200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移分析

呂凱凱　王開(kāi)云　張志和

(1.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；

2.大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司技術(shù)中心　山西大同　037038)

?

200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移分析

呂凱凱1王開(kāi)云1張志和2

(1.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；

2.大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司技術(shù)中心山西大同037038)

摘要：針對(duì)一種新型的200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車，建立了軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算模型。利用該模型計(jì)算其軸重轉(zhuǎn)移，與動(dòng)力學(xué)軟件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析影響機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的因素。研究表明，該機(jī)車第一、二軸為減載，第三、四軸為増載，且第四軸増載最大，増載6.28%，第一軸減載最大，減載6.28%；模型計(jì)算結(jié)果與動(dòng)力學(xué)軟件仿真結(jié)果相差0.8%；機(jī)車牽引電機(jī)采用架懸方式能有效減小機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移，相比電機(jī)采用軸懸方式，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移減小5.77%；該機(jī)車最優(yōu)牽引點(diǎn)高度為260 mm；減小電機(jī)前后懸掛點(diǎn)之間的縱向跨距能有效提高機(jī)車黏著重量利用率。

關(guān)鍵詞：機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移電機(jī)架懸電機(jī)軸懸牽引高度黏著重量

軸重轉(zhuǎn)移又稱為軸重再分配，對(duì)機(jī)車黏著重量的利用產(chǎn)生不利影響，并降低機(jī)車牽引力的利用。軸重轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的原因是：當(dāng)機(jī)車牽引列車過(guò)程中，作用在機(jī)車上的輪軸牽引力與車鉤牽引力不在相同高度，在機(jī)車上形成一個(gè)力矩，使機(jī)車產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)角度，作用在前后轉(zhuǎn)向架每軸的載荷就變得不均勻，有的増載，有的減載。另外，牽引電機(jī)在輸出扭矩的過(guò)程中，由于某些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理，也會(huì)對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移產(chǎn)生一定的影響，但機(jī)車總的黏著重量是不變的[1-2]。

隨著列車發(fā)展的高速化和重載化，對(duì)機(jī)車的黏著利用提出更高的要求，盡可能大的利用黏著重量，即盡可能小的減小機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在提高機(jī)車黏著重量利用上主要有兩方面的措施：一是通過(guò)對(duì)機(jī)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，二是采用電氣補(bǔ)償?，F(xiàn)代機(jī)車為了保證黏著重量的利用，通常會(huì)在保證黏著利用率大于90%的條件下，再輔助以電器補(bǔ)償，使黏著利用率達(dá)到95%以上[3-4]。

機(jī)車牽引電機(jī)的懸掛方式主要有軸懸式、架懸式、體懸式3種，相應(yīng)的機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算方法也有所不同。文獻(xiàn)[1]對(duì)牽引電機(jī)軸懸式機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)分析，陳石華等對(duì)八軸機(jī)車的軸重轉(zhuǎn)移進(jìn)行了計(jì)算[5]，王玨等運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真的手段計(jì)算了機(jī)車的軸重轉(zhuǎn)移[6]。隨著機(jī)車速度的提高，現(xiàn)代機(jī)車牽引電機(jī)越來(lái)越多地采用架懸方式，電機(jī)全部懸掛在構(gòu)架上，與軸懸式電機(jī)驅(qū)動(dòng)有很大的差異。因此在軸重轉(zhuǎn)移的計(jì)算上也會(huì)明顯不同[7-10]。

本文針對(duì)新一代200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車建立了電機(jī)架懸式機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移模型，利用該模型計(jì)算機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移，并運(yùn)用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下仿真其軸重轉(zhuǎn)移，驗(yàn)證所建立模型的可靠性。利用建立的模型，分析影響機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的因素，主要包括牽引電機(jī)懸掛方式、牽引點(diǎn)高度、電機(jī)懸掛點(diǎn)縱向距離等。

1計(jì)算模型

200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車車軸重約為18 t，采用2(B0-B0)軸式，每臺(tái)機(jī)車由雙節(jié)機(jī)車重連，二系懸掛位于構(gòu)架縱向中心，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用架懸式。該機(jī)車前后兩節(jié)受力及軸重轉(zhuǎn)移情況相同，因此僅以第一節(jié)機(jī)車為例分析其軸重轉(zhuǎn)移，圖1給出了該節(jié)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算模型簡(jiǎn)圖。

對(duì)機(jī)車前后構(gòu)架進(jìn)行受力分析，如圖2、圖3所示。

圖中符號(hào)說(shuō)明：軸距l(xiāng)，車輛定距L，車輪直徑D，每軸一系懸掛左右垂向剛度之和K1，每軸二系懸掛左右垂向剛度之和K2，每軸牽引力F，車鉤高度H，牽引點(diǎn)高度h，電機(jī)輸出扭矩M，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中心到左懸掛點(diǎn)的距離X1，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中心到右懸掛點(diǎn)的距離X2，電機(jī)左懸掛點(diǎn)到構(gòu)架中心的距離S1，電機(jī)右懸掛點(diǎn)到構(gòu)架中心的距離S2。

圖1　機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移模型

圖2　前構(gòu)架受力分析示意圖

圖3　后構(gòu)架受力分析示意圖

設(shè)Q1，Q2，Q3，Q4為第一軸到第四軸每軸軸箱彈簧增載值。G1，G2為轉(zhuǎn)向架旁承彈簧(二系懸掛左右兩個(gè)彈簧之和)増載值，α1，α2，α分別為前后構(gòu)架及車體的傾角。因?yàn)檐圀w向左行駛，故輪對(duì)受到逆時(shí)針的驅(qū)動(dòng)力矩，根據(jù)齒輪傳動(dòng)關(guān)系可以判斷出電機(jī)輸出力矩的方向，經(jīng)過(guò)判斷該機(jī)車電機(jī)輸出力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針，故各電機(jī)懸掛點(diǎn)力的大小為P1=MX1,P2=-MX2,P3=MX2,P4=-MX1,P5=MX1,P6=-MX2,P7=MX2,P8=-MX1，力的方向向上為正方向，向下為負(fù)方向。

根據(jù)一系、二系彈簧變形條件可以得到方程(1)-(3)：

Q2=Q1+2K1lα1

(1)

Q4=Q3+2K1lα2

(2)

(3)

根據(jù)車體受力可得方程(4)-(5)

G1+G2=0

(4)

2LG2=4F(H-h)

(5)

根據(jù)前構(gòu)架受力可得方程(6)-(7)

G1+Q1+Q2=P1+P2+P3+P4

(6)

Q1l-Q2l=P1S1+P2S2-P3S3-

P4S4+2F(h-D/2)

(7)

根據(jù)后構(gòu)架受力可得方程(8)-(9)

G2+Q3+Q4=P5+P6+P7+P8

(8)

Q3l-Q4l=P5S1+P6S2-P7S3-

P8S4+2F(h-D/2)

(9)

根據(jù)公式(1)-(9)可以求得第一軸到第四軸每軸軸箱彈簧増載值Q1,Q2,Q3,Q4，其數(shù)值大小即代表第一軸到第四軸的增減載值，符號(hào)上“+”代表減載，“-”代表増載。

2計(jì)算分析

參照200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車實(shí)際參數(shù)，利用上節(jié)建立的計(jì)算模型計(jì)算機(jī)車各軸增減載值，結(jié)果如表1。表1同時(shí)給出了運(yùn)用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下(速度為5 km/h)的軸重轉(zhuǎn)移仿真結(jié)果。

表1　軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算結(jié)果

從表1可以得到，200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車采用計(jì)算模型得到的最大軸重轉(zhuǎn)移為6.28%，且第一、二軸減載，第三、四軸増載，與運(yùn)用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下仿真得到的結(jié)果基本一致，最大軸重轉(zhuǎn)移相差僅0.8%。

3軸重轉(zhuǎn)移影響因素

為了探明電機(jī)架懸式機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響因素，從牽引電機(jī)懸掛方式、一系懸掛垂向剛度、二系懸掛垂向剛度、牽引點(diǎn)高度、電機(jī)懸掛點(diǎn)縱向跨距5個(gè)方面進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算分析，圖1形式的機(jī)車二系懸掛位于轉(zhuǎn)向架縱向中心，故軸重轉(zhuǎn)移受一系懸掛垂向剛度、二系懸掛垂向剛度影響很小，而牽引電機(jī)懸掛方式、牽引點(diǎn)高度與電機(jī)懸掛點(diǎn)縱向跨距對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響明顯。

3.1牽引電機(jī)懸掛方式影響

為了分析牽引電機(jī)懸掛方式對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響，在200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車參數(shù)的基礎(chǔ)上，只改變牽引電機(jī)的懸掛方式，其他參數(shù)保持不變，計(jì)算牽引電機(jī)架懸與軸懸兩種方式對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響。電機(jī)軸懸式機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算方法根據(jù)文獻(xiàn)[1]中軸重轉(zhuǎn)移的計(jì)算方法改進(jìn)而來(lái)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　兩種電機(jī)懸掛方式下機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算結(jié)果

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，牽引電機(jī)懸掛方式對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移影響明顯。與牽引電機(jī)軸懸相比，電機(jī)架懸能有效減小機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移，減小5.77%。因此，為了有效利用機(jī)車黏著重量，在電機(jī)懸掛方式上盡量采用架懸方式。

3.2牽引點(diǎn)高度影響

機(jī)車原牽引點(diǎn)高度為h=350 mm，計(jì)算不同牽引點(diǎn)高度條件下機(jī)車的最大軸重轉(zhuǎn)移，隨牽引點(diǎn)高度的變化，機(jī)車最大軸重轉(zhuǎn)移的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4　軸重轉(zhuǎn)移隨牽引點(diǎn)高度變化趨勢(shì)

圖4表明，當(dāng)牽引點(diǎn)高度在一定范圍內(nèi)降低時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移明顯降低，當(dāng)牽引點(diǎn)高度降低至260 mm時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移達(dá)到最小值(4.77%)，當(dāng)牽引點(diǎn)高度再降低時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移反而升高。因此，在該機(jī)車參數(shù)下，機(jī)車牽引點(diǎn)高度為260 mm時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移最小，即黏著重量利用率最高。對(duì)電機(jī)架懸式機(jī)車來(lái)說(shuō)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移并不總是隨牽引點(diǎn)高度的降低而減小，存在最優(yōu)牽引高度。

3.3電機(jī)懸掛點(diǎn)跨距影響

不改變電機(jī)質(zhì)心的條件下，同時(shí)增大或減小前后懸掛點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸中心的距離，計(jì)算不同電機(jī)懸掛點(diǎn)縱向跨距對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響，軸重轉(zhuǎn)移隨電機(jī)懸掛點(diǎn)縱向跨距的變化趨勢(shì)如圖5所示。

當(dāng)前后懸掛點(diǎn)之間的縱向跨距改變時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移會(huì)發(fā)生明顯變化，縱向跨距越小，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移越小。但小的電機(jī)懸掛跨距又會(huì)降低電機(jī)懸掛的穩(wěn)定性，所以在保證電機(jī)懸掛穩(wěn)定性的前提下，適當(dāng)減小電機(jī)懸掛點(diǎn)之間的跨距，能有效提高機(jī)車黏著重量利用率。值得注意的是，該機(jī)車在電機(jī)前后懸掛點(diǎn)之間的跨距保持不變，僅改變懸掛點(diǎn)的位置，使電機(jī)前后懸掛點(diǎn)到電機(jī)轉(zhuǎn)軸中心距離相同時(shí)，軸重轉(zhuǎn)移為4.45%，也有一定程度的減小。

圖5　軸重轉(zhuǎn)移隨懸掛點(diǎn)距離變化趨勢(shì)

4結(jié)論

(1)針對(duì)200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車，建立了電機(jī)彈性架懸的軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算模型，計(jì)算了200 km/h八軸客運(yùn)電力機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移，第一、二軸減載，第三、四軸増載，軸重轉(zhuǎn)移最大為6.28%。

(2)模型計(jì)算結(jié)果與運(yùn)用SIMPACK軟件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的仿真結(jié)果相差不大。

(3)其他參數(shù)相同的條件下，機(jī)車電機(jī)采用架懸式比采用軸懸式軸重轉(zhuǎn)移要小得多。

(4)該機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移并不是隨牽引點(diǎn)高度降低而一直減小，牽引點(diǎn)高度為260 mm時(shí)，黏著重量利用率最高。

(5)在保證電機(jī)懸掛穩(wěn)定性前提下，適當(dāng)減小電機(jī)前后懸掛點(diǎn)的縱向跨距，能有效提高黏著重量利用率，電機(jī)懸掛點(diǎn)到電機(jī)轉(zhuǎn)軸中心的距離相同時(shí)，機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移也有一定程度的減小。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑維千. 機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2012.

[2]陳大瀛, 龔積球. 對(duì)于機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 1978,(3): 59-65.

[3]龔積球. 提高 SS3B 電力機(jī)車黏著重量利用率的分析[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 18(1): 37-41.

[4]張友松. 電力機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的電氣補(bǔ)償[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 1986, (3): 23-28.

[5]陳石華, 施明權(quán), 陳崎. 八軸機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的計(jì)算與分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 1990, (6): 23-34.

[6]王玨, 李治. 機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛, 2004, 27(2): 8-10.

[7]李東杰. 地鐵車輛軸重轉(zhuǎn)移分析[J]. 技術(shù)與市場(chǎng), 2013, (4): 47-48.

[8]陸冠東. 機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移和理想牽引高度的計(jì)算與分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 1986, (11): 20-25,48.

[9]夏燦培. 轉(zhuǎn)向架式機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算[J]. 機(jī)車電傳動(dòng), 1987, (2): 25-30.

[10] 黃志輝, 丁鳳鐵. 電機(jī)架懸及軸懸對(duì)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2006, (4): 18-21.

Axle-load Transfer Analysis of 200 km/h Eight-axle

Passenger Electric Locomotive

LV Kai-kai1, WANG Kai-yun1, ZHANG Zhi-he2

(1TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,

Sichuan,China;2TechnicalCenter,DatongElectricLocomotiveCo.,Datong037038,Shaanxi,China)

Abstract:An axle-load transfer model for a new 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is established in this paper. Comparisons between calculation results obtained from the established model and that from the commercial dynamic software under the quasi-static condition are made. Some factors that affect the locomotive axle-load transfer are analyzed. The result shows that the axle-load of the first axle and second axle are reducing, while for the third axle and fourth axle they are increasing. The maximum load-increasing ratio is happened to the fourth axle, which is 6.28 percent, and the maximum load-reducing ratio is for the first axle, which is also 6.28 percent. The calculation result is similar to that by using the commercial dynamic software where the difference is only about 0.8 percent. Compared with the traction motor suspended on wheel-set, the traction motor suspended on frame could reduce the axle-load transfer by about 5.77 percent. The optimal traction height for the 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is 260 mm. Reducing the distance between motor front and rear suspension points can improve the adhesion weight usage of a locomotive.

Key words:Locomotive; Axle-load transfer; Motor suspended on frame; Motor suspended on wheel-set; Traction height; adhesion weight

中圖分類號(hào)：U260.11+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-8755(2015)04-0025-04

作者簡(jiǎn)介:呂凱凱(1990—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榇笙到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)。E-mail:lvkais@163.com

收稿日期：2015-07-01