重載貨運(yùn)機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能研究.pdf

1、重載運(yùn)輸在提高我國(guó)貨物運(yùn)輸效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相協(xié)調(diào)方面，起著舉足輕重的作用。伴隨重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，大功率貨運(yùn)機(jī)車得到了廣泛應(yīng)用，單軸交流牽引電動(dòng)機(jī)的功率已達(dá)到1600kW，傳動(dòng)齒輪箱一般采用小齒輪簡(jiǎn)支的承載式齒輪箱，機(jī)車軸式通常為C0-C0，即采用傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)向架，機(jī)車軸重也由25t進(jìn)一步提升到30～33t。大軸重和長(zhǎng)軸距降低了貨運(yùn)重載機(jī)車的曲線通過(guò)性能，導(dǎo)致輪軌磨耗嚴(yán)重，制約著我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。徑向轉(zhuǎn)向架在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用，在減輕曲線

2、輪軌磨耗，提高機(jī)車曲線牽引力等方面取得了可觀的效益，而我國(guó)雖然已實(shí)現(xiàn)了采用徑向轉(zhuǎn)向架內(nèi)燃機(jī)車的出口，但目前國(guó)內(nèi)采用徑向轉(zhuǎn)向架的機(jī)車總體數(shù)量很少，甚至還沒(méi)有采用徑向轉(zhuǎn)向架的重載貨運(yùn)電力機(jī)車。隨著軸重加大，研究貨運(yùn)機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)特性，可為今后我國(guó)重載電力機(jī)車采用徑向轉(zhuǎn)向架方式提供依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步挖掘重載運(yùn)輸潛力具有重要意義。
　　論文首先從貨運(yùn)機(jī)車牽引和制動(dòng)特性、軸重轉(zhuǎn)移和軸重補(bǔ)償措施、電機(jī)轉(zhuǎn)矩與懸掛方式、軸箱定位與曲線通過(guò)、重

3、載牽引工況下的車鉤力影響等方面總結(jié)了貨運(yùn)機(jī)車的特點(diǎn)。重點(diǎn)關(guān)注了這些因素對(duì)機(jī)車服役狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)性能的影響，說(shuō)明了高粘著利用重載機(jī)車采用徑向轉(zhuǎn)向架的有利之處，即可通過(guò)減小輪對(duì)沖角有效降低機(jī)車曲線粘降，提高機(jī)車在曲線上發(fā)揮牽引力的能力，并顯著減小大軸距三軸轉(zhuǎn)向架的輪緣磨耗。
　　論文接著從理論上對(duì)自由輪對(duì)及轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向原理、徑向轉(zhuǎn)向架典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。對(duì)徑向轉(zhuǎn)向架中比較突出的穩(wěn)定性、蠕滑牽引與導(dǎo)向特性影響等突出的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了分析，

4、尤其是從理論上論證了減小沖角對(duì)改善機(jī)車曲線通過(guò)時(shí)車輪磨耗的影響程度，并以機(jī)車的典型輪對(duì)參數(shù)計(jì)算得到了具體的數(shù)值，從理論上說(shuō)明了機(jī)車采用徑向轉(zhuǎn)向架所具有的重要意義。隨后，論文基于轉(zhuǎn)向架、機(jī)車單機(jī)、鉤緩裝置等子系統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了說(shuō)明，并據(jù)此建立了考慮兩種編組模式、可以在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和自導(dǎo)向、迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架之間相互切換的重載機(jī)車牽引列車的綜合動(dòng)力學(xué)分析模型。針對(duì)機(jī)車牽引重載列車的牽引、制動(dòng)、曲線通過(guò)等工況，研究了車鉤力、牽引力和制動(dòng)力對(duì)自

5、導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌蠕滑導(dǎo)向的影響，并與采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架時(shí)的情況進(jìn)行了對(duì)比。重載運(yùn)輸以提高軸重和列車編組長(zhǎng)度為標(biāo)志。隨著列車編組長(zhǎng)度的增加，列車沖動(dòng)也成倍增加，車鉤力對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)的影響也隨之增大。對(duì)此問(wèn)題，論文以現(xiàn)在機(jī)車上常用的13A型車鉤為例，詳細(xì)分析了車鉤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)鉤過(guò)程，同時(shí)研究了不同列車編組和不同車鉤力大小對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)的影響。傳統(tǒng)自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架由于借助輪軌蠕滑力，尤其是縱向蠕滑力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向，當(dāng)機(jī)車發(fā)揮牽引力時(shí)必將削弱機(jī)車的導(dǎo)向

6、性能。貨運(yùn)機(jī)車通常需要發(fā)揮較大的牽引力，這必將對(duì)自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)性能不利。
　　論文最后通過(guò)總結(jié)機(jī)車既有徑向轉(zhuǎn)向架的不足和優(yōu)點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架方案，對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。傳統(tǒng)迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架雖可以提高在牽引力作用下機(jī)車的導(dǎo)向性能，但是輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)直接與轉(zhuǎn)向架、車體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，給轉(zhuǎn)向架參數(shù)選擇和維護(hù)帶來(lái)較大困難，如轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性對(duì)輪軌踏面磨耗敏感、輪軸橫向力

7、偏移難以消除等問(wèn)題。論文結(jié)合已有兩種徑向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)的迫導(dǎo)向方案既可提高自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架受大牽引力作用時(shí)小半徑曲線上的導(dǎo)向性能，同時(shí)又避免了迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架對(duì)參數(shù)敏感的缺點(diǎn)。論文研究取得的主要結(jié)論如下:
　　1、C0-C0軸式大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車服役工況的特點(diǎn)是高粘著利用和機(jī)車承受較劇烈的縱向沖動(dòng)。徑向轉(zhuǎn)向架通過(guò)顯著減小曲線通過(guò)時(shí)的輪對(duì)沖角，能顯著改善C0-C0軸式機(jī)車曲線通過(guò)性能，減輕輪軌磨耗和曲線粘降，軸箱定位方式

8、對(duì)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能有決定性的影響，但通常需要通過(guò)增大輪對(duì)橫向定位剛度、增設(shè)一系縱向減振器等措施來(lái)提高自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性，且采用自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的機(jī)車在高粘著利用時(shí)，對(duì)其蠕滑導(dǎo)向能力有較大影響。
　　2、車鉤擺角引起的車鉤力橫向分力，對(duì)機(jī)車承受壓鉤力時(shí)的安全運(yùn)行具有較大影響。采用摩擦力元的鉤緩動(dòng)力學(xué)子模型可以較好地再現(xiàn)緩沖器的遲滯特性和鉤尾摩擦副對(duì)穩(wěn)鉤能力的重要作用。
　　3、機(jī)車編組于列車頭部時(shí)，車鉤力對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)

9、的影響最小。編組于列車中部時(shí)，在縱向沖動(dòng)力作用下，由于車鉤壓力和車鉤擺角較大，機(jī)車的安全性會(huì)變差。車鉤力主要影響緊鄰車鉤的機(jī)車轉(zhuǎn)向架的安全性，當(dāng)機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)，車體前端承受較大的指向曲線外側(cè)的車鉤力作用，導(dǎo)向輪對(duì)的輪軸橫向力較易出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。當(dāng)車鉤擺角較大，并同時(shí)承受800kN及以上的壓鉤力時(shí)，車鉤壓力和機(jī)車運(yùn)行速度均會(huì)對(duì)機(jī)車橫向動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。計(jì)算表明傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架、自導(dǎo)向和改進(jìn)的迫導(dǎo)向三種轉(zhuǎn)向架方案中，改進(jìn)的迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架具有較大

10、的優(yōu)勢(shì)。
　　4、從等效剛度的角度分析了徑向轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別。徑向轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)通過(guò)徑向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和傳遞牽引力或制動(dòng)力到構(gòu)架的功能分離。反相耦合同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)端軸輪對(duì)的搖頭運(yùn)動(dòng)，可以改變轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)模態(tài)，使轉(zhuǎn)向架既具有一定的穩(wěn)定性又具有較好的曲線通過(guò)性能。
　　5、由于一系輔助橫向剛度的作用，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架能夠維持傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架良好的直線動(dòng)力學(xué)性能，且相對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架能夠顯著改善小半徑(400m以下

11、)曲線上輪對(duì)的沖角和磨耗功，尤其是導(dǎo)向輪對(duì)。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)輪緣接觸通過(guò)中等半徑以上曲線，并且離心力對(duì)轉(zhuǎn)向架兩端軸的影響程度相當(dāng)，使同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)各輪對(duì)的受力狀態(tài)更加均勻。牽引力會(huì)降低自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能，當(dāng)牽引力超過(guò)450kN時(shí)，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)性能已接近傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架。當(dāng)曲線半徑大于500m時(shí)，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，能夠減輕輪軌磨耗，提高機(jī)車的安全性。但對(duì)曲線半徑低于500m時(shí)，蠕滑導(dǎo)向

12、能力較弱。
　　6、改進(jìn)的迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架擁有較高的非線性臨界速度，保持與自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架相同的直線運(yùn)行性能，且可以顯著減小在小半徑曲線上輪對(duì)的沖角、導(dǎo)向力等。改進(jìn)的迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架最大的優(yōu)點(diǎn)是可以減小牽引力對(duì)機(jī)車導(dǎo)向性能的影響。當(dāng)機(jī)車發(fā)揮400kN牽引力時(shí)，改進(jìn)迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)車仍可以實(shí)現(xiàn)無(wú)輪緣接觸通過(guò)半徑大于500m的曲線，并且維持較小的沖角和磨耗功。
　　7、即使在車鉤力的作用下，改進(jìn)的迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架仍可以減小轉(zhuǎn)向