（车辆工程专业论文）采用横向连接装置机车的动力学分析及安全性设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 3 b o 机车在小半径曲线通过及轮缘减磨上相对于2 c o 机车均具有 较大优势，在成本及技术难度上又要低于径向转向架机车，因此在 曲率半径小、坡道大、弯道多的铁路线上大量运用。意大利、日本、 南斯拉夫、法国、瑞士、英国、瑞典等国为山区铁路设计制造了多 种3 b o 机车，很好地满足了运能及营运速度的需要。但3 b o 机车在通 过曲线时中间转向架不承担车体离心力，因此导致前导轴横向力较 大，增大了导向轮脱轨系数。如何在3 b o 机车上减低端轴承担车体离 心力的份额从而降低导向轮脱轨系数，以及减小导向轮冲角从而降 低轮缘磨耗乃为本论文研究目的所在。 横向弹性连接装置是达到上述目的的最佳选择之一。因其在曲 线通过时使得前转向架后端向外轨横移，后端转向架前端向内轨横 移，同时减小了两导向轮冲角及侧压力，所以从转向架本身结构上 解决了导向轮侧压力及冲角大引起的过度磨耗问题。建立了采用扭 杆式横向连接装置与否的3 b o 机车多刚体动力学模型，对各项动力学 指标进行对比计算，结果表明：该装置不仅不会影响机车直线运行 品质，而且一定程度上提高了机车横向平稳性指标；通过小半径曲 线时因导向轮冲角及侧压力减小，从而降低了导向轮脱轨系数以及 摩擦功率，减磨效果明显。 机车安全性是第一位的。如何保证装置的自由间隙、防止弹簧 卡死、防止装置脱落等安全设计也是非常重要的。总的设计原则是： 直线运行情况下，横连装置不能恶化机车运行的平稳性指标；曲线 期间要一定程度地满足减磨目的，而且要关注第二轮对脱轨系数、 横向力这些因横连过后产生的新的危险因素；结构装置需具有极高 的安全性，保证不出现卡滞、掉落、断裂等影响机车运行安全性的 因素。 将横连装置用于3 b o 机车上是进一步减磨及提高机车运行安全 性的最佳方式之一，对有大量小半径曲线的我国山区铁路提供了一 种减磨思路，应用前景广阔。 关键词：3 b o 机车；扭杆式横向连接装置；动力学：轮缘磨耗；冲角 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bstrao t 3 b ol o c o m o t i v eh a sa d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a l2 c 0l o c o m o t i v ei n s m a l lr a d i u sc u r v en e g o t i a t i o na n dw h e e lf l a n g er e d u c t i o n ，a n di ta l s o h a s a d v a n t a g e s o v e rl o c o m o t i v ew i t hr a d i a l b o g i e s i nc o s t sa n d t e c h n i q u e d i f f i c u l t i e s s oi ti su s e d b r o a d l y o nt h o s el i n e sw i t h l o w - g r a d e ，h i g hs l o p ea n ds m a l lr a d i u sc u r v e s t om e e tt h en e e do f t r a f f i cc a p a c i t ya n d p a s s i n gs p e e df o r m o u n t a i nr a i l w a yl i n e s ，i t a l y ， j a p a n ，j u g o s l a v i a ，f r a n c e ，s w i t z e r l a n d ，b r i t a i n ，s w e d e ne t c ，d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e dv a r i o u s3 8 0l o c o m o t i v e s h o w e v e r ，t h em i d d l eb o g i e o f3 b od o e sn o ts h a r et h ec e n t r i f u g a lf o r c eo ft h ec a rb o d yo nc u r v e s ， w h i c hr e s u l t si n i n c r e a s i n g t h el a t e r a lf o r c ea n dt h ed e r a i l m e n t c o e f f i c i e n to ft h e f r o n tg u i d ew h e e l t h eo b j e c t i v eo ft h ep a p e ri st o r e s e a r c hh o wt or e d u c et h a ts h a r ea n dd e c r e a s et h ed e r a i l m e n t c o e f f i c i e n t ，a n g l eo fa t t a c ka n dw h e e lf l a n g ew e a ro ft h e f r o n tg u i d e w h e e l l a t e r a le l a s t i c c o u p l i n g d e v i c ei so n eo ft h eb e s t a p p r o a c h e s t o a c h i e v et h eo b j e c t i v e t h er e a re n do ff r o n tb o g i em o v e st oo u t e rr a i l a n dt h ef r o n te n do fr e a rb o g i em o v e st oi n n e rr a i l ，w h i c hr e d u c e st h e a t t a c ka n g l e sa n dg u i d a n c ef o r c e sf o rb o t hg u i d ew h e e l sb yt h eb o g i e s s t r u c t u r eo t h e rt h a nl u b r i c a t i n g d e v i c e s e s t a b l i s h i n gt h em u l t i b o d y d y n a m i cm o d e lf o rb o t hl o c o m o t i v e s ( w i t ho rw i t h o u tt o r s i o nb a rl a t e r a l c o u p l i n gd e v i c e ) ，t h ep a p e rc a l c u l a t e sa n dc o m p a r e sk i n d so fd y n a m i c s i n d e x i ts h o w st h a tt h ed e v i c en o to n l yh a sn o te f f e c to nt h er u n n i n g q u a l i t yo fs t r a i g h tl i n e sb u ta l s ot os o m ee x t e n ti m p r o v e st h el a t e r a l r i d ei n d e x ；f o rt h ea n g l eo fa t t a c ka n dl a t e r a lf o r c er e d u c eg r e a t l y ，t h e d e r a i l m e n tc o e f f i c i e n ta n df r i c t i o n p o w e ro fg u d i a n c ew h e e ld e c r e a s e w i t ho b v i o u se f f e c to fw e a r - r e d u c i n g f o rl o c o m o t i v et h e s a f e t y i s v e r yc r i t i c a l i ti s a l s o i m p o r t a n tt o g u a r a n t e et h e f r e ec l e a r a n c e ，p r e v e n tt h es p r i n gf r o md e a d l o c k i n ga n d a v o i dd e v i c e f a l l i n g o f fe t c t h e g e n e r a ld e s i g np r i n c i p l e sf o rt h e d e v i c ea r e ：i td o e sn o tw o r s e nt h e r i d ei n d e xo ns t r a i g h tl i n e s ；w e a r r e d u c t i o ns h o u l db ea c h i e v e dt os o m ee x t e n ta n ds o m ea t t e n t i o n ss h o u l d b ep a i dt ot h ed e r a i l m e n tc o e f f i c i e n ta n dl a t e r a lf o r c ef o r t h es e c o n d w h e e l s e t ；a n dt h ed e v i c es h o u l dh a v eh i g hs a f e t yb yg u a r a n t e e i n gt h a t n ob l o c k i n g ，f a l l i n go f f ，c r a c k i n ga n ds o0 nt a k ep l a c e a so n eo ft h eb e s tw a y so fr e d u c i n gw h e e l f l a n g ew e a rf u r t h e ra n d 1 m p r o v i n gt h el o c o m o t i v eo p e r a t i o ns a f e t y ，3 b ol o c o m o t i v ew i t hl a t e r a l c o u p i i n gd e v i c ec a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h em o u n t a i nr a i l w a v s w l t j ln u m e r o u ss m a l lr a d i u s c u r v e si nc h i n aw i t hw i d ep r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：3 b o l o c o m o t i v e ；t o r s i o nb a rl a t e r a l c o u p l i n gd e v i c e ； d y n a m i c s ；w h e e lf l a n g ew e a r ；a n g l eo fa t t a c k 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：像即 日期： 妒移g 6 指导老师签名：1 司蔷 日期：硼莎， 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 在传统3 b o 机车上加装扭杆式弹性横向连接装置，通过装置本身 结构迫使前转向架导向轮的冲角及轮缘力减小，从而降低轮轨磨耗。 横连过后的机车在通过曲线时转向架后轮对参与了机车横向力的分 担，提高了机车曲线通过安全性能；横连机车曲线通过时，导向轮 的冲角及车轮横向力均比传统机车小，从而使机车轮缘磨耗更均匀， 增加了旋修周期，减少了维修成本，具有巨大的经济效益。采用横 连装置的3 8 0 机车有助于我国多曲线山区铁路的减磨，具有广阔应 用前景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 世界各国的铁路运输，由于客货运量日益增大，一般采用增加 列车重量，提高列车速度等措施来满足运输要求。因此必须增大机 车功率，除提高单轴功率外，在既有铁路的承载条件下，均要求增 加机车的动轴数，许多中小国家的单节机车均由4 轴增加到6 轴【1 1 。 近年来，东南亚铁路发展迅速，对运能及运营速度的要求也越 来越高。但多国铁路多为英法殖民时期修建的米轨铁路，线路曲线 多、等级低、坡度大。若更新铁路，成本极大，短期内不能将其改 造，因此多国采用“机车车辆适应线路 方针。过去这些国家的干 线机车车辆主要从发达国家进口，现在这类机车大都濒于报废。若 继续从发达国家进口，成本很高。因此其目光逐渐转向同样具有良 好性能的中国机车，其较高的性价比很快获得了这些国家的青睐。 如资阳机车有限公司向越南出1 ：3 了4 0 台“革新 【2 】号机车用于干线 客货运提速；二七机车有限公司先后向越南铁路出口5 次机车；大 连机车有限公司向缅甸出口的c k d 7 1 3j 机车等。 因这些国家线路条件比较恶劣，小半径曲线多( 如越南铁路最 小曲线半径达7 0 m 2 1 ，缅甸铁路最小曲线半径达6 2 m 4 】) ，随着铁路 运量的不断增加以及机车车辆轴重和速度的提高，轮轨磨耗已成为 十分突出的问题。降低轮缘磨耗是机车车辆工作的重点之一，主要 有加装轮缘润滑装置、径向转向架技术、3 b 。机车等措施。现运用机 车大多数采用油脂式轮缘润滑装置，最近也有采用干式润滑棒润滑 装置的。前者主要在弯道时启动，采用压力气体将油脂喷在轮缘上， 不过其故障率较高，污染机车和轨道时有发生，严重时还恶化轮轨 之间的粘着。后者主要采用了两种方式：一是压弹式，因采用弹簧 将润滑棒压在轮缘上，润滑棒磨耗极快；二是重力式，因其结构限 制，润滑效果不是很好，掉棒情况也不少。径向转向架技术难度大， 成本高。而3 b 。转向架技术是很成熟的技术，对于降低轮缘磨耗是一 种简便、行之有效的措施。 近二十年来，各国对b o - b 。一b 。( 以后简写为“3 b 。”) 轴式机车的走 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 行部进行了大量的研究工作，取得了可喜的成果，并且制造了一批 有代表性的大功率电力机车j 到目前为止，已投入运用的b 。一b 。一b o 轴式电力机车有3 0 0 0 多台，制造国家为意大利、日本、南斯拉夫、 美国、法国、瑞士、英国、瑞典和前苏联等国。这种轴式的机车多 应用于曲率半径小、坡道大、弯道多的山区线路【5j 。 现在运用的3 b 。机车多采用两种转向架结构形式，即端转向架可 以互换，而中间转向架由于要适应较大横动而设计了滚子横动装置， 端转向架和中间转向架不能互换。3 b 。机车在曲线通过、轮轨磨耗上 均比2 c 。机车好。但是传统的滚子结构横动装置使得中间转向架在曲 线通过时无法分担机车的未平衡离心力，车体未平衡离心力只有靠 前后端转向架承担，增加了导向轮的侧向力和脱轨系数。通过较小 曲线半径时，欲使3 b 。机车导向轮对的侧向力及轮轨磨耗进一步减 少，可以考虑在两转向架之间加装横向连接器i s 】。如果在三个转向架 之间加入弹性横向连接装置( 以后简称为“横连装置 ) ，就可使导 向轮侧压力减小，从而降低脱轨系数和轮缘磨耗指数。在3 个b 。转 向架间加装横连是进一步提高机车曲线通过性能和安全性的最佳选 择1 6 】。横连装置还有其他优点，如易于保养，不会像轮轨润滑装置那 样有可能使粘着受到影响，可以减小作用于轴箱定位装置、车轴轴 承、轮缘、钢轨等的横向载荷。横连装置为国外多曲线铁路区段所 采用【7 1 。 本课题基于国内某机车公司出口东南亚铁路用3 b 。内燃机车方 案。由于该型机车在三个转向架之间必须布置燃油箱和总风缸，因 此采用扭杆式横向连接装置设计。国内尚无此类设计运用；这将为 3 b 。机车进一步降低导向轮侧向力，降低脱轨系数和轮缘磨耗指数提 供一种新的解决方案。该研究对存在大量小半径曲线的我国铁路也 将会是一种减磨思路。文后对未加横连装置的机车简称为“传统机 车，加有横连装置的机车简称为“横连机车”。 1 2 国内外横连机车研究及应用现状 欧洲瑞士等国的铁路曲线多，机车采用连接装置较多，取得了 明显的经济效果【引。机车转向架横向连接装置的应用在欧洲已有多年 历史。瑞士在一些2 c 。、2 b 。、3 b 。机车上，奥地利在2 b 。机车上，联邦 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 德国在2 2 机车上，罗马尼亚在2 c 。及2 b 。机车上采用了这种装置， 均取得良好的效果。国内在东风：型、东方红。：。，型、g k 。型、东风型 内燃机车、s s ，以及s s 。型电力机车也试装过横向连接装置。另外我 国从罗马尼亚进口的6 g ，型电力机车和n d ：型内燃机车也采用了横连 装置，均取得良好的效果。 瑞士联邦铁路的a e 6 6 型3 b 。机车采用横连装置后，在通过3 0 0 m 曲线时，其导向轮侧压力稳态值约减为原来的一半【引。我国在s s 。机 车6 0 6 1 、6 0 6 2 号上加装横连装置后，于19 9 3 年1 月在湘黔线怀化 至玉屏区段投人运用。该区段全长1 17 5k m ，最小曲线半径为3 5 0m ， 大部分为5 0 0m ，曲线总长占全长的4 2 6 3 ，s 型曲线91 处。运用结 果表明其轮缘减磨率提高了4 1 2 9 1 9 】。东风型机车15 8 5 号加装横 连装置后，于19 8 6 年6 月正式运行在州铁路局的金城江至麻尾一线。 短短15 3 k m 线路内竞有弯道2 3 9 处，半径小于3 5 0 m 的曲线占31 8 ，可以说是一个比较典型的小半径曲线密集区段。运用结果表明 第一位轮对轴端压力平均值仅为o 2 t ，未装时为1 5 7 t1 1 0 】。g k 。型工 矿调车采用横连装置后，在半径为2 0 0 m 曲线上以3 0 k m h 速度通过， 实测表明前转向架前导轮对轨道的横向作用力明显降低，一般降幅 为1 0 k n ，最多降幅达2 3 4 k n 1 1j 。昆明铁路局米轨铁路用东方红。：，机 车，自19 81 年以来，先后在3 台机车上加装了转间架横向连接装置， 取得了较好的效果，轮缘磨耗到限的走行公里约增大一倍i l 引。n d 。型 机车采用新横连装置后，减少了导向轮的轮缘力及轮缘磨耗因数， 使第一、六位动轮轮缘磨耗到限公里数达到3 0 万k m 以上，机车架 修期间不用旋轮1 3 0 j 。 国内高校的许多铁路专家教授对横向连接装置都作了深入的研 究，如西南交通大学的孙竹生、鲍维千、孙翔、金鼎昌、黄志辉等， 长沙铁道学院的戴永宝、何吉重、赵为庆等，他们对横向连接装置 的原理、结构形式、计算等作了深入研究。还有多个机车厂和运用 部门的工程师们参与了实际的横向连接装置的设计、制造、试验和 改进工作，如资阳厂的王坤全，大同厂的封全保、李武勇，怀化机 务段的丁纲生等。研究和运用情况表明在机车上加装横向连接装置 的技术是成熟的，它能有效降低曲线通过时的轮缘力和冲角，减少 轮缘磨耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 扭杆式横向连接装置在国内尚未加以利用，而且目前国内运用 的3 b 。机车较少，带横向连接装置3 b 。机车更少。但三转向架横连原 理雷同于二转向架横连，加之众多运用成功案例，在3 b 。机车上加装 扭杆式横连装置具有可行性。 1 3 论文主要研究内容 曲线通过时，降低轮缘磨耗主要有三种方式，一是采用润滑方 式，二是使轮对处于径向位置，三是使转向架后端向外横移迫使导 向轮对冲角减小。第一、三种方式轮对均保持平行状态，第一种方 式不改变导向轮与轨道之间的横向力关系，而第三种减小了导向轮 与轨道之间的横向力。第二种采用轮对处于径向位置使得冲角减小， 侧压力减小来达到减磨目的。本论文主要针对第三种方式进行研究， 主要研究内容有： 1 ) 研究该具体机车采用何种横连装置及采用此类横连装置的可 行性。 2 ) 扭杆式横连装置的各参数对机车直线运行平稳性指标及曲线 通过动力学性能的影响，以及各指标对参数的敏感性。 3 ) 传统机车与横连机车的动力学对比。包括稳定性、平稳性以 及曲线通过等。 4 ) 扭杆式横连装置的安全性设计。包括自由间隙的保证、防卡 死、防脱落等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章机车动力学模型及动力学性能评价方法 本论文针对国内某机车厂为东南亚铁路设计的最高运行速度为 1 0 0 k m h 的3 b o 内燃电传动机车，介绍了该机车主要结构型式，应用 s i m p a c k 仿真软件分别建立了传统和加装扭杆式横向连接装置的 3 b o 机车动力学仿真模型。最后详细介绍了机车动力性能评价方法。 2 1 传统3b o 电传动内燃机车动力学仿真模型 2 1 1 机车主要结构介绍 本论文进行分析的机车采用3 b o 轴式，由车体、三个构架、六个 驱动装置( 电动机及齿轮箱等) 和六个轮对组成。 一系定位采用钢簧和双轴箱拉杆组合结构，垂向载荷主要靠钢 簧支承，牵引刚度主要由轴箱拉杆提供，轮对的横向定位刚度则由 轴箱拉杆和钢簧并联刚度提供，两端转向架( 一、二、五、六轮对) 装有一系垂向减振器。 转向架的二系悬挂为橡胶堆旁承结构，布置在每转向架构架侧梁中 心。中间转向架在旁承上侧设有滚子滑动装置，承担车体转向架间的垂 向载荷及部分纵向载荷，不承担车体与转向架问的横向载荷。端转向架 旁承橡胶堆直接固定在侧梁上，与构架一起运动，提供三向刚度。中间 横梁中心设有中心销牵引装置，与车体牵引中心销之间布置有横向止 挡。为保证机车的运行品质，端转向架二系还斜对称布置了两个横向二 系横向减振器。 驱动装置为轴悬式，车轴端通过抱轴瓦箱与车轴连接，电机端 用一个球铰连接在构架上，从而实现驱动装置与构架的弹性横动。 本文在建立机车动力学模型时作了如下处理【”l ： ( 1 ) 轮对、构架和车体均视为刚体。轮对、构架和车体的弹性比 悬挂系统的弹性要小得多，因此，把轮对、构架和车体视为刚体是 可以接受的。 ( 2 ) 不考虑钢轨的弹性变形。钢轨的弹性对于车辆的动力学性能 只在高频时影响才较大，而在线路的低频率激扰下影响不大，因此 对线路只考虑其不平顺的激扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 应用s i m p a c k 动力学仿真软件，该3 b o 电传动内燃机车动力学 仿真模型如图2 1 所示。 图2 13 b o 电传动内燃机车动力学仿真模型 2 1 2 轮轨接触几何关系 轮轨接触几何关系是机车车辆与轨道系统的连接纽带，其计算 精度直接影响机车车辆动力学的分析结果【1 4j 。 根据设计方案，采用昆明磨耗型踏面与5 0 k g 钢轨轨头，轮轨接 触几何关系如图2 2 所示。 2 1 3 运动微分方程 为更接近于非线性较强的实际机车，在建立动力学模型时尽可 能考虑系统中的非线性因素，考虑以下非线性【1 5 】： ( 1 ) 轮轨接触几何非线性：采用昆明米轨磨耗型踏面和5 0 k g m 钢 轨匹配： ( 2 ) 轮轨蠕滑非线性：计算中按k a l k e r 的简化理论确定轮轨间蠕 滑力和蠕滑力矩； ( 3 ) 悬挂特性的非线性：机车系统中一系垂向减振器、二系横向 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 减振器以及横向止挡都具有明显的非线性特性； ( 4 ) 各轮对的轴向间隙。 这时，机车的运动微分方程可用如下的矩阵形式表示： 【m 】 x ) “c 】 x ) + 【k 】仁) = 啤】如( 2 1 ) ( 2 - 1 ) 式中 x 为系统的广义位移向量，【m 】、【c 】、哗】分别为机 车系统的惯性、阻尼和刚度矩阵，陋】为转换矩阵，阻】为不平顺输入 向量1 1 6 】。 坐标系定义如下：坐标系以轨面中心为原点，x 轴以前进方向为 正，y 轴以前进方向的右方为正，z 轴以垂直向下为正。 图2 - 23 b 。电传动内燃机车的轮轨接触几何关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 4 轨道不平顺 轨道随机不平顺一般表示为每延米轨道的周数乘以前进速度， 即得赫兹数，速度越高，起作用的频域越往上移，与各相应频域有 关的轨道不平顺、轨枕响应、钢轨波磨等现象相继发生，加剧了对 机车车辆的激励，最终表现为降低车辆的运行平稳性【1 7 】。美国曾对 全国铁路的几何参数进行了大规模的测量，建立了轨道几何参数的 数据库，为制定不同等级线路的安全标准奠定了基础。对实测的轨 道谱密度进行曲线拟合后便得到了轨道不平顺的分析式如下【1 8 l ：( 单 位：c m 2 r a di n ) 垂向不平顺 ) 一焉( 2 - 2 ) 方向不平顺 ) 一糯( 2 - 3 ) 水平不平顺和轨距不平顺具有相同的谱密度表达式： t ( q ) 一t ( q ) 一虿砸4 k 4 硒f 2 2 ( 2 4 ) 式中s ( q ) 一功率谱密度 q 一空间波数 4 ，爿。一不平顺程度的参数 q ，q 。一空间截断频率 k 一系数，从轨道安全标准出发取k = 1 偏向安全。研究表明，取 k = o 2 5 时可使计算值与实测值较为接近。 上述式中诸参数值见表2 1 ，可见，由于参数值的不同，不同等 级线路的同一名称的谱密度图线也是不同的。 本论文计算中采用美国轨道不平顺功率谱转换成的线路随机不 平顺时域谱，考虑了线路的方向、高低和水平不平顺。表中的线路 等级越大，线路条件越好。我国三大干线谱高低不平顺在整个波长 范围基本上都处在美国5 级线路谱和美国6 级线路谱中间1 1 4 】。考虑 到东南亚米轨线路条件和维护条件较差，弯急、隧道密的典型山区 铁路，宜采用美国4 级线路谱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 1 美国轨道谱密度的参数值 线路等级 参数 1 23456 a ( c m 2 t a d m ) 1 2 1 0 71 0 1 8 10 6 8 1 60 5 3 7 60 2 0 9 50 0 3 3 9 以( c m 2 t a d m ) 3 3 6 3 41 2 1 0 70 4 1 2 80 3 0 2 70 0 7 6 20 0 3 3 9 q ，( r a d m ) 0 6 0 4 6o 9 3 0 8 o 8 5 2 01 1 3 1 2 0 8 2 0 90 4 3 8 0 q 。( r a d m ) 0 8 2 4 50 8 2 4 50 8 2 4 50 8 2 4 50 8 2 4 50 8 2 4 5 2 2 机车动力学性能评价方法 机车动力学性能应符合t b t 2 3 6 0 9 3 铁道机车动力学性能试 验鉴定方法及评定标准、g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和 试验鉴定规范以及铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标 准昆明铁路局米轨补充标准( 草案) ，未制定标准的指标参照国内 外经验表达式作为评价标准。 2 2 1 稳定性 稳定性作为机车车辆安全运行的首要问题之一，一直为人们所 关注，一旦车辆系统出现了蛇行失稳，运行品质将急剧恶化，运行 平稳性大大降低，并导致轮轨间强烈的相互作用，引起严重的轮轨 磨耗，对线路造成严重的危害，甚至引发脱轨，因此，对于机车车 辆动力学稳定性分析很重要【1 9 】。 稳定性的含义很广，有静态平衡稳定性及动态稳定性两大类。 在机车车辆中所讨论的抗倾覆稳定性、抗脱轨稳定性等都是从静力 平衡条件来确定稳定与否，因此均属静态稳定性范畴。而动态稳定 性通常称为运动稳定性，本论文只研究运动稳定性，即机车在直线 上的抗蛇行运动稳定性。运动稳定性是机车车辆系统自身的特性， 与外部激扰无关【2 。 线性稳定性分析的最重要的评价方法是被分析对象的根轨迹曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 线，线性计算可以对车辆的本质特性有更多的了解，并能实现快速的 参数优选。要更准确的确定稳定性速度必须要在此基础上进行非线性 分析，将轮轨非线性、悬挂参数非线性、间隙、止挡等非线性因素考 虑进来。准确进行非线性稳定性分析的一个重要条件是确定系统的初 始状态，不同的初始状态将导致完全不同的结果。由初始失稳状态计 算得到非线性稳定性临界速度，在这一计算中，假定机车在很高速度 下已经失稳，逐步降低运行速度，最终确定能使机车重新变得稳定运 行的速度点。由于这一计算的初始条件是最苛刻的，因此计算得到的 稳定性速度也是很可靠的。系统蛇行失稳后将分叉出极限环振动，极 限环的幅值是随车速的提高而增大的，直至出现轮对脱轨 2 1 1 。 2 2 2 平稳性 平稳性是一个能集中反应车辆稳定性、抗干扰能力的综合参数， 将影响部件的疲劳寿命、车载设备的工作条件和可靠性，一些机车 暴露出的疲劳强度问题和车上设备的故障很可能与恶劣的平稳性指 标有很大关系。机车车辆悬挂和结构参数的优化工作应优先考虑优 化平稳性指标。t b t2 3 6 0 9 3 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及 评定标准规定了平稳性等级评定标准如表2 。2 。 表2 2 平稳性等级评定标准【2 2 】 孝粝 最人振动加速度a 。x ( m s 2 ) 平稳性指标 等级 垂向横向形 优 2 4 51 4 7 2 7 5 良 2 9 51 9 63 1 0 合格 3 6 32 4 53 4 5 表中钆是最大振动加速度( m s 2 ) ，其统计表达式为【2 2 】： 4 。；彳+ 3 吼( 2 5 ) 式中： j 一一试验加速度样本中所有峰值绝对值的统计平均值，m s 2 一一试验加速度样本中所有峰值绝对值的均方差，m s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表中列出了与以。对等的形指标乃为s p e r l i n g 平稳性指数。 s p e r l i n g 平稳性指数法在国际上应用比较普遍。s p e r l i n g 平稳性指数 法中除考虑振动功和振动加速度对人的影响外，还考虑人们对各种 频率振动主观感受的因素，因此s p e r l i n g 在确定平稳性指数时采用 对频率加权的办法。频率加权系数是根据大量试验结果得出的经验 数据，作成相应的经验公式或图表备查，由于人们对垂向振动和横 向振动的忍受程度不同，因此垂向振动和横向振动的加权系数也是 不同的。s p e r l i n g 平稳性指数的计算公式为1 2 2 】： - 辱而 式中4 一频率为五的振动加速度最大值，c m s 2 五一第i 级振动频率，舷 b 。( ，) 一频率加权函数 2 2 3 曲线通过性能 ( 2 - 6 ) 机车在曲线上的运动是一个十分复杂的动力学过程，受到很多因 素的影响，如顺坡率、运行速度、曲线半径、外轨超高、轨距加宽 等。曲线通过性能的好坏直接影响机车的行车安全。通过对机车在 一个完整的曲线( 直线一缓和曲线一圆曲线一缓和曲线一直线) 上运 行的模拟计算分析来校核机车的动态曲线通过性能。用于评价曲线 上运行性能的指标一般包括：保证轨道侧向强度的轮对横向力以及 与脱轨稳定性有关的脱轨系数和轮重减载率【1 7 】。 曲线通过性能不仅取决于机车的结构参数，而且与轨道的结构参 数直接相关。因此分析模型必须准确反应机车各部件的结构关系， 准确描述曲线轨道的结构特征，以得到合理的计算结果。 机车车辆以速度y 通过半径为尺的曲线时，机车要承受由离心加 速度引起的离心力的作用，离心加速度为： g 。：譬 ( 2 - 7 )g c2 百【2 7 ) 在设置有超高的曲线上，机车的离心加速度g ，可表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 g c 一百v 2 一了h og (2-8) 式中：y 一机车通过曲线时的速度( m s ) 尺一曲线半径( m ) s 一左右侧轮轨接触点跨距( m m ) 一外轨超高( m m ) g 一重力加速度( 9 8 1 m s 2 ) ( 2 6 ) 式两边同乘以s g ，并令h d 。g c s ，则 g ”詈吨 ( 2 - 9 ) 如果吃 0 ，即离心加速度大于重力加速度横向分量，忆称为欠 超高； 如果 0 ，即离心加速度小于重力加速度横向分量，称为过 超高； 如果吃= 0 ，这时的离心加速度恰巧与重力加速度的横向分量相 平衡，这时机车的速度称为平衡速度。 2 2 3 1 脱轨系数 脱轨系数定义为作用在车轮上的横向力q 和垂向力p 的比值q p 。 t b t2 3 6 0 9 3 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准规定 了脱轨系数各界限值如表2 3 。 表2 3 脱轨系数评定标准 2 2 1 脱轨系数 o 60 80 9 评定等级优良良好合格 2 2 3 2 轮重减载率 轮重减载率定义为车轮垂向力的减载量q 与左右车轮平均垂向 力q 的比值a q q 。按照铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定 标准昆明铁路局米轨补充标准对此进行评定，其评定标准见表2 4 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 4 轮重减载率评定标准 2 3 1 轮重减载率 o 6 0o 6 50 7 0 评定等级优良良好合格 2 2 3 3 车轮横向力 米轨机车的横向轮轨作用力水平按照铁道机车动力学性能试验 鉴定方法及评定标准昆明铁路局米轨补充标准评定： 对于木枕线路，车轮横向力的评定标准为【2 3 】： 道钉弹性极限的限度q 1 9 + 0 3 p = 3 7 7 5( k n ) 道钉屈服极限的限度q 2 9 + 0 3 p = 4 7 7 5( k n ) 其中：p 为静轮重( k n ) ，q 为车轮横向力 对于轴重12 5k n 的本机车来说，p = 6 2 5 k n 。 对于混凝土枕线路，车轮横向力的评定标准见表2 5 。 表2 5 车轮横向力评定标准【2 3 】 车轮横向力q 3 6 + 0 3pq 3 9 + 0 3 pq 4 2 + 0 3 p 评定等级优良良好合格 本机车 5 4 7 5 k n5 7 7 5 k n6 0 7 5 k n 2 2 3 4 轮对横向力 轮对横向力为轮轨作用力的横向分量，该指标用于鉴定车辆在 运行中是否会导致轨距扩宽( 道钉拔起) 或者线路产生严重变形【24 1 ，轮 对的两导向力之和作为评价指标。t b t2 3 6 0 9 3 铁道机车动力学性 能试验鉴定方法及评定标准规定了线路横向稳定性系数c 的界限 值，如表2 6 。 表2 6 线路横向稳定性系数c 的界限值 2 3 1 o 7 0o 8 51 o o 评定等级优良良好合格 c 值为线路横向稳定性系数，表示线路在机车横向力作用下，可 能产生轨距扩大或轨排横移的程度。 对于木枕线路： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 c 2砸i q 1 + q 21 ( 2 - 1 0 ) 移项得： i a 一，+ a 一：i ：( 1 0 + 毕) (211)a a c ，+ ：i = ( 1 0 + 半) ( - ( 2 - 1 0 ) 及( 2 1 1 ) 式中： q ，、q ：一一为左右轮与钢轨之间的横向力，k n 层、最一一为左右轮与钢轨之间的垂向力，k n iq 。+ q ：i 一一为左右轮与钢轨之间横向力合力绝对值，k n 对于混凝土枕线路，将上述两式中的l0 换为15 即可。即 1 0 1 + 一a ：i = c ac x 0 5 + 毕)( 2 - 1 2 )：i =半)( 2 1 2 ) 据此得出了评定本机车轮对横向力的标准见表2 7 。 表2 - 7 本机车轮对横向力评定标准 轮对横向力( k n ) 木枕线路3 6 24 3 9 5 1 7 混凝土枕线路 3 9 74 8 25 6 7 评定等级优良良好合格 2 2 3 5 摩擦功率 上世纪8 0 年代，英国铁路部门提出以轮轨接触斑上所消耗掉的 功作为轮轨磨耗的指标。用蠕滑力和蠕滑率向量的数量积来表示， 其物理意义是机车车辆在通过曲线时，沿轨道运行每单位长度所消 耗的蠕滑功。当轮轨间蠕滑达到饱和时，蠕滑变为滑动，蠕滑率即 为相对滑动距离，蠕滑力变成摩擦力，蠕滑功即为摩擦功： 彤= f ( 2 1 3 ) 展开为： w 3 = f x s x 七f y ey + f s p 节 ( 2 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 忽略自旋蠕滑的影响，上式简化为爱因斯( e l k i n s ) 磨耗指数t = e + c y ( 2 - 1 5 ) 可以证明，轮轨接触斑上的摩擦功是负功，即消耗于接触斑上 的摩擦功。这个摩擦功包含车辆蠕滑率特别是冲角的影响，能很好 的代替轮轨磨耗的程度，包括踏面磨耗和轮缘磨耗。小半径曲线上 研究侧磨时，由于接触点靠近轮缘根部或者发生两点接触，产生大 蠕滑或者滑动，轮缘处的摩擦功比只在踏面接触时的摩擦功要大得 多，故该模型也能很好的反映钢轨侧磨。英国铁路和美国伊利诺埃 理工学院进行的一些试验表明，摩擦功指标和轮轨磨耗率有较好的 线性关系。a a r 运输试验中心t t c 进行的现车试验也证实了轮缘磨耗 与接触斑处的摩擦功成线性关系【2 引。 有时也用轮轨接触斑上所消耗掉的功率作为轮轨侧磨的指标， 表示轮轨接触处的摩擦功率的消耗，是车辆速度和轮轨接触斑处的 摩擦功之积，本文采用的磨耗功率即为此【2 引。 2 2 3 6 导向轮冲角 转向架纵轴线与轨道的夹角称为冲角【19 1 。该值与轮缘力的乘积 用来衡量轮缘的磨耗率，即轮缘磨耗指标。一般情况下，冲角越小， 轮缘磨耗越小。 2 3 本章小结 用s i m p a c k 建立了机车的动力学仿真模型，介绍了1 0 0 k m h 六 轴传统3 b o 电传动内燃机车主要结构、轮轨接触几何关系以及在仿真 软件中对轨道不平顺、车辆系统的非线性的简化方法，列举了相关 的动力学评价方法和评定标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章传统3 b o 机车动力学分析 本章介绍了传统3 b o 机车直线运行平稳性指标以及曲线通过各 项动力学性能指标的计算结果。 3 1 直线运行平稳性 计算条件是机车以6 0 1 1 0 k m h 的速度通过轨道激励为美国4 、5 级谱的直线轨道。对前后司机室横向和垂向平稳性、加速度以及所 有轮对的横向和垂向力进行统计分析。 1 o 机车述度o m h ) 图3 1 司机室横向平稳性 ( 美国4 级谱) 7 0t001 1 0 机1 i 述j 童( k m m ) 图3 - 2 司机室横向平稳性 ( 美国5 级谱) 图3 1 是轨道激励为美国4 级谱时机车直线运行仿真出的司机室 横向平稳性指标。在1 0 0 k m h 时前后司机室横向平稳性指标均合格， 6 8 k m h 时为良好。 图3 2 是轨道激励为美国5 级谱时司机室横向平稳性计算结果。在 9 8 k m h 时后司机室横向平稳性指标良好，1 0 0 k m h 时前司机室横向平 稳性指标良好。 图3 3 是美国4 级谱激励下的司机室垂向平稳性指标。在1 0 0 k m h 时前后司机室垂向平稳性指标均合格，7 0 k m h 时为良好。 图3 4 是美国5 级谱激励下的司机室垂向平稳性指标计算结果。在 1 0 0 k m h 时前后司机室垂向平稳性指标良好，8 5 k m h 时前后司机室垂 向平稳性指标优良。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 艰翻点 a 5 3 3 ， 至3 2 是 记3 3 m 2 0 图3 - 3 司机室垂向平稳性 ( 美国4 级谱) ：轮蛙自f 1j j ，j 辣 弓 再1 0 01 1 0 i l 乍速成( k r n h ， 图3 - 3 司机室垂向平稳性 ( 美国5 级谱) 弓1 8 a k 亡，t “ 柚1 1 1 0 机1 i 速度( i t m h ， 图3 - 5 车轮垂向作用力图3 - 6 轮对横向作用力 ( 美国4 级谱)( 美国4 级谱) 图3 5 是美国4 级谱激励及各计算速度下各轮对左侧垂向力统计 值。各轮的垂向动态作用力随速度增加而增加，最大值在l o o k m h 速 度下均小于1 0 0 k n 。 图3 6 是美国4 级谱激励及各计算速度下各轮对横向动态作用力 统计值。由图可见随速度增加各横向力增加，最大值在l o o k m h 速度 下均小于3 0 5 k n 。 3 2 曲线通过性能 考虑到实际运用情况，计算如表3 1 所列7 种工况。为使各计算 统计值具有全面性，对各工况的统计采用三种方式。一是统计整个 曲线期间的最大值，因某些值在圆曲线内不一定是最大，在过渡曲 线与圆曲线转换处最大，如小半径曲线时的脱轨系数。二是统计美 西南