重載機(jī)車軸重對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能影響的探討

李華祥， 張志和， 呂士勇， 劉 鵬

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

提高軸重是世界各國(guó)重載運(yùn)輸一致采用的一項(xiàng)重要舉措,是降低運(yùn)行成本的最有效的辦法之一。軸重的增加,可提高機(jī)車黏著利用率,提高牽引力,加大單列車運(yùn)輸能力,增加經(jīng)濟(jì)效益[1],但軸重的增加也意味著輪軌作用力產(chǎn)生變化,分析軸重增加后對(duì)機(jī)車和鋼軌之間作用力的影響,探討影響的原因和因數(shù),研究輪軌動(dòng)作用力的特點(diǎn)，以達(dá)到減小和消除軸重增加帶來(lái)的不利影響,對(duì)重載機(jī)車的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用具有實(shí)際的意義和重要的作用。

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，輪軌之間主要承受3個(gè)方向的載荷，即垂向載荷、橫向載荷和縱向載荷。垂向載荷由機(jī)車質(zhì)量所產(chǎn)生的靜載荷和垂向振動(dòng)引起的附加動(dòng)載荷組成，橫向載荷由機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)產(chǎn)生的輪軌導(dǎo)向力及機(jī)車橫向振動(dòng)引起的附加橫向載荷組成，縱向載荷包括牽引力和制動(dòng)力以及縱向沖動(dòng)引起的沖擊力，這些載荷的作用效果可用機(jī)車動(dòng)力學(xué)評(píng)定指標(biāo)——運(yùn)行安全性和運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。

文中主要對(duì)機(jī)車軸重增加后對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行探討。采用測(cè)力輪對(duì)法對(duì)影響機(jī)車安全性指標(biāo)的脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)、采用加速度傳感器對(duì)影響機(jī)車平穩(wěn)性指標(biāo)的車體振動(dòng)加速度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析探討機(jī)車軸重增加對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)車型說(shuō)明

被試機(jī)車為2種車型，一種為八軸23 t/25 t軸重機(jī)車，機(jī)車最高運(yùn)行速度為120 km/h，另一種為八軸27 t/30 t軸重機(jī)車，機(jī)車最高運(yùn)行速度為100 km/h。2種車型的軸重均可通過(guò)增加和減少車內(nèi)配重塊實(shí)現(xiàn)各自機(jī)車不同軸重之間的轉(zhuǎn)換。2種車型外型圖見(jiàn)圖1和圖2。

對(duì)于機(jī)車來(lái)說(shuō),機(jī)車轉(zhuǎn)向架懸掛裝置的性能對(duì)機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性和走行安全性起主要作用，轉(zhuǎn)向架懸掛裝置根據(jù)所處位置的不同分為一系懸掛裝置與二系懸掛裝置，圖1和圖2所示的八軸機(jī)車均在軸箱與構(gòu)架之間設(shè)置一系懸掛裝置，在車體與轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置二系懸掛裝置。

八軸23 t/25 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置采用鋼彈簧+雙軸箱拉桿結(jié)構(gòu)，在軸箱體上有兩組螺旋鋼彈簧，在軸箱體兩側(cè)各安裝有一個(gè)軸箱拉桿，并配置有一系垂向減振器；二系懸掛裝置由兩組二系懸掛螺旋鋼彈簧作為承載主體，同時(shí)在構(gòu)架與車體間設(shè)置二系橫向減振器以衰減振動(dòng)[2]。

圖1 八軸23 t/25 t軸重機(jī)車

圖2 八軸27 t/30 t軸重機(jī)車

八軸27 t/30 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置采用技術(shù)成熟的鋼彈簧+雙軸箱拉桿結(jié)構(gòu)，并配置垂向減振器。考慮軸重及牽引力的增大，軸箱采用雙拉桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理匹配橫向定位剛度，以提高小曲線通過(guò)能力，同時(shí)降低輪對(duì)橫向力[3]；通過(guò)仿真計(jì)算可知，降低一系垂向剛度可以明顯降低機(jī)車的垂向輪軌動(dòng)作用力，很好的改善輪軌沖擊作用，大軸重機(jī)車更適合采用一系軟、二系硬的懸掛結(jié)構(gòu)[4]，因此大軸重機(jī)車二系懸掛裝置采用橡膠堆+橫向減振器的結(jié)構(gòu)，橡膠堆的工作高度相對(duì)高柔鋼彈簧的工作高要低些，可減小車軸的負(fù)載，保證機(jī)車具有良好的黏著性能，減小軸重轉(zhuǎn)移。

2種機(jī)車轉(zhuǎn)向架外形圖見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 八軸23 t/25 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架

圖4 八軸27 t/30 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架

2 機(jī)車運(yùn)行安全性測(cè)試評(píng)價(jià)

機(jī)車運(yùn)行安全性可用脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)表征。脫軌系數(shù)和線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)通過(guò)作用于機(jī)車車輪與鋼軌之間的垂向力和橫向力的測(cè)量和計(jì)算完成，輪軌力的測(cè)量采用測(cè)力輪對(duì)方式進(jìn)行，試驗(yàn)前，需要進(jìn)行測(cè)力輪對(duì)的技術(shù)整備工作，完成輪軌力測(cè)量電橋貼片、靜態(tài)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)校核等作業(yè)，車輪旋轉(zhuǎn)一圈給出一對(duì)有效峰值，輪軌間垂向和橫向作用力通過(guò)測(cè)力輪對(duì)直接測(cè)量得到， 2種車型均在機(jī)車前進(jìn)方向安裝了兩條測(cè)力輪對(duì)，分別安裝在前進(jìn)方向的第1軸位和第5軸位。

2.1 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)用于評(píng)定被試機(jī)車的車輪在橫向力作用下是否會(huì)爬上鋼軌而造成脫軌。

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2360[5]規(guī)定的脫軌系數(shù)限值見(jiàn)表1。

按測(cè)力輪對(duì)法對(duì)不同軸重的機(jī)車進(jìn)行不同速度等級(jí)下的直線運(yùn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果看，前進(jìn)方向第1軸的脫軌系數(shù)較其他軸的脫軌系數(shù)要稍高一些，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)各型機(jī)車均選取1軸的脫軌系數(shù)評(píng)定值進(jìn)行比較，圖5即是在4種軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)的對(duì)比圖。

表1 脫軌系數(shù)Q/P的限值

圖5 不同軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)對(duì)比圖

在直線運(yùn)行試驗(yàn)中，在90 km/h速度下，采用同一轉(zhuǎn)向架的23 t軸重機(jī)車和25 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)相同，并無(wú)明顯的增大，在90 km/h速度以上軸重大的機(jī)車脫軌系數(shù)會(huì)有小幅度增加。在80 km/h速度下，采用同一轉(zhuǎn)向架的27 t軸重機(jī)車和30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)不同，30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)增幅稍大。

考慮到27 t/30 t軸重機(jī)車最高運(yùn)行速度為100 km/h，23 t/25 t軸重機(jī)車最高運(yùn)行速度為120 km/h，因此也對(duì)速度為60 km/h以上的27 t/30 t軸重下的脫軌系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖6。

圖6 27 t/30 t軸重下的八軸機(jī)車脫軌系數(shù)對(duì)比圖

從圖6可知，27 t/30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)0.16(60 km/h)，脫軌系數(shù)從60 km/h速度后開(kāi)始增大，軸重的增加在高速的時(shí)候?qū)γ撥壪禂?shù)的影響加大，在60 km/h 速度情況下差異小，這和23 t/25 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)的曲線規(guī)律是一致的，只是脫軌系數(shù)增大的速度點(diǎn)前移了。100 km/h速度下的30 t軸重機(jī)車脫軌系數(shù)為0.34，是測(cè)試中脫軌系數(shù)最高的評(píng)定值，但在評(píng)定等級(jí)的優(yōu)良范圍值0.6之內(nèi)。

2.2 輪軸垂向力

機(jī)車軸重增大會(huì)帶來(lái)輪軌垂向靜載荷的增加，再加上輪軌間的動(dòng)載荷作用，輪軸垂向力隨軸重的增加都會(huì)改變，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同軸重下的輪軸垂向力對(duì)比圖

采用相同懸掛設(shè)計(jì)的機(jī)車輪軸垂向力受速度增加的影響很小，軸重的增加會(huì)引起輪軸垂向力的小幅度增加，其中輪軌間動(dòng)載荷又受線路環(huán)境條件和運(yùn)行工況的影響，其不確定因素較大。

從圖7的試驗(yàn)結(jié)果也可看到27 t/30 t軸重機(jī)車輪軸垂向力較23 t/25 t軸重機(jī)車無(wú)明顯大的增幅，在27 t/30 t軸重機(jī)車懸掛設(shè)計(jì)中采用了一系軟、二系硬的懸掛結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果也表明對(duì)于降低機(jī)車的垂向輪軌動(dòng)作用力有明顯的改善。

2.3 輪軸橫向力和線路橫向穩(wěn)定性

線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)表示線路在機(jī)車橫向力的作用下，可能產(chǎn)生軌距擴(kuò)大或軌排橫移的程度。

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2360規(guī)定的線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)限值見(jiàn)表2。

表2 線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)C限值

采用動(dòng)力學(xué)仿真分析方法對(duì)機(jī)車輪軸橫向力和線路橫向穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。在直線運(yùn)行工況，前進(jìn)方向中間軸的輪軸橫向力較第1軸要稍高一些，因此各型機(jī)車均選取中間軸的輪軸橫向力數(shù)值進(jìn)行比較，并折算為線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)，圖8是在4種軸重下的八軸機(jī)車中間軸輪軸橫向力的對(duì)比圖。

機(jī)車的一系懸掛橫向剛度對(duì)機(jī)車的輪軌橫向力影響非常大，從圖8可知，采用相同懸掛設(shè)計(jì)的23 t/25 t軸重機(jī)車輪軌橫向力幾乎沒(méi)有變化，不受軸重和速度的影響，而采用相同懸掛設(shè)計(jì)的27 t/30 t軸重機(jī)車輪軌橫向力受軸重增加的影響較大，受速度增加的影響較小，這也反映了大軸重機(jī)車采用垂向剛度一系軟、二系硬的懸掛方式雖然有利于減小垂向力，但一系懸掛垂向剛度低對(duì)于輪軌橫向力的改善不明顯。

線路穩(wěn)定性對(duì)一系懸掛縱向、橫向剛度的要求是矛盾的，因此TB/T 2360標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪軌橫向力并沒(méi)有限值要求，評(píng)定指標(biāo)采用的是受輪軌垂向力和橫向力共同作用下的線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中會(huì) 根據(jù)具體機(jī)車結(jié)構(gòu)對(duì)懸掛參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇，圖9是在4種軸重下的八軸機(jī)車中間軸線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)的對(duì)比圖。

圖8 不同軸重下的八軸機(jī)車中間軸輪軸橫向力對(duì)比圖

圖9 不同軸重下的八軸機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比圖

23，25，27 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)評(píng)定等級(jí)最高為0.57，在優(yōu)良范圍0.7以內(nèi)，30 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性系數(shù)評(píng)定等級(jí)在良好范圍0.88以內(nèi)，優(yōu)化選擇后的懸掛參數(shù)對(duì)于27 t軸重機(jī)車的線路橫向穩(wěn)定性作用效果明顯，對(duì)于30 t軸重機(jī)車線路橫向穩(wěn)定性的作用效果不明顯，可繼續(xù)研究更適宜的懸掛參數(shù)減小軸重帶來(lái)的影響。

3 機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試評(píng)價(jià)

機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性可用車體振動(dòng)加速度值來(lái)表征。振動(dòng)加速度包括垂向和橫向加速度，通過(guò)設(shè)置在車體前后牽引梁和司機(jī)室座椅底部地板中央的加速度傳感器來(lái)測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定處理后來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)車的運(yùn)行平穩(wěn)性。TB/T 2360標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車體振動(dòng)加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)各評(píng)定等級(jí)的限值見(jiàn)表3。

圖10和圖11即是在直線運(yùn)行時(shí)，4種軸重狀態(tài)下的八軸機(jī)車車體垂向和橫向振動(dòng)加速度的對(duì)比圖。

表3 車體振動(dòng)加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)定等級(jí)

圖10 不同軸重下的八軸機(jī)車車體垂向振動(dòng)加速度對(duì)比圖

圖11 不同軸重下的八軸機(jī)車車體橫向振動(dòng)加速度對(duì)比圖

運(yùn)行速度的增加會(huì)引起車體垂向振動(dòng)加速度和車體橫向振動(dòng)加速度的增大，但增大的幅度小，對(duì)機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很小。

軸重的增加，在采用同樣的轉(zhuǎn)向架參數(shù)的情況下，機(jī)車的車體振動(dòng)加速度有所改善，機(jī)車運(yùn)行的舒適度更高一些。

圖12和圖13是在直線運(yùn)行時(shí)，4種軸重狀態(tài)下的八軸機(jī)車車體垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的對(duì)比圖。

從圖12和圖13可知，運(yùn)行速度的增加會(huì)引起機(jī)車垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的增大，但增大的幅度小，對(duì)機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很??；軸重的增加，在采用同樣的轉(zhuǎn)向架參數(shù)的情況下，軸重的增加會(huì)改善車體平穩(wěn)性，但改善的幅度小，對(duì)機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響很小。

從以上數(shù)據(jù)也可得知，機(jī)車的平穩(wěn)性更多的影響因素不是機(jī)車的軸重，而是轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)。

圖12 不同軸重下的八軸機(jī)車垂向平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比圖

圖13 不同軸重下的八軸機(jī)車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

通過(guò)不同軸重下的機(jī)車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行測(cè)量并分析研究，同時(shí)參考機(jī)車設(shè)計(jì)時(shí)的仿真分析結(jié)果，有如下結(jié)論：

(1) 機(jī)車在直線軌道上運(yùn)行，在80 km/h速度下，軸重的增加對(duì)采用相同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及懸掛參數(shù)的機(jī)車脫軌系數(shù)無(wú)明顯的增大，在80 km/h速度以上軸重大的機(jī)車脫軌系數(shù)會(huì)有小幅度增加。軸重的增加在高速的時(shí)候?qū)γ撥壪禂?shù)的影響加大，因此，大軸重機(jī)車更適宜重載中速的運(yùn)行模式。輪軌間作用力和線路橫向穩(wěn)定性指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)許可范圍之內(nèi)，安全性評(píng)估滿足使用要求。

(2) 采用相同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及懸掛參數(shù)的機(jī)車，軸重的增加會(huì)改善車體平穩(wěn)性，影響機(jī)車平穩(wěn)性更多的因素不是機(jī)車的軸重，而是轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)。兩種機(jī)車的車體振動(dòng)加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)許可范圍之內(nèi)，平穩(wěn)性評(píng)估滿足使用要求。

通過(guò)試驗(yàn)和分析表明，軸重增加后的重載機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)增加機(jī)車軸重可以提高機(jī)車牽引力或改善機(jī)車的黏著性能，重載機(jī)車的推廣應(yīng)用將具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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