（车辆工程专业论文）低动力作用机车转向架理论分析及应用研究.pdf

中文摘要 摘要：随着列车的运行速度不断提高，轮轨动态相互作用越来越强，因此，设计 低动力作用机车转向架是机车设计中的关键之一。本文基于车辆一轨道耦合动力 学理论，借助于t t i s i m 仿真软件，围绕机车转向架低动力作用设计技术，进行理 论分析和工程应用研究。首先建立了机车一轨道耦合动力学模型，该模型详细考 虑了牵引电机( 驱动系统) 的悬挂特性，牵引电机具有5 个方向运动自由度和空 心轴具有6 个方向自由度，且针对机车转向架各类横向非线性止挡结构，建立了 符合其运动关系及特性的非线性止挡分析模型，基于s s 7 系列机车动力学性能现 场试验结果，对机车一轨道耦合动力学模型及其理论计算结果进行了验证分析， 结果表明，机车运行安全性指标、舒适性指标及各部件的动荷特性等理论计算值 与试验测试结果均吻合较好。其次，计算研究了机车系统主要结构及悬挂参数对 轮轨垂向动力性能的影响及规律，并提出了机车轮轨垂向低动力作用设计原理及 设计技术，主要有：减小簧下质量可以有效的降低轮轨动力作用，而簧间质量和 构架惯量对轮轨系统的垂向动力性能影响较小，低动力设计时可以忽略其影响； 必须从轮轨大系统的角度对一系减振装置的阻尼系数进行优化；低动力作用的机 车车轮踏面宣采用磨耗型。然后，综合研究了机车参数对轮轨横向相互作用性能 的影响，借此提出减轻机车轮轨横向动力作用的技术措施，主要有：一系水平定 位刚度对轮轨横向动力作用影响较大，设计时还需兼顾机车的运动稳定性：二系 纵向与横向刚度值、横向减振器阻尼等参数对轮轨横向相互作用影响很小，在进 行低动力转向架设计时，可以忽略参数的影响：选取较小簧下质量，将使轮轨横 向相互作用得到显著的降低。最后，结合工程实际，对低动力作用设计技术在时 速1 6 0 k i n 提速机车和时速2 0 0 k i n 高速机车转向架设计中的应用情况进行了详细的 论述，实践运用效果表明，本文提出的低动力设计技术可以解决工程中相关技术 难题，能够满足设计需求，且效果良好。图7 6 幅，表2 5 个，参考文献1 2 8 篇。 关键词：机车；低动力；车辆一轨道耦合动力学；转向架；牵引电机 分类号：u 2 6 0 1 ；u 2 6 0 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a i ns p e e d s ，w h e e l - r a i li n t e r a c t i o no fw i l l u n a v o i d a b l yb er e i n f o r c e d s o ，i nt h ep r o c e s so fl o c o m o t i v ed e s i g n m e n t ，i ti st h ek e y p o i n ta n da i m t od e v e l o pl o wd y n a m i cb o g i e o nt h eb a s i so fat h e o r yo fv e h i c l e - t r a c k c o u p l i n gd y n a m i c sa n db ym e a so fs i m u l a t i o ns o f t w a r et t i s i m ，t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o n so nt e c h n o l o g i e so fl o wd y n a m i cb o g i ea r ec a r r i e do u ti n t h i st h e s i s f i r s t l y , t h ec o u p l i n gm o d e lb e t w e e nl o c o m o t i v ea n dt r a c ki s s e tu p ，i nw h i c ht h e s u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cm a c h i n e r ya n dt h ec l e a r a n c ea r et a k e ni n t o a c c o u n t ，t h e r ea r e5d o f sa n d6d o f sf o rt h ee l e c t r i cm a c h i n e r ya n dt h eh o l l o wa x l e ， r e s p e c t i v e l y , t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es e r i e s o fs s 7l o c o m o t i v e s ，a n dt h ec o m p a r i s o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti sb e t t e rc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n dm e a s u e dr e s p o n s e s ，i n c l u d i n gt h es a l t yi n d i c e s ，a n dt h e c o m f o r ti n d i c e sa n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y , e f f e c t so fs u s p e n t i o n p a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so nw h e e l r a i lv e r t i c a ld y n a m i c sa r ei n v e s t i g a t e d ， a n dm u c ho fm e a s u r e m e n ti sp u tf o r w a r dt or e d u c et h ev e r t i c a ld y n a m i c ，r e s u l t ss h o w t h a td e c r e a s i n gt h eu n s p r u n gm a s sa n da d o p t i n gt h ew e a rt y p eo fw h e e lp r o f i l ea r e e f f e c t i v em o t h o d st or e a l i z et h ed e s i g n m e n tw i t hl o wd y n a m i c ，a n dt h em a s sa n di n e r t i a o fb o g i ef r a m eh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nd y n a m i c t h i r d l y , e f f e c t so fl o c o m o t i v e p a r a m e t e r s o nw h e e l r a i ll a t e r a ld y n a m i ca r es t u d i e dt oo b t a i nt h em e a s u r e m e n t r e d u c i n gt h el a t e r a ld y n a m i c ，c a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h el a t e r a la n dl o n g i t u d i n a l s t i f f n e s s e so ft h ep r i m a r ys u s p e n s i o nh a v em u c he f f e c to nt h el a t e r a ld y n a m i c ，a n dt h e e f f e c t so fp a r a m e t e r so fs e c o n d a r ys u s p e n s i o n ，i n c l u d i n gt h el a t e r a la n dl o n g i t u d i n a l s t i f f n e s s e s ，a n dl a t e r a ld a m p e r ，a r el i t t l e ，a n dt h el a t e r a ld y n a m i cc a nb er e d u c e dw i t h t h ed e c r e a s e m e n to fu n s p r u n gm a s s l a s t l y , a p p l i c a t i o ns t u d yt h a tt h em e a s u r e m e n ti s a d o p t e di nt h ed e s i g n m e n to ft w ob o g i e si si n t r o d u c e d ，o n ei s f o rt h es p e e d r a i s e d l o c o m o t i v ew i t has p e e do f16 0 k m h ，a n dt h eo t h e ri sf o rt h eh i g h - s p e e dl o c o m o t i v e w i t has p e e do f2 0 0 k r n h ，t h eo p e r a t i o ne x p e r i e n c es h o w st h a ti ti sv e r yu s e f u la n d e f f e c t i v et or e d u c ev e r t i c a la n dl a t e r a ld y n a m i cf o rt h e s et e c h n o l o g i e s 7 6t a b s ，2 5f i g s ， 1 2 8r e f s k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e ；l o wd y n a m i c ；v e h i c l e - t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c s ；b o g i e ； e l e c t r i cm a c h i n e r y c l a s s n o ：i j 2 6 0 1 ：u 2 6 0 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 材参彳半 导师签名： 签字日期：多嘶月，珀 签字日期：认茹年j 月为日签字日期：认姑年j 月为日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：亨芍墨萍签字日期： 彤年月3 一日 致谢 本论文的工作是在我的导师孙守光教授的悉心指导下完成的，孙守光教授严 谨的治学态度、科学的工作方法和卓有成效的指导给了我极大的帮助和影响。在 此衷心感谢四年来孙守光老师对我的关心和指导。 本论文的研究基于翟婉明教授提出的机车车辆耦合动力学理论，相关项目的 研究得到了翟婉明教授的指导和支持，论文的部分成果是与翟婉明教授课题组共 同完成取得，在此向翟婉明教授及其课题组表示衷心的感谢。 谢基龙、李强和任尊松教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在工作及撰写论文期间，王开云和孟宏同学对我论文中部分研究工作给予了 热情的帮助，在此特向他表达我的感激之情。 中国北车集团大同电力机车有限责任公司为整个研究过程提供了研究平台和 部分经费支持，在此表示衷心的感谢。同时感谢公司原总经理石晓丁先生和总经 理杨永林先生支持和鼓励。 本论文的试验工作得到了中国铁道科学研究院机车车辆研究所和西南交通大 学列车与线路研究所的大力支持，在此表示衷心的感谢。 另外也感谢家人，她们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 到目前为止，我国铁路先后成功实施完成了6 次大提速，客运列车及货运列 车的最高速度分别达到了2 0 0 k m h ( 个别区段达2 5 0 k m h ) 和1 2 0 k m h ，但列车提 速带来的轮轨垂向、横向相互作用问题十分突出，一方面，列车对轨道的破坏作 用加剧，另一方面，列车的行车安全性及运行平稳性及乘坐舒适度方面的问题突 出。 为了最大限度地发挥铁路轮轨系统多蕴藏的潜能，以尽可能少的投入，取得 尽可能高的效益，必须对轮轨系统进行全面细致的参数研究，以期实现整个系统 结构与参数的合理匹配，最终建立低动力作用的现代化高速、重载铁路轮轨系统。 轮轨垂向动力作用主要是指列车对线路的破坏作用，轮轨横向相互作用问题 主要体现在机车车辆通过曲线轨道时轮轨动态安全性及列车提速后的稳定性。如 何降低轮轨垂向及横向相互作用问题是重载、提速和高速机车设计中不可忽视的 关键问题之一，因此，对机车转向架轮轨低动力作用进行研究具有重要的理论研 究意义和工程应用价值。从世界各国的发展情况来看，到目前为止，这方面的研 究仍然停留在依靠实际运营经验的水平上，而从理论上进行深入分析和研究很少 涉及。 本论文在国家自然科学基金项目“提速机车车辆横向非线性振动的理论与试 验研究”( 编号：5 0 4 7 5 1 1 1 ) 和国家博士点基金项目“提速列车轮轨动力作用研究 ( 编号：2 0 0 3 0 6 1 3 0 1 1 ) 和中国北方机车车辆集团大同电力机车有限责任公司的资 助下，基于铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论，建立了机车一轨道耦合动力学 模型，该模型详细考虑牵引电机的悬挂特性，并运用t t i s i m 仿真分析系统，对轮 轨垂向动力及轮轨横向动力的参数影响进行了细致的研究分析，在此基础上提出 了减轻轮轨动力作用的技术措施，最后将技术原理及措施应用于工程实践。 本论文的特点在于设计轮轨低动力作用转向架时引入了现代的车辆一轨道耦 合动力学理论，考虑了轨道结构参振对系统性能的影响，并且工程实用性强。 该研究为实际生产提供了理论依据和支撑，为我国重载、提速和高速机车高 性能转向架设计等工程领域做出了积极尝试。 我忠心期待本论文能为我国高性能机车转向架的研究和设计提供有益借鉴。 靼拿沐 于北京交通大学 2 0 0 7 年1 0 月 1 1选题目的和意义 1 绪论 中国铁路承担着全国客运总量的三分之一以上、货运总量的一半以上。而路 网密度低( 仅为0 5 6 k i n 万人) ，仅为美国的1 1 0 ，德国、法国的1 8 ：运输密度高 ( 平均换算运输密度达3 2 1 7 换算万吨公里l ( n 1 ) ，居世界铁路之首。主要铁路干线 长期处于超负荷状态，就这样也只能满足社会需求的6 0 。在如此高的运输负荷 下，中国铁路客、货运量仍以年均8 和4 的增长速率在不断增长，据初步预测， 到2 0 2 0 年，全国铁路旅客、货物运输需求将分别达4 0 亿人次、4 0 亿吨。然而， 对于如此高的运输负荷，中国铁路技术装备水平却很低，线路标准又不高，与发 达国家相比差距较大。双线里程仅占铁路总里程的3 8 3 ，电气化率为2 8 6 ，重 载铁路比重仅为9 。长期超负荷运输对机车车辆运行安全可靠性构成严重威胁， 线路几何状态日益恶化，养护维修工作量剧增。 从1 9 9 7 年4 月开始，到目前为止，我国铁路先后成功实施完成了6 次大提速， 客运列车及货运列车的最高速度分别达到了2 0 0 k m h ( 个别区段达2 5 0 k m h ) 和 1 2 0 k m h ，对于山区铁路小半径曲线轨道，列车的旅行通过速度也普遍提高到了 7 0 k m h 左右。为缓解我国客运严重紧张状况，目前，我国正在大力新建客运高速 专线，我国中长期铁路网规划明确指出，到2 0 2 0 年，中国铁路营业里程将达 到l o 万公里，其中客运专线1 2 万公里，旅客列车运行速度达到2 0 0 k m h 以上。 国务院己批准建设武汉广州、郑州西安、北京一天津、石家庄一太原、武汉 合肥、合肥一南京、宁波一台州温州、温州一福州、福州一厦门、广州一深 圳一香港、广州一珠海等1 1 条客运专线，合计里程约3 2 0 0 k m ，2 0 0 6 年3 月，国 家又正式批准建设京沪( 北京一上海) 高速铁路，设计速度为3 5 0 k m h ，计划2 0 1 0 年建成通车。到2 0 2 0 年，中国将建成以省会城市及大中城市间的快速通道为主干 的“四纵四横”高速客运专线以及3 个城际快速客运系统。 但列车提速带来的轮轨垂向、横向相互作用问题十分突出【卜3 1 ，一方面，列车 对轨道的破坏作用加剧，另一方面，列车的行车安全性及运行平稳性及乘坐舒适 度方面的问题突出。 对于轮轨垂向动力作用，主要是指列车对线路的破坏作用。对轮轨垂向动力 作用影响最为敏感的系统激扰是脉冲型不平顺，如错牙接头、焊缝不平、轨面剥 落车轮踏面扁疤及其它局部凸凹不平顺。即使是微小的凸凹不平顺，也有可能导 致较为剧烈的轮轨冲击振动，而且随着不平顺量值( 如错牙高度) 和行车速度的 增加，这种冲击作用将迅速加剧，将进一步导致钢轨、轨枕、道床振动加速度过 大，钢轨出现疲劳损伤，轨枕螺栓松弛，甚至引起扣件破断，轨枕迅速出现裂纹， 道碴颗粒破碎，相互间嵌制力和摩擦力降低，等等。这种状态日益恶化的线路将 大大增加了轨道的日常养护维修工作量，严重影响行车的安全性及乘坐舒适性。 轮轨横向相互作用问题主要体现在机车车辆通过曲线轨道时轮轨动态安全性 及列车提速后的稳定性。曲线轨道是铁路线路三大薄弱环节之一，曲线地段列车 脱轨等行车安全性问题一直困扰着铁路工作者，尤其是铁路提速后列车与小半径 曲线轨道的横向相互作用及安全性问题更加明显，对于常规转向架，在离心力的 作用下，轮对偏离中心线向曲线轨道多 i - n 运动，并伴有一定的角度冲击钢轨的现 象发生，在轮对的横移和摇头运动共同作用下，将产生较大的轮轨动态相互作用， 可能出现内侧车轮脱离钢轨和外侧车轮爬轨的现象。实践运营经验表明，在小半 径曲线轨道地段发生脱轨事故的比例占列车车轮脱轨事故总数的7 0 以上。 提速列车横向稳定性是提速工程中一个亟待解决的关键问题，在最近几年的 提速运营过程中暴露比较严重。由于机车车辆本身动力学参数与轨道结构参数不 匹配，或由于轨道不平顺的激励，如左右钢轨交替磨耗，列车在提速速度范围内 出现横向异常晃动的现象，这将严重影响乘坐舒适性。 总之，随着铁路重载化、高( 快) 速化的发展，轮轨相互作用不断加强，将 直接影响铁路运输的安全与效益。为了最大限度地发挥铁路轮轨系统蕴藏的潜能， 以尽可能少的投入，取得尽可能高的效益，必须对轮轨系统进行全面细致的参数 研究，以期实现整个系统结构与参数的合理匹配，最终建立低动力作用的现代化 高速、重载铁路轮轨系统。 铁路轮轨系统主要包括机车车辆系统和轨道系统，而前者又包含了机车和车 辆。事实上，铁道机车车辆与轨道是铁路轮轨运输系统中密不可分的两大组成部 分，二者通过轮轨动态相互作用系统构成了一个整体，而低动力作用的轮轨系统 牵涉因素众多，既有机车车辆方面的，也有轨道方面的，而且还相互渗透、相互 影响。 对于铁路重载、高速机车而言，由于其轴重及簧下质量较一般客车车辆的要 大，因此如何降低轮轨垂向及横向相互作用成为重载和高速机车转向架设计中的 关键问题之一。 在此背景之下，本论文基于铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论，采用现代 仿真技术手段和理论与实际相结合的研究方法，对低动力作用机车转向架的理论 与工程应用进行了深入的研究。该研究将直接指导和服务于生产实际，为实际生 产提供理论依据和支撑，为我国重载、提速和高速机车高性能转向架设计等工程 2 领域做出积极贡献，具有显著的经济和社会效益，另外，本论文的研究将有利于 拓宽本学科领域的应用范围，促进本学科领域的发展。 1 2国内外研究现状 转向架是列车最关键部件之一，对于确保运行安全、改善走行品质、降低轮 轨动力作用、提高舒适度、减轻对环境的污染等有着极为重要的作用。由于机车 承担牵引任务，其转向架结构复杂、支撑的质量大、要求的功能多，其研制比一 般转向架难度大。 早在1 9 世纪中期，欧美等一些国家就开始在提高机车运行速度方面开展了大 量的理论研究与试验工作，由蒸汽机车牵引的旅客列车的试验速度当时已突破 1 0 0 k m h ，1 9 0 1 年，由德国s i m e n s 公司研制的电力机车的试验速度达到了 1 6 2 5 k m h ，该车经改进后在1 9 0 3 年首次超过2 0 0 k m h ，达到了2 0 2 7 k m h 。1 9 5 5 年，法国研制的电力机车牵引的列车速度超过3 0 0 k m h ，达到3 3 1 k r n h 。但鉴于当 时技术所限，高速的商业化一直没有实现，最高速度为1 6 0 k m h 左右，直到1 9 6 4 年，日本开通了世界上第一条运营速度为2 1 0 k m h 的高速铁路。随后，法国、德 国、意大利、西班牙、韩国等国家相继研制和掌握了高速运营技术。 从技术上讲，世界各国采用的机车转向架结构型式不相同【4 】。各国在机车转向 架研制过程中采用的技术路线也不尽相同，技术线路的选取，大致依赖于三个方 面的条件，即研究习惯、工业基础及技术传统、各国铁路的运行状况及运行条件。 例如，对于铁路高度发达的国家德国，在机车转向架的研制过程中，强调立足理 论，从轮轨系统的基础理论研究入手，广泛开展机理的研究，从理性高度去指导 和规划应用技术的开发，并用高性能的实施成果检验基础理论的科学性；而法国 更多的强调依靠试验，在已有经验及技术的基础上，大胆试验，通过大量的试验， 进行参数比选及方案改进，逐步提高速度指标及转向架的走行性能。从实施的情 况看，法、德等国家在高速铁路的发展中取得了相当大的成功，自1 9 8 5 年后，相 继开通了高速铁路，其中以t g v 及i c e 为各自典型的高速铁路代表。 对于我国铁路，由于起点低、工业基础与技术储备薄弱等原因，机车发展速 度较慢，但现在已经采取引进、消化和吸收的跨越式发展方针政策。到目前为止， 在机车转向架的研发方面已取得了巨大的成绩。 在高速方面，以“中华之星为代表，“中华之星”电动车组为动力集中式， 动力车( 图1 1 ) 是在“九五国家科技攻关项目交流传动动力车和交流传动 客运电力机车的基础上，通过吸取国际上多项先进技术而研制成功的，是我国首 台拥有自主知识产权的高速交流传动动力车。该车的主要特点1 5 j 如下：转向架采用 小轮径车轮、六连杆二级空心轴弹性传动、后置推挽式平牵引杆、整体车轮、空 心轴轴盘制动、人字传动齿轮等技术，牵引电机采用半体悬式悬挂，大大降低了 簧下质量，有利于改善轮轨动作用和提高运行品质，符合高速对走行性能的要求。 该车在秦沈线试验时创下了3 2 1 5k m h 最高速度6 1 ，开创了我国高速时代的先河。 一0 下 哼” 置躲jk 庶l4 、- 一 im _4x 、- 4 - jlu ， _ _- 一l j fi j i k 箸 j 皇 = 毒圭=d 掣爿哗￥p 宣建 _ 、= bj j l h 刍芒正一 ；_ - 一 l r 盛 f ，- 一 广 丑正1 l ： 了r 矸r 曰几、i - 胛与 冒 i 腿衄【厂 l p ”。一r = ， 鬻 譬 峥扯刈善，1 一，川i上 珂醴f 鼍嘏 l f王 一一 工 翠暂 g ；。p 。 j 、lj r 击氢， _ - _ 1 i 1 i j r刷崩贰m r q - 1 、过 m j i i i i 唾一i l曩 飞，_ 图1 - 1 我国2 7 0k m h 高速机车转向架 f i g 1 - 1b o g i eo fc h i n ah i g h s p e e dl o c o m o t i v e 在提速方面，已经掌握了时速1 6 0k m 速度等级的s s 7 e ( 图1 2 ) 、s s 9 ( 结构 与s s 7 e 类似) 、d f ll 型机车( 图1 3 ) ，这种类型的机车已成为了我国铁路第五次 提速的主型机车。该类型机车转向架由于采用了两级弹性六连杆机构的轮对空心 轴式牵引电机全悬挂驱动装置和高柔度圆弹簧二系悬挂，因而，簧下质量轻、隔 振性能好，使得这类型机车具有良好的动力学性能，主要表现：相同速度下，轮 轨动作用力大大低于牵引电动机抱轴悬挂机车；牵引电动机振动加速度很小，这 是牵引电机抱轴悬挂机车根本无法达到的。 4 图1 2 我国1 6 0k m h 提速客运机车s s 7 e 转向架 f i g 1 - 2b o g i eo fc h i n as p e e d - r a i s e dl o c o m o t i v eo fs s 7 e 图l - 3 我国1 6 0k m h 提速客运机车d f l l 转向架 f i g 1 - 3b o g i eo fc h i n as p e e d - r a i s e dl o c o m o t i v eo fd f l1 在货运重载机车方面，也取得了喜人的成绩，通过技术引进与消化，国内机 车厂已经能够生产大功率机车。例如：北车集团大同电力机车公司和阿尔斯通公 司合作生产“和谐2 ”型大功率电力机车，及南车集团株洲电力机车公司和德国西 门子合作生产“和谐1 ”型大功率电力机车( 如图1 4 ) ，已在大秦线上实现单机 1 0 0 0 0 吨牵引，组合牵引2 0 0 0 0 吨的重载运输模式；大连机车车辆公司通过引进日 本东芝和美国e m d 公司的技术，合作生产“和谐3 型大功率电力机车与“和谐 型大功率内燃机车，已经在既有线上实现了最高速度1 2 0 k m h 的单机1 0 0 0 0 吨牵 i e 宝交道达堂睦堂僮论塞 引；等等。 图1 - 4 我国1 2 0 k m h 大功率交流传动货运机车 f i g 1 4f r e i g h tl o c o m o t i v ew i t has p e e do f12 0 k m h 从某种意义上讲，各国发展高( 快) 速、重载铁路技术的核心是寻求在速度 不断提高条件下机车车辆与线路间的合理匹配。国内外许多研究人员对机车车辆 转向架的参数合理匹配进行了大量的理论与试验研究，得到了科学的结论，并已 成功指导工程实践。 国外任何一种成功的转向架都是在漫长的研究、试验与运用考验中不断完善 和发展的【7 ，引，欧洲和日本也还在对运营机车车辆进行非线性多体动力学研究9 1 1 】， 欧洲很多2 0 0 k m h 等级的机车都是在e 1 2 0 机车基础上进一步发展起来的，它们都 将驱动装置由e 1 2 0 机车的刚性悬挂改为弹性悬挂【1 2 3 卯，并开发了一系列新型传动 装置。 国内新型机车或动力车的研制也不是一蹴而就的。由于最开始在我国准高速 机车和高速动力车的开发过程中悬挂参数对平稳性影响的研究基本上是在频域里 进行的【3 3 1 ，在频域计算时，认为动力车的横向和垂向运动是弱耦合的，对其横 向和垂向振动分别进行计算，而且不考虑纵向运动。此外，频域里无法准确描述 轮轨接触几何和蠕滑关系的非线性，对其它非线性因素，尤其是减振器的卸荷特 性，也只能采用等效线性化方法处理。稳定性和曲线通过计算虽然在时域里进行， 但是通常采用给轮对一定的初始位移或通过一定的组合不平顺来模拟m 啪j ，而没 有采用轨道随机不平顺。“八五”国家重点科技攻关项目研究的轮对空心轴式动力 车1 9 9 7 年在牵引动力国家重点实验室成功地进行了滚动振动试验【47 | ，2 0 0 0 年又在 滚动振动试验台上完成了铁道部科技发展研究项目2 5 0 k n 儿高速轮对空心轴 式转向架动力车性能优化试验研究【4 8 1 ，同年2 0 0 k m h 的轮对空心轴式动力车在广 深线上进行了线路试验，在2 0 0 k m h 动力车的线路试验中，发现动力车在1 8 0 k m h 左右运行时，车体前端的横向加速度比较大【4 9 】。2 0 0 2 年还在滚动振动试验台上进 行了国家高新技术产业化项目2 7 0 k n 地高速轮对空心轴式转向架动力车性能 试验研究【5 0 1 ，此后2 7 0 k m h 的轮对空心轴式动力车在高速线上也进行了线路试验， 在2 7 0 k m h 动力车的线路试验中，发现动力车车体垂向平稳性指标比较大【5 。 综上所述，世界各国对机车的整车动力学性能及参数优化做了大量的研究与 试验工作【5 2 7 9 1 ，但就低动力机车转向架而言，在研制阶段，基本上是依赖于实践 运营经验来达到降低转向架动力作用的目的，而从理论上进行低动力的参数优化 设计与匹配关系研究、对降低转向架轮轨垂向和横向相互作用等研究内容鲜有报 道。虽然我国学者自上世纪9 0 年代初就开展了轮轨相互作用问题的研究，其中代 表性的成果有：文献【1 ，2 】考虑了轨道结构垂向参振影响，建立了机车车辆一轨道垂 向动力学耦合分析模型，并且提出了减轻轮轨垂向动力作用的技术原理和措施； 文献 8 0 - - , 8 2 主要针对道岔区尖轨处特殊的轨道结构建立了动力学分析模型；文献 8 3 建立了横向冲击载荷作用下的集中参数模型，重点分析了扣件横向刚度改变对 轮轨横向动力性能的影响；等等。但由于理论和仿真分析手段的局限性或研究目 的及出发点的限制，这些研究仅针对轮轨垂向动力问题，而没有考虑轨道质量一 弹簧一阻尼结构的横向参振影响或者从横向角度予以深入研究分析。 1 3本论文的研究工作 文献 8 4 ，8 5 】指出，由于经典的车辆动力学、轨道动力学理论体系采用的是将机 车车辆和铁路轨道分离成2 个独立的子系统的研究方法，不能解决上述复杂的轮 轨系统动态相互作用问题，并提出了车辆一轨道耦合动力学理论及研究方法，实 现了现代铁路机车车辆与轨道结构的最佳匹配设计。因此，本论文将应用机车车 辆一轨道耦合动力学理论，采用现代仿真技术手段和理论与实际相结合的研究方 法，综合研究机车转向架结构参数和悬挂参数对轮轨垂向及横向动力性能的影响 规律，在此基础上总结出减轻轮轨垂向与横向动力作用的技术原理与技术措施。 具体工作有： ( 1 ) 机车一轨道耦合动力学模型的研究 首先基于现代铁路机车车辆一轨道耦合动力学理论【8 5 8 6 】，针对本论文的研究 对象，建立了机车一轨道耦合动力学模型，该模型详细的考虑了牵引电机的悬挂 特性和各类非线性止挡结构，并推导了机车系统各刚体的振动微分方程。基于s s 7 7 系列机车动力学性能现场试验结果，对机车一轨道耦合动力学模型及牵引电机的 动荷特性进行了试验验证。 ( 2 ) 机车轮轨垂向低动力作用的理论研究 首先综述了垂向低动力作用的评价体系，然后借助于t t i s i m 软件【8 7 ，8 引，计 算研究了机车系统主要结构及悬挂参数对轮轨垂向动力性能的影响及规律，主要 包括簧下质量、簧间质量和惯量、一系悬挂垂向刚度等参数，并提出了减轻轮轨 垂向低动力作用的技术措施。 ( 3 ) 机车轮轨横向低动力作用的理论研究 运用t t i s i m 动力学现代仿真分析平台，综合研究了机车参数对轮轨横向相互 作用性能的影响，包括一系水平定位刚度、二系纵向与横向刚度、二系横向减振 器阻尼、簧下质量等参数，借此提出减轻机车轮轨横向动力作用的技术措施。 ( 4 ) 1 6 0 k m h 提速机车低动力作用转向架设计的应用研究 s s 7 e 客运电力机车是为了满足中国铁路第5 次大提速运用需求而研制出来的 机车，该机车的原型车在试运行过程中，发现在正常提速的速度附近出现了横向 非线性异常振动。课题组运用机车车辆一轨道耦合动力学理论及低动力作用设计 技术原理对该强非线性问题进行了攻关研究。 ( 5 ) 2 0 0 k m h 高速机车低动力作用转向架设计的应用研究 课题组运用低动力转向架设计理论与设计技术，研制了新一代时速2 0 0 k m 交 流传动电力机车低动力作用转向架，并对设计方案预先进行详细的轮轨动力作用 评估。 2 低动力作用机车转向架理论分析原理 为了最大限度地降低机车车辆与线路之间的动态作用，文献 8 9 】提出了机车车 辆与线路动态匹配设计原理和准则。在这基础上，本章针对低动力作用机车转向 架设计原理进行了研究。首先介绍机车车辆与线路低动力作用的分析思路，然后 基于车辆一轨道耦合动力学理论，建立了机车一轨道耦合动力学模型，并详细推 导了机车系统各部件的振动微分方程。 2 1低动力作用的分析研究思路 现代铁路运输发展趋势是，行车速度不断提高，运载重量不断增大，运行安 全平稳性不断提高。由此而导致机车车辆与线路结构之间的动态相互作用日益增 强。一方面，机车车辆对线路的动力破坏作用加剧；另一方面，轨道结构振动及 线路几何状态对机车车辆运行品质( 平稳性) 乃至运行安全性的影响也越来越强。 对于中国铁路而言，由于长期处于超负荷运输状态，多次提速和货运重载化更加 剧了机车车辆与线路的动态相互作用，因此需要特别重视如何减轻这种有害作用。 众所周知，轮轨运输系统的功能中心是轮轨间的相互作用，而轮轨间的动作 用力则是这种功能发挥得好坏的关键因素，它是引起机车车辆与轨道线路系统振 动、冲击、疲劳、损伤的直接根源，从而也是导致轮轨系统状态破坏与功能丧失 的主要原因。因此，最大限度地减轻轮轨间的动力作用，是确保铁路轮轨运输系 统长期处于良好状态并高效运转的关键所在1 7 引。 影响轮轨相互动力作用的因素是多方面的，既有机车车辆的，如结构型式、 悬挂参数；又有轨道结构的，如支承方式与基础弹性；而且牵涉到轮轨界面状态， 如轨面几何不平顺、接头状态、车轮擦伤、踏面圆顺度等。由于车辆系统与轨道 结构相互影响、相互制约，构成了一个相当复杂的动力学闭环反馈系统，因此， 两个子系统的性能匹配关系是影响轮轨相互作用的关键所在。由此可见，要减轻 轮轨相互作用，需要运用系统工程的方法，综合考虑轮轨大系统的结构、参数及 其匹配关系。 为了最大限度地降低机车车辆与线路之间的动态作用，文献【8 9 的作者提出了 机车车辆与线路动态匹配设计理念。所谓“匹配设计”系指机车车辆系统和线路系统 在动态性能设计上要相互适应、相互匹配，以期实现现代铁路机车车辆和线路系 统动态性能的最优设计。 为了实现机车车辆与线路系统动态性能的最佳匹配，必须采用系统设计思想， 9 将机车车辆系统和线路系统作为一个相互作用、相互耦合的整体大系统，以整体 系统动态性能指标作为优化目标，进行综合优化设计。这是匹配设计的总体原理， 但在具体设计过程中仍然是以某个子系统( 机车车辆或线路) 为主体设计对象， 并非是两个子系统同时交互化设计( 这还受限于目前专业划分和设计部门分工等 因素) 。与传统子系统设计不同的是，在设计某一系统时，并非是孤立考虑该系统， 而是要充分考虑与之密切相关的另一系统的动态作用影响；在进行动态设计过程 中，除了考虑自身系统动态性能之外，也必须要考察该系统对另一系统的动态作 用影响，即考察该系统是否与相关系统相匹配。为了实现上述匹配设计构想，需 要借助于机车车辆一轨道耦合动力学理论及其计算机仿真分析平台。 图2 1 给出了机车车辆与线路匹配设计基本原理【8 9 1 。无论设计主体对象是机 车车辆还是线路，都将对方视为主体对象的动态环境，通过机车车辆一轨道耦合 动力学理论方法考虑对方的动态影响因素，进行主体对象动力性能优化设计，同 时分析评估主体设计对象对另一系统的动态作用影响，再根据动态作用影响的评 估结果改进主体对象结构设计参数，重新考察主体对象的动力性能，重新评估主 体对象对另一系统的动态影响指标，如此反复，直到整体系统动态性能最优为止。 图2 - 1轮轨动力作用佳匹配设计原理框图 f i g 2 - 1s k e t c hm a po fo p t i m i z a t i o nd e s i g np r i n c i p l ef o rl o ww h e e l r a i ld y n a m i c s 需要进一步说明的是，当设计主体对象为机车转向架时，其对线路动态影响 指标主要考虑机车对线路动力作用性能指标，即轮轨动作用力( 包括垂向力、横 向力) 及其它轮轨动态安全性等指标。 1 0 2 2机车一轨道耦合动力学模型 2 2 1 机车一轨道空间耦合模型 按轴式分类，常见的机车形式有：2 8 0 机车、2 c 0 机车和3 b o 机车，而又以前 两种类型的机车居多。不考虑电机振动影响的2 b o 机车模型与客车的相同，此时的 机车一轨道空间耦合动力学模型可参见文献【s 5 】。因此，本节以c o c o 轴式六轴机车 ( 2 c o 机车) 为例，建立机车一轨道耦合空间耦合动力学，如图2 2 - 一图2 4 所示。 图2 22 c o 机车一轨道空间耦合模型正视图 f i g 2 - 2l o c o m o t i v e t r a c kc o u p l i n gm o d e lo ne l e v a t i o n 巳c， 。 尼霹州，b hl 1， i 制。i 槲l黼g i i 一 l_ 上 丢 ! 辞 k 已八 硒 m ，i l o 平罩 z l 聍眉l m 叭。州1讥。k一、 磋、j y - 。r犍 i 兰l 辨 睡 口 、 n 妒d 上 均 ii -i _ 崖 讯y 3 i l 兰车 士 潆 “y k k _一广t il 溯 ，ni 惭l 附厂 j 州害 y 图2 - 32 c o 机车一轨道空间耦合模型俯视图 f i g 2 - 3l o c o m o t i v e - t r a c kc o u p l i n gm o d e lo np l a n f o r m 图2 - 42 c o 机车一轨道空间耦合模型侧视图 f i g 2 - 4l o c o m o t i v e - t r a c kc o u p l i n gm o d e lo ne n dv i e w 图2 - 2 - 图2 4 的参数说明： 峥车体质量； 坼一构架质量： 磁一电机质量； 磊厂空心轴质量； m 瑚对质量； ：广辛仑对侧滚运动惯量； 岛i 广轮对旋转运动惯量： k 轮对摇头运动惯量； 空心轴侧滚运动惯量： 五广空心轴旋转运动惯量； 五厂空心轴摇头运动惯量； 厶广电机侧滚运动惯量； 厶广电机旋转运动惯量： 厶厂一电机摇头运动惯量： 缸构架侧滚运动惯量； 五瑚架点头运动惯量； 缸构架摇头运动惯量； 乜车体侧滚运动惯量： 五厂车体点头运动惯量： 七一车体摇头运动惯量： 历广单位长度钢轨的质量； 脚轨弹性模量； 栅轨对y 轴的截面惯量： 瑚轨对z 轴的截面惯量； 朋卜轨枕质量； 4 0 一单侧道床块的质量： 墨广转向架一侧二系悬挂纵向刚度； g 广转向架一侧二系悬挂纵向阻尼； k 厂一转向架一侧二系悬挂横向刚度； g l 广转向架一侧二系悬挂横向阻尼： k ：转向架一侧二系悬挂垂向刚度； c 转向架一侧二系悬挂垂向阻尼； 驴每轴箱一系悬挂纵向刚度； c p 一轴箱一系悬挂纵向阻尼； 岛厂每轴箱一系悬挂横向刚度； c p 厂每轴箱一系悬挂横向阻尼： 晦广每轴箱一系悬挂垂向刚度： c d 广每轴箱一系悬挂垂向阻尼； 硒广六连杆机构合成纵向刚度； 鼠一连杆机构合成横向刚度； 砭广- 驱动装置支撑点纵向刚度： k 棚动装置支撑点横向刚度； 岛棚下胶垫垂向刚度； c p 一下胶垫垂向阻尼： k 。一日件横向刚度： q d 口件横向阻尼； 凰v - 道床垂向刚度： c b ，广_ 道床垂向阻尼； 瓦r 道床横向刚度； g j 酋床横向阻尼； 凰。一j 酋床剪切刚度： c b ，一道床剪切阻尼； 舻路基垂向刚度； c 旷路基垂向阻尼： d 卜二系悬挂横向距离之半： 反，- 一系悬挂横向距离之半； 扛左右轨中心距离之半： 厶轨枕长度； 2 二垂向位移变量： 蝴向位移变量： 瑚向位移变量。 机车装有两台三轴转向架，整个系统主要由车体、构架、电机、传动空心轴、 1 3 轮对、钢轨、轨枕、道床等质量体和弹簧、阻尼等元件构成。轴箱悬挂模型包括 由轴箱弹簧提供的三个方向刚度、由轴箱定位装置提供的刚度且端轴与中间轴的 横向间隙大小不相同，一系的垂向阻尼则由悬挂在轴箱弹簧外侧的一系垂向减振 器提供。二系悬挂模型包括高圆簧组提供的三个方向的刚度、横向止挡刚度以及 垂横向减振器和纵向抗蛇行减振器提供的阻尼。以上各弹性、阻尼环节均以一、 二系悬挂三个方向的刚度和阻尼组件在图中一并予以考虑。 特别需要指出的是，对于机车各类止挡装置，主要有2 种：机车轴箱处构架 与轮对之间存在横向和垂向止挡间隙；为了限制机车通过小半径曲线时车体的横 向位移，在车体与构架之间设置了横向止挡。诸如此类的止挡将影响机车的动力 学性能，因此，在建模的过程中，应详细的考虑各类止挡的功能、原理及其力学 模型。 一系轴箱横向与垂向止挡的力学模型分别如图2 5 ( a ) 和图2