張曉霞, 侯 躍, 姚 遠(yuǎn),3

(1 成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化學(xué)院， 成都 610031；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031；3 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南株洲 412001)

近年來，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，越來越多的高速機(jī)車動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用驅(qū)動(dòng)裝置彈性懸掛的結(jié)構(gòu)型式，以提高機(jī)車或動(dòng)車高速運(yùn)行橫向動(dòng)力學(xué)性能[1-2]。國內(nèi)外針對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置彈性懸掛進(jìn)行了深入的研究。梁煒昭指出車體和構(gòu)架的橫向動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨著懸掛擺桿長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)裝置減振器阻尼的增大而先減小、后增大[3]。長(zhǎng)客股份的黃彩虹分析后得出當(dāng)電機(jī)橫移頻率低于最佳頻率時(shí)，轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較高[4]。S.Alfi根據(jù)EN 14363分析電機(jī)懸掛剛度對(duì)非線性穩(wěn)定性的影響[5]，文獻(xiàn)[6]指出增加電機(jī)懸掛剛度是降低動(dòng)態(tài)滑移率的有效措施，從而提高了機(jī)車的黏著性能，且動(dòng)態(tài)滑移率與電機(jī)懸掛剛度的平方根成反比。羅赟等提出3剛體機(jī)車橫向振動(dòng)模型，分析不同速度下驅(qū)動(dòng)裝置懸掛參數(shù)對(duì)機(jī)車受迫振動(dòng)的影響，指出機(jī)車運(yùn)行速度達(dá)到160 km/h后，驅(qū)動(dòng)裝置懸掛應(yīng)采用彈性懸掛方式，驅(qū)動(dòng)裝置縱、橫向剛度選擇在10 kN·m-1數(shù)量級(jí)，可以顯著改善機(jī)車的橫向性能和電機(jī)工作條件，有效降低橫向輪軌力，還可以提高機(jī)車的穩(wěn)定性[7]。文獻(xiàn)[8-9] 通過對(duì)六軸機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置懸掛方案的研究發(fā)現(xiàn)采用彈性懸掛方案可以顯著降低機(jī)車直線運(yùn)行的輪軸橫向力，且擺桿位于電機(jī)端的彈性懸掛方式優(yōu)于懸臂端彈性懸掛方式。文獻(xiàn)[10]建立了具有10個(gè)自由度的轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)動(dòng)態(tài)吸振原理提出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳懸架頻率。針對(duì)B0和C0機(jī)車建立多體動(dòng)力學(xué)模型，比較兩種不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛裝置對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能影響。在以上兩種彈性懸掛裝置的基礎(chǔ)上提出全彈性懸掛結(jié)構(gòu)，并對(duì)整車進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真。最后研究了不同車輛懸掛參數(shù)下全彈性懸掛結(jié)構(gòu)的魯棒性。研究結(jié)果可為機(jī)車、動(dòng)力車優(yōu)化彈性懸掛參數(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸掛方式

對(duì)于高速機(jī)車，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過單橡膠節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)擺桿安裝在構(gòu)架的橫梁上，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與構(gòu)架通過減振器橫向連接，以衰減電機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)。橡膠節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)擺桿分別布置在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿軌道方向的兩側(cè)，橡膠節(jié)點(diǎn)和擺桿均具有彈性，以隔離振動(dòng)并提供電機(jī)的橫向回復(fù)剛度。當(dāng)電機(jī)相對(duì)構(gòu)架橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，垂向布置的兩根擺桿和橡膠節(jié)點(diǎn)在鉛垂面內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)質(zhì)心繞橡膠節(jié)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)。擺桿可布置在靠近電機(jī)側(cè)和非電機(jī)側(cè)兩種結(jié)構(gòu)形式，分別如圖1和2所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過雙空心軸六連桿盤傳動(dòng)裝置與輪對(duì)連接，其合成橫向剛度為圖中kce；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與構(gòu)架間布置橫向減振器，橫向阻尼為圖中cmy。

由于電機(jī)相對(duì)橡膠節(jié)點(diǎn)繞垂向軸擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)質(zhì)心的橫向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)擺動(dòng)頻率與阻尼比不僅與懸掛元件的剛度和阻尼參數(shù)有關(guān)，而且與電機(jī)質(zhì)心、安裝位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。圖1和圖2分別為兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛示意圖與結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中l(wèi)1、l2、l3和l分別為橡膠節(jié)點(diǎn)到電機(jī)橫向減振器，電機(jī)質(zhì)心、六連桿和擺桿的長(zhǎng)度；h為擺桿高度；Mm和Imx分別為電機(jī)質(zhì)量和繞縱向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式1

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式2

選取兩臺(tái)不同的200 km/h速度等級(jí)機(jī)車作為分析對(duì)象，其彈性懸掛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別為上述兩種結(jié)構(gòu)形式，兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)

2 兩種懸掛方式對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響對(duì)比

為了比較以上兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響，利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK分別建立兩臺(tái)機(jī)車動(dòng)力學(xué)模型，如圖3，機(jī)車主要參數(shù)見表2。機(jī)車1、2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別采用上述懸掛方式1和懸掛方式2。車輪踏面為JM3磨耗形踏面，標(biāo)準(zhǔn)軌距，計(jì)算機(jī)車直線運(yùn)行工況。軌道激勵(lì)采用德國高干擾功率譜密度轉(zhuǎn)換成1～139 m波長(zhǎng)的時(shí)域不平順。

表2 兩臺(tái)機(jī)車主要參數(shù)

圖3 機(jī)車多體動(dòng)力學(xué)模型

圖4為不同速度下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式對(duì)機(jī)車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)。對(duì)于這兩種機(jī)車，當(dāng)車輛運(yùn)行速度大于150 km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛對(duì)機(jī)車輪軸橫向力的影響開始顯現(xiàn)，且速度越大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛對(duì)輪軸橫向力的改善作用越明顯。對(duì)于B0機(jī)車，采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)略優(yōu)于方式1，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為剛性懸掛時(shí)方式1優(yōu)于方式2。以200 km/h的運(yùn)行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降3%，較剛性懸掛最大可下降22%。對(duì)于C0機(jī)車，采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)于方式1，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為剛性懸掛時(shí)方式2略優(yōu)于方式1。以200 km/h的運(yùn)行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降9%，較剛性懸掛最大可下降21%。

圖4 不同速度下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式對(duì)應(yīng)的輪軸橫向力

圖5為不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式對(duì)B0機(jī)車非線性臨界速度的影響曲線，此時(shí)線路采用AAR5級(jí)橫向不平順的直線軌道。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構(gòu)的條件下，當(dāng)電機(jī)阻尼為30～50 N·s/m時(shí)，B0機(jī)車可獲得較高的臨界速度(380 km/h)，較剛性懸掛提高28%；在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)的條件下，當(dāng)電機(jī)阻尼為30～40 N·s/m時(shí)，B0機(jī)車可獲得較高的臨界速度(420 km/h)，較剛性懸掛提高50%。在合適的電機(jī)懸掛阻尼條件下，當(dāng)B0機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)獲得的非線性臨界速度較方式1可提高10%。

3 全彈性懸掛性能研究

在上述彈性懸掛的基礎(chǔ)上，本節(jié)提出兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全彈性懸掛方式，與現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸掛方式相比，該懸掛方式減小了橡膠節(jié)點(diǎn)的橫向剛度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更大范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全彈性懸掛式時(shí)橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度會(huì)影響電機(jī)的橫向振動(dòng)，從而影響轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)情況進(jìn)而導(dǎo)致車輛動(dòng)力學(xué)性能的變化。下面主要分析驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全彈性懸掛的橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)機(jī)車輪軸橫向力的影響。圖6和圖7為不同速度下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式對(duì)B0機(jī)車、C0機(jī)車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)。在B0機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式一的彈性懸掛的條件下，橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度的增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)車輪軸橫向力的不斷增大，且輪軸橫向力的上升情況會(huì)受到電機(jī)懸掛阻尼的影響；以電機(jī)懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度的增加輪軸橫向力上升28%。在C0機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛的條件下，當(dāng)采用小的電機(jī)懸掛阻尼時(shí)，輪軸橫向力會(huì)隨橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度的增加先上升后緩慢下降；當(dāng)采用較大的電機(jī)懸掛阻尼時(shí)，輪軸橫向力會(huì)緩慢上升；以電機(jī)懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度的增加輪軸橫向力上升17%。而當(dāng)這兩種機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度的變化對(duì)輪軸橫向力幾乎無影響。

圖5 B0機(jī)車分別采用不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式的非線性臨界速度

此外，在分析兩種機(jī)車輪軸橫向力的變化規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)C0機(jī)車輪軸橫向力的影響均弱于B0機(jī)車。在相同的橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度和電機(jī)懸掛阻尼的條件下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)方案較方式1可獲得更小的輪軸橫向力，這也印證了第2節(jié)的仿真結(jié)果。

圖6 橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響

圖7 橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)C0機(jī)車輪軸橫向力的影響

為了比較上述4種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式下的車輛懸掛參數(shù)的魯棒性，下面主要分析一系縱向剛度、一系橫向剛度和抗蛇行減振器等參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛改善車輛輪軸橫向力的影響。

圖8為不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系縱向剛度對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響，隨一系縱向剛度的增加，機(jī)車輪軸橫向力不斷上升。當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，除一系縱向剛度為60 kN/mm外，全彈性對(duì)應(yīng)的輪軸橫向力均有所改善，最大下降10%；當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，一系縱向剛度在10～40 kN/mm范圍內(nèi)，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，最大下降5%。

圖8 不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系縱向剛度對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響

圖9為不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系橫向剛度對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響，隨一系橫向剛度的增加，機(jī)車輪軸橫向力不斷上升。當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，全彈性懸掛下的輪軸橫向力始終低于原有值，輪軸橫向力最大下降7%；當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，且改善幅度隨一系橫向剛度的增加而提高，輪軸橫向力最大下降4%。

圖9 不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系橫向剛度對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響

圖10為不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響，隨著抗蛇行減振器阻尼的增加，機(jī)車輪軸橫向力不斷下降。當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，全彈性懸掛對(duì)輪軸橫向力有較大改善，抗蛇行減振器阻尼越小全彈性懸掛改善對(duì)輪軸橫向力效果越明顯，輪軸橫向力最大下降43%；當(dāng)機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構(gòu)時(shí)，全彈性懸掛對(duì)輪軸橫向力仍有一定的改善效果，蛇行減振器阻尼對(duì)全彈性懸掛改善對(duì)輪軸橫向力的影響與方式1相似，輪軸橫向力最大下降20%。該結(jié)論表明當(dāng)抗蛇行減振器發(fā)生故障導(dǎo)致阻尼減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全彈性懸掛方案將更有利于機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行。

圖10 不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對(duì)B0機(jī)車輪軸橫向力的影響

4 結(jié) 論

(1) 機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛有利于改善機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能，隨著車輛運(yùn)行速度的增加，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛可較剛性懸掛顯著降低機(jī)車的輪軸橫向力，非線性臨界速度最大可提高50%。當(dāng)擺桿位于電機(jī)側(cè)時(shí)，對(duì)改善機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能更為明顯，相對(duì)于擺桿位于非電機(jī)側(cè)，B0機(jī)車200 km/h時(shí)輪軸橫向力最大下降3%，臨界速度提高10%。

(2) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用擺桿位于非電機(jī)側(cè)的全彈性懸掛時(shí)，減小橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度有利于減小機(jī)車輪軸橫向力；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用擺桿位于電機(jī)側(cè)的全彈性懸掛時(shí)，橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)機(jī)車輪軸橫向力影響很小。無論驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節(jié)點(diǎn)橫向剛度對(duì)C0機(jī)車輪軸橫向力的影響均弱于B0機(jī)車。

(3) 隨一系縱向剛度和一系橫向剛度的增加，4種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛方式下的車輛輪軸橫向力均不斷上升，而采取全彈性懸掛較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性懸掛更能降低輪軸橫向力。抗蛇行減振器阻尼對(duì)機(jī)車輪軸橫向力影響較大，當(dāng)抗蛇行減振器發(fā)生故障導(dǎo)致阻尼減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全彈性懸掛可顯著改善機(jī)車橫向動(dòng)力學(xué)性能。