的前后轉(zhuǎn)向架已經(jīng)比較平，但是由于整輛車重心橫向偏心大，導(dǎo)致不滿足高度調(diào)整閥調(diào)平條件，于是還需在前后轉(zhuǎn)向架上加設(shè)墊片，當(dāng)滿足高度調(diào)整閥調(diào)平條件后，便可通過調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥調(diào)平。

(4) 第三輛車起初不能通過調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥調(diào)平，經(jīng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其原因是重心偏差相對于第二輛車而言較小。為了驗(yàn)證理論的正確性，通過調(diào)節(jié)車體上的配重塊，將車體重心向中心移動而不在軸箱彈簧處加設(shè)墊片，當(dāng)高度調(diào)整閥調(diào)平條件滿足時再調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥，結(jié)果證明此時確實(shí)不需在軸箱彈簧處加設(shè)墊片便能調(diào)平。

表1 多輛車現(xiàn)場稱重數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)計(jì)算表

5 結(jié)論

本文通過建立動車組單輛車整體稱重模型，提出了3個調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)以及高度調(diào)整閥調(diào)平條件。3個調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)分別反映了影響動車組單輛車整體稱重調(diào)平的3個獨(dú)立因素：前轉(zhuǎn)向架不平、后轉(zhuǎn)向架不平以及車輛重心偏心。結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證了高度調(diào)整閥調(diào)平條件的正確性。在此基礎(chǔ)上可以利用調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)來進(jìn)行判斷，并明確指出應(yīng)在轉(zhuǎn)向架加設(shè)墊片以滿足調(diào)平條件。應(yīng)用此稱重調(diào)平規(guī)律和3個調(diào)平指導(dǎo)參數(shù)以及高度調(diào)整法調(diào)平條件來指導(dǎo)車輛現(xiàn)場稱重，可以有效避免工人的盲目操作，顯著提高車輛現(xiàn)場稱重效率，還為計(jì)算機(jī)編寫計(jì)算動車組單輛車整體稱重調(diào)平程序提供了必要的理論支持，同時也為車輛稱重調(diào)平的數(shù)字化、智能化提供指導(dǎo)方向。