重載貨運機車徑向轉(zhuǎn)向架動力學性能研究.pdf

1、重載運輸在提高我國貨物運輸效率與經(jīng)濟發(fā)展速度相協(xié)調(diào)方面，起著舉足輕重的作用。伴隨重載運輸?shù)陌l(fā)展，大功率貨運機車得到了廣泛應(yīng)用，單軸交流牽引電動機的功率已達到1600kW，傳動齒輪箱一般采用小齒輪簡支的承載式齒輪箱，機車軸式通常為C0-C0，即采用傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)向架，機車軸重也由25t進一步提升到30～33t。大軸重和長軸距降低了貨運重載機車的曲線通過性能，導致輪軌磨耗嚴重，制約著我國重載運輸?shù)陌l(fā)展。徑向轉(zhuǎn)向架在國外得到廣泛應(yīng)用，在減輕曲線

2、輪軌磨耗，提高機車曲線牽引力等方面取得了可觀的效益，而我國雖然已實現(xiàn)了采用徑向轉(zhuǎn)向架內(nèi)燃機車的出口，但目前國內(nèi)采用徑向轉(zhuǎn)向架的機車總體數(shù)量很少，甚至還沒有采用徑向轉(zhuǎn)向架的重載貨運電力機車。隨著軸重加大，研究貨運機車徑向轉(zhuǎn)向架的動力學特性，可為今后我國重載電力機車采用徑向轉(zhuǎn)向架方式提供依據(jù)，對進一步挖掘重載運輸潛力具有重要意義。
　　論文首先從貨運機車牽引和制動特性、軸重轉(zhuǎn)移和軸重補償措施、電機轉(zhuǎn)矩與懸掛方式、軸箱定位與曲線通過、重

3、載牽引工況下的車鉤力影響等方面總結(jié)了貨運機車的特點。重點關(guān)注了這些因素對機車服役狀態(tài)下動力學性能的影響，說明了高粘著利用重載機車采用徑向轉(zhuǎn)向架的有利之處，即可通過減小輪對沖角有效降低機車曲線粘降，提高機車在曲線上發(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自由輪對及轉(zhuǎn)向架的導向原理、徑向轉(zhuǎn)向架典型結(jié)構(gòu)進行了分析。對徑向轉(zhuǎn)向架中比較突出的穩(wěn)定性、蠕滑牽引與導向特性影響等突出的動力學問題進行了分析，

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

5、導向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌蠕滑導向的影響，并與采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架時的情況進行了對比。重載運輸以提高軸重和列車編組長度為標志。隨著列車編組長度的增加，列車沖動也成倍增加，車鉤力對機車動力學的影響也隨之增大。對此問題，論文以現(xiàn)在機車上常用的13A型車鉤為例，詳細分析了車鉤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)鉤過程，同時研究了不同列車編組和不同車鉤力大小對機車動力學的影響。傳統(tǒng)自導向徑向轉(zhuǎn)向架由于借助輪軌蠕滑力，尤其是縱向蠕滑力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架導向，當機車發(fā)揮牽引力時必將削弱機車的導向

6、性能。貨運機車通常需要發(fā)揮較大的牽引力，這必將對自導向徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能不利。
　　論文最后通過總結(jié)機車既有徑向轉(zhuǎn)向架的不足和優(yōu)點，提出了一種改進的迫導向徑向轉(zhuǎn)向架方案，對其動力學性能進行計算，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和自導向徑向轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)進行了對比。傳統(tǒng)迫導向徑向轉(zhuǎn)向架雖可以提高在牽引力作用下機車的導向性能，但是輪對的運動直接與轉(zhuǎn)向架、車體的運動相關(guān)，給轉(zhuǎn)向架參數(shù)選擇和維護帶來較大困難，如轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性對輪軌踏面磨耗敏感、輪軸橫向力

7、偏移難以消除等問題。論文結(jié)合已有兩種徑向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)點，通過改進的迫導向方案既可提高自導向徑向轉(zhuǎn)向架受大牽引力作用時小半徑曲線上的導向性能，同時又避免了迫導向徑向轉(zhuǎn)向架對參數(shù)敏感的缺點。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電力機車服役工況的特點是高粘著利用和機車承受較劇烈的縱向沖動。徑向轉(zhuǎn)向架通過顯著減小曲線通過時的輪對沖角，能顯著改善C0-C0軸式機車曲線通過性能，減輕輪軌磨耗和曲線粘降，軸箱定位方式

8、對機車的動力學性能有決定性的影響，但通常需要通過增大輪對橫向定位剛度、增設(shè)一系縱向減振器等措施來提高自導向徑向轉(zhuǎn)向架的運行穩(wěn)定性，且采用自導向徑向轉(zhuǎn)向架的機車在高粘著利用時，對其蠕滑導向能力有較大影響。
　　2、車鉤擺角引起的車鉤力橫向分力，對機車承受壓鉤力時的安全運行具有較大影響。采用摩擦力元的鉤緩動力學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穩(wěn)鉤能力的重要作用。
　　3、機車編組于列車頭部時，車鉤力對機車動力學

9、的影響最小。編組于列車中部時，在縱向沖動力作用下，由于車鉤壓力和車鉤擺角較大，機車的安全性會變差。車鉤力主要影響緊鄰車鉤的機車轉(zhuǎn)向架的安全性，當機車通過曲線時，車體前端承受較大的指向曲線外側(cè)的車鉤力作用，導向輪對的輪軸橫向力較易出現(xiàn)超標現(xiàn)象。當車鉤擺角較大，并同時承受800kN及以上的壓鉤力時，車鉤壓力和機車運行速度均會對機車橫向動力學性能產(chǎn)生較大影響。計算表明傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架、自導向和改進的迫導向三種轉(zhuǎn)向架方案中，改進的迫導向轉(zhuǎn)向架具有較大

10、的優(yōu)勢。
　　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)向架的輪對通過徑向機構(gòu)實現(xiàn)導向和傳遞牽引力或制動力到構(gòu)架的功能分離。反相耦合同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)端軸輪對的搖頭運動，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性能。
　　5、由于一系輔助橫向剛度的作用，自導向徑向轉(zhuǎn)向架能夠維持傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架良好的直線動力學性能，且相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，自導向徑向轉(zhuǎn)向架能夠顯著改善小半徑(400m以下

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

12、能力較弱。
　　6、改進的迫導向徑向轉(zhuǎn)向架擁有較高的非線性臨界速度，保持與自導向徑向轉(zhuǎn)向架相同的直線運行性能，且可以顯著減小在小半徑曲線上輪對的沖角、導向力等。改進的迫導向徑向轉(zhuǎn)向架最大的優(yōu)點是可以減小牽引力對機車導向性能的影響。當機車發(fā)揮400kN牽引力時，改進迫導向徑向轉(zhuǎn)向架機車仍可以實現(xiàn)無輪緣接觸通過半徑大于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，改進的迫導向徑向轉(zhuǎn)向架仍可以減小轉(zhuǎn)向