（光学工程专业论文）适合山区米轨线路六轴机车动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘 我国许多山区铁路线路等级低、 在这些线路上大量使用着各型机车， 够适合山区小曲线半径的机车。 己丘 3 之 坡陡、曲线多、曲线半径小。 出现了许多问题，因此急需能 传统的2 c o 机车在曲线半径较小的线路上运行时，由于轮轨横向 作用力和冲角显著增加，加大了轮轨之间的磨耗，不利于提高弯道 运行速度。采用径向转向架的2 c o 机车和3 b o 机车是被人们考虑在曲线 上牵引而设计出来的，与传统e c o 机车相比，这两种机车在曲线上运 行具有较好的动力学性能。但对事物的看法总是一分为二，传统2 c o 机车、径向2 c o 机车和3 鼠机车在不同的运行条件下各有其不同的优点 和存在的问题。 为了说明这些情况，本论文从理论出发并结合实际运行，利用 多体动力学软件sim p a c k 建立了传统2 c o 机车、自导向径向转向架2 c o 机车和3 鼠机车三种米轨六轴内燃机车的仿真模型。 通过对论文中的三种机车在直线通过和曲线通过动力学性能的 分析比较，认为3 b o 机车虽然在直线上的平稳性稍不如传统2 c o 机车和 径向2 c o 机车，但其凭借在极小半径曲线上脱轨系数、轮对横向力、 轮重减载率和冲角小的优势，特别是适合在条件差，曲线半径多小 于或等于15 0 m 的线路上运行。径向2 c o 机车也具有良好的曲线通过 性能，轮轨横向作用力小，轮缘磨耗轻，虽在极小曲线半径上不如3 8 0 机车，但在曲线半径大于1 5 0 m 的线路上运行优势较明显。传统e c o 机 车小半径曲线通过性能最差，适合在曲线半径通常大于4 0 0 m 的线路 上运行。 由于3 b o 机车在极小曲线半径上动力学性能好，而传统3 b o 机车中 间转向架结构复杂，不利于生产和维修。论文提出了中间转向架可 以和端部转向架互换的新型3 b o 机车结构，从几何曲线通过的角度分 析了其通过曲线半径6 2 m 的可行性。通过建立相应的动力学模型， 综合考虑二系橡胶堆的剪切变形和机车的动力学性能，得出了该新 型3 b o 机车的最佳二系横向止档间隙，并且计算了此间隙下新型3 鼠机 车直线和曲线通过的动力学性能。另外，还分析了新型3 鼠机车通过 曲线时，三个转向架平衡车体未平衡离心力与传统3 鼠机车的不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 研究表明，新型3 b o 机车在保证与传统3 b o 机车相比动力学性能相差很 小的情况下，简化了传统3 b o 机车中间转向架的结构，更适合生产制 造和日常维护。因此，研究和开发新型3 b o 机车是适合山区铁路并能 节省大量成本的，应用前景十分广阔。 关键词：新型3 b o ：转向架；机车：动力学；山区铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第f fi 页 - - l l l _ _ l i l _ _ _ _ _ _ l _ _ _ l _ - - l _ l l l l l - _ l l _ i - i l _ i - _ _ _ i l i i _ - _ l _ _ _ _ i i l _ l _ i - 一 a bstrac t i nc h i n av a r i o u s1 0 c o m o t i v e ss e r v i c eo i lm a n ym o u n t a i nr a i l w a yl i n e s w h i c ha r ec h a r a c t e r i s t i co fl o w g r a d e h i g hs l o p ea n ds m a l lr a d i uc u r v e t h e s el o c o m o t i v e sh a v ea p p e a r e dal o to fp r o b l e m s ，s od e v e l o p m e n ti n n e wt y p el o c o m o t i v ei sn e c e s s a r yt om e e tt h en e e d w h e nt h et r a d i t i o n a l2 c ol o c o m o t i v er u n si nac u r v ew i t hs m a l l e r r a d i u s n o to n l yt h es p e e do fc u r v en e g o t i a t i o nr e d u c e sb u ta l s ot h e w h e e l r a i lw e a ri n c r e a s e s a st h el a t e r a lw h e e l r a i lf o r c ea n dt h ea t t a c k a n g l eb e t w e e nw h e e la n dr a i li n c r e a s e i nc o n s i d e r a t i o no fs o l v i n gt h e s e p r o b l e m sd e s i g no ft h er a d i a lb o g i eo f2 c 0l o c o m o t i v ea n dt h e3 8 0 l o c m o t i v ec a m ei n t o b e i n g c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l2 c o l o c o m o t i v e t h et w ol o c o m o t i v e sr u n o nt h o s ec u r v e sw i t hg o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c e b u tt h ev i e wo ft h i n g si sa l w a y sd i v i d e di n t ot w o t h et r a d i t i o n a l2 c ol o c o m o t i v e t h er a d i a lb o g i eo f2 c 0l o c o m o t i v ea n d t h e 3 8 0l o c o m o t i v e h a v et h e i rd i f f e r e n t a d v a n t a g e s a n d e x i s t i n g p l o b l e m si nd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s c o m b i n i n gt h e o r y w i t h p r a c t i c a lo p e r a t i o n ，t h ep a p e r i l l u s t r a t e s t h o s e a d a n t a g e s a n dp r o b l e m sb a s e do n e s t a b l i s h i n g t h e s et h r e e m e t e r - g a u g es i x a x e sd i e s e ll o c m o t i v es i m u l a t i o nm o d e l sb ym u t i - b o d y d y n a m i cs o f t w a r es i m p a c k t h er i d i n gq u a l i t yo ft h e3 8 0l o c o m o t i v ei sn o ta sg o o da st h et w o 2 c oo n eo nt h es t r a i g h t1 i n e ，b u ti th a ss m a l l e rd e r a i l m e n tc o e f f i c i e n t ， w h e e lr a i ll a t e r a lf o r c e w h e e ll o a dr e d u c t i o nr a t i oa n di n c i d e n c ea n g l e o l lt h ev e r ys m a l lr a d i u sc u r v e s b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s t h e3 8 0 l o c o m o t i v e e s p e c i a l l yr u n s o nt h o s e p o o r l i n e sw i t hm a n yc u r v e r a d i u s ( u n d e r l5 0 m 1t h er a d i a l2 c 0l o c o m o t i v ea l s oh a sa g o o d p e r f o r m a n c eo fc u r v en e g o t i a t i o nw i t hs m a l lw h e e lr a 订l a t e r a lf o r c ea n d l i g h tw h e e l r a i lw e a r a l t h o u g hi t s n o ta sg o o da st h e3b 0l o c o m o t i v e o nt h ev e r ys m a l lr a d i u sc u r v e s t h er a d i a l2 c ol o c o m o t i v eh a so b v i o u s a d v a n t a g e so nt h ec u r v e st h a tr a d i u sa r eo v e r15 0 m t h et r a d i t i o n a l2 c o l o c o m o t i v eh a st h ew o r s tp e r f o r m a n c eo fs m a l lr a d i u sc u r v en e g o t i a t i o n a n di ta d a p t st or u no nt h o s ec u r v e st h a tr a d i u sa r eo v e r4 0 0 m t h e3 8 0l o c o m o t i v eh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo nav e r ys m a l l r a d i u sc u r v e b u ti t sm i d d l eb o g i es t r u c t u r ei sm o r ec o m p l e xa n dn o t e a s yt op r o d u c ea n dm a i n t a i ns o ，t h ep a p e rp r e s e n t san e wt y p eo f3b o l o c o m o t i v es t r u c t u r ew h i c ht h em i d d l ea n de n do ft h eb o g i ec a nb e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ 一i 1iii - e x c h a n g e da n da n a l y s e s t h ef e a s i b i l i t yo fc u r v en e g o t i a t i o nw h i c h r a d i u si s6 2 mf r o mt h ev i e wo fg e o m e t r i c a lc u r v en e g o t i a t i n g e s t a b l i s h i n g t h e c o r r e s p o n d i n gd y n a m i c m o d l ea n dc o n s i d e r i n g s h e a r i n g d e f o r m a t i o no ft h e s e c o n d a r yr u b b e rs u s p e n s i o n a n dt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e o fl o c o m o t i v e ，t h e p a p e r o b t a i n st h eb e s t s e c o n d a r yl a t e r a ls t o pc l e a r a n c ef o rt h en e wt y p eo f3 b ol o c o m o t i v ea n d c a l c u l a t e si n t e g r a t e dd y n a m i cp e r f o r m a n c eu n d e rt h i ss t o pc l e a r a n c e i n a d d i t i o n t h ep a p e ra l s od e s c r i b e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et h r e e b o g i e sb a l a n c i n g t h e c e n t r i f u g a l f o r c eo fc a r b o d yb e t w e e nt h e t r a d i t i o n a l3 b nl o c o m o t i v ea n dt h en e wt y p eo b eo v e rc u r v e s r e s e a r c h s h o w st h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ed if f e r e n c eb e t w e e nt h en e wt y p eo f 3 b ol o c o m o t i v ea n dt h et r a d i t i o n a lo n ei sv e r ys m a l l t h en e wt y p eo n e n o to n l ys i m p l i t i e sm i d d l eb o g i eo ft h el o c o m o t i v es t r u c t u r e b u ta l s o m o r ea d a p t st op r o d u c t i o na n dd a i l ym a i n t e n a n c e g e n e r a l l ys p e a k i n g ， t h en e wt y p eo f3b 0l o c o m o t i v ei ss u i t a b l ef o rm o u n t a i nr a i l w a ya n d c a ns a v eal o to fc o s t s a n di th a sab o r a dp r o s p e c t k e yw o r d s ：n e wt y p eo f3b o ，b o g i e ，l o c o m o t i v e ，d y n a m i c ，m o u n t a i n r a i l w a y 西南交通大学 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 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲碥i - i 、力 w 指剐币魏世，确 日期：加啤6 f j ，f 日日甥：y 川， 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： ( 1 ) 提出三转向架互换的新型3 鼠机车转向架结构，证明了其通 过最小曲线半径62 m 的可行性，通过动力学计算分析并综合考虑二 系橡胶堆的剪切变形和机车的动力学性能，得出了该新型3 b o 机车最 佳的二系横向止档间隙。 ( 2 ) 分析了传统3 b o 机车和新型3 b o 机车曲线通过时，三个转向架 与车体相互作用力的特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景 我国的昆河线( 昆明至河口) 以及缅甸、越南等国家铁路均为轨 距为l0 0 0 m m 的米轨线，其中大部分线路在条件比较恶劣的山区。昆 河线总里程8 27 k m ，全长4 6 5 k m ，由北向南沿江河蜿蜒延伸，沿途坡 陡、弯急、隧道密，是典型的山区铁路，曲线占正线总长5 8 4 ，其 中有四成的曲线为l1o m 半径的曲线，最小曲线半径8 9 m ，线路大多采 用4 3 k g 钢轨。缅甸铁路全程35 4 0 k m ，铁路主要干线仰光一曼德勒一 密支那( 1 l6 8 k m ) 为缅甸南北铁路大动脉。仰光一曼德勒间均为平道 全长6l lk m ，以仰光一曼德勒铁路为界，东西两侧铁路支线均为山区 铁路，其中有曼德勒一眉苗一腊戌( 最大坡道4 0 ) 通往接近中国边 境；t h a zi k a l a w s h w e n y a u n ( 最大坡道4 0 ) 通往接近泰国边境。 考虑到这些线路曲线半径小、坡度大的特点，为保证机车具有足够 的牵引力，方便运输生产的组织，因此一般选用六轴内燃机车，所 以可供选择的方案有传统2 c o 机车、装有径向转向架的2 c o 机车和3 鼠 机车。国内外分别对这三种机车做过大量研究，总的来说认为这三 种机车性能各有优缺点： ( 1 ) 传统2 c o 机车：技术成熟、两个三轴转向架可互换、结构简 单、维修方便而且机车粘着性能较好，但曲线通过性能不如后两者。 ( 2 ) 装有径向转向架的2 c o 机车( 简称径向2 c o 机车) ：径向转向架 是指机车通过曲线时，转向架横向中心线及其轮对轴线能趋向曲线 半径方向一致，在理想情况下处于径向位置的转向架，其轮轨间冲 角接近于0 0 。由于车轮轮缘可不贴靠外轨侧面，所以这种转向架对线 路的冲击破坏作用力较小；轮缘和钢轨侧面的磨耗比较小【2 】。技术较 新，结构较复杂。 ( 3 ) 3 鼠机车：三个两轴转向架分为两种，装在机车两端的称为 端部转向架，装在机车中间的转向架称为中间转向架。两个端部转 向架可以互换，而中间转向架由于其特殊性，不能与端部转向架互 换【3 】。由于3 鼠机车转向架轴距短、惯性小，所以曲线通过性能优于 传统的2 c o 机车【4 】。技术成熟，中间转向架结构较复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外的发展现状 1 2 。1 国内情况 东方红2l 型内燃机车自l9 7 9 年开始在国内唯一的米轨铁路线昆 河线上运用，这些机车为云南省的经济发展发挥了重要的作用。东方 红2 1 型机车以传统的2 c o 机车为主，近年来它的转向架构架裂纹、轴 箱弹簧断裂的问题呈现逐年上升的趋势，给行车安全构成了严重的 威胁。另一方面，由于机车设计较早的原因，无论是技术性还是经济 性，均不能满足当今社会对环保和节能的要求。2 0 01 年底，四方机车 车辆厂赢得了铁道部、昆明铁路局关于订购新型米轨电传动内燃机 车的招标。铁道部、昆明铁路局和四方厂对转向架的选型和转向架 是否具有优良的曲线通过性能进行了较多的论证和比较，把新型米 轨机车转向架定位在3 b o 轴式转向架和2 c o 轴式径向转向架两种方案 上。3 b o 轴式转向架结构成熟、可靠。大连机车车辆厂曾向缅甸出1 ：3 过c k d 7 型3 b o 轴式内燃机车，该车在缅甸运用情况良好，转向架性能稳 定。2 c o 轴式径向转向架技术先进，虽然我国起步较晚，但发展机车 径向转向架在国内已取得共识，大连机车车辆厂和戚墅堰机车车辆 厂分别开发出在d f 4 d $ 1d f 8 b 型机车应用的三轴径向转向架【5 】。2 0 0 3 年，四方机车车辆厂为昆明铁路局生产的新型米轨机车就是采用径 向转向架的2 c o 机车，但由于当地米轨线路的恶劣曲线条件，几年来 运行过程中陆续出现过齿轮箱漏油、齿轮箱裂纹、构架裂纹、轴箱 挡销断裂以及中间轮对踏面严重剥离等问题。 另一方面，我国l9 8 6 年从日本进口过6 k 型6 4 0 0 k w3 b o 机车，在 起动牵引力、牵引功率等方面已满足目前我国陇海铁路的需要，但 也暴露了运行中轮对空转严重，走行部分性能不能令人满足等问题。 据初步分析，发现6 k 电力机车设计中有不够完善之处，影响了3 b o 轴 式电力机车优点的发挥 6 】。19 9 5 年我国在充分吸收、消化国外先进 机车技术基础上并结合国内开发生产电力机车所积累的成熟经验而 设计开发出具有8 0 年代水平的韶山7 型3 b o 机车，该车最高运行速度 为10 0 k m h 。为满足我国铁路客运提速要求，19 9 9 年由大同机车厂、 株洲电力机车研究所、成都机车车辆厂共同开发了持续功率4 8 0 0 k w 、 最高运行速度l7 0 k m h 的客运3 b o 机车。这些3 b o 机车均有较好的性 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 能，尤其是在条件恶劣的山区线路发挥着重要作用。 我国有许多山区铁路，迫切地需要研究能够适应山区特点的机 车，因此研究和发展我们国家自己的适应山区铁路的机车应用前景 是非常广阔的。 1 2 。2 国外情况 对于半径小而多的山区铁路，世界各国除了继续在线路方面采 取措施外，较彻底的解决办法是改进机车结构，从根本上改善轮轨间 的动力作用，如转向架间采用横向联接装置、减轻轴重、采用全悬挂 电动机结构和采用径向转向架等措施，在机车轴式改进上则以将传 统的2 c o 轴式改为3 b o 轴式最普遍【7 】。 国外对传统2 c o 机车的研究已经相当成熟了，对径向转向架的研 究也相对较早。径向转向架首先是南非为货车开发研制的s c he f f e1 转向架，于19 7 6 年投入运用。此后，许多发达国家投入大量的人力 物力对此项技术进行研究和试验，并开发出许多成熟的产品，在铁 路上投用，具体情况如下：从l9 7 8 年19 8 2 年，加拿大研制成功了d r l 型和d r 一2 型两种机车车辆径向转向架。在l9 8 0 年前西德为挪威提供 的5 台d i4 型交流传动内燃机车上，就正式应用了h e ns c h el 柔性浮动 式径向转向架，并最后移植到了ic e 高速列车上。英国自19 8 2 年开始 开发机车径向转向架，在19 8 5 年将2 台c p 5 型径向转向架装在37 型l7 5 号机车上，成功地进行了试运行。美国g m 公司的电气动力部( e b l d ) 经过近lo 年的开发研究，于l9 9 3 年成功推出了h t c r 型径向转向架， l9 9 5 年e m d 又开发出h t c r i i 型径向转向架，并装用于它新推出的 s d 8 0 m a c 型和s d 9 0 m a c 型机车上j 。 意大利为满足其山区铁路运输需要，早在l9 2 8 l9 29 年就开始 研究开发3 b o 轴式电力机车。近年来向大功率发展，l9 7 5 年制造了构 造速度1 5 0 k m h 、功率4 4 0 0 k w 的e 6 5 6 型3 b o 电力机车，该型机车采用活 接的两节车体，全悬挂空心轴传动。19 7 9 年设计制造了e 63 2 e 6 3 3 系 列3 b o 直流电力机车，最高速度分别为l6 0 k m h 和13 0 k m h 。日本铁路 弯道多、曲线半径小、坡度大，有不少铁路在山区，除新干线外都 是10 6 7 m m 窄轨，加之日本土质较松，路基不是很牢固，轴重一般不 超过16 8 t 。因此，它的机车几乎全部采用两轴转向架，大功率交流 机车采用鼠一2 一鼠轴式( 中间转向架为无动力转向架) 和3 b o 轴式。虽 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 然日本本国自19 6 8 年后没有开发新型电力机车，但在试验研究、设 计制造、结构工艺和可靠性技术等方面均有独到之处，研制的电力 机车水平较高，在国际市场上有一定竞争力，尤其是3 b o 轴式电力机 车近年来频频向外出1 ：3 。另外瑞士、法国、瑞典、新西兰、土耳其、 印度、前苏联等l4 个国家也都进行了许多卓有成效的工作。迄今， 世界上的3 b o 轴式电力机车已超过3 0 0 0 台【6 】。 1 3 论文主要研究内容 许多国家对山区铁路曲线半径小而多、坡度大的地区是继续使 用传统2 c o 机车，还是发展径向2 c o 机车或是3 b o 机车，争论不一。为 了了解三种机车适合山区小半径曲线的优劣，对三种米轨六轴机车 作理论研究是有必要的。本文研究的主要内容有： ( 1 ) 介绍三种轴式米轨六轴机车的基本结构，及在国内外的研究 现状和应用情况； ( 2 ) 利用动力学软件s i m p a c k 建立三种轴式米轨机车的动力学 仿真模型，并对比分析三种机车的直线和曲线通过尤其是小半径曲 线通过性能： ( 3 ) 提出了新型3 b o 机车的基本结构和参数，验证新型3 8 0 机车结构 通过最小曲线半径为6 2 m 曲线的可行性： ( 4 ) 建立新型3 b o 机车的动力学仿真模型，分析机车直线和曲线上 的动力学性能及二系横向止档间隙和顺坡率对机车曲线通过性能的 影响，研究传统3 b o 机车和新型3 b o 机车在过曲线时三个转向架平衡车 体离心力的特点，设计满足新型3 b o 机车要求的二系橡胶堆。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章三种米轨六轴机车动力学模型 本论文针对国内某机车车辆厂设计的米轨径向2 c o 内燃机车和 米轨3 b o 内燃机车，应用s i m p a c k 仿真软件分别建立了动力学仿真模 型，为了对比它们的动力学性能，机车均经过了结构参数优化，使 其与机车匹配，具有较好的动力学性能。 在建立机车动力学模型时作了如下处理【9 】： ( 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【l ，因 此对线路只考虑其不平顺的激扰。 2 1 三种米轨六轴机车结构特点 为了更具有比较性，使传统2 c o 机车与径向2 c n 机车尽可能主要 参数相同，建立了与径向2 c n 机车相对应的传统2 c n 机车模型，即在 径向2 c o 机车模型的基础上，将径向导向机构和端轴一系抗摇头减振 器去掉，将端轴一系纵向刚度设置成与中间轴一系纵向相同的刚度 ( 9 0 10 6y m ) ，并将导向梁的重量加在构架上，以保证轴重不变。 2 1 1 径向2 c o 机车主要结构介绍 该径向2 c o 内燃机车是由车体、构架、径向机构、电机、轴箱及 轮对等组成的自导向转向架。 车体通过二系橡胶旁承座在构架上，车体与每个构架之间配有 两个抗蛇行减振器，牵引装置采用四连杆牵引机构。构架与轴箱之 间由一系悬挂装置连接，一系悬挂装置由一系弹簧、轴箱牵引及导 向拉杆、抗摇头减振器和垂向减振器组成；轴箱通过轴承坐在车轴 上，轴箱轴承有小于0 7 m m 的自由间隙。端轴轴箱与构架无自由横 动量，中间轴轴箱与构架有l0 m m 自由横动量，每一轮对轴箱与构架 横向有4 m m 的弹性横动量。每一转向架端轴与构架之间配有四个垂向 减振器和四个抗摇头减振器；每一转向架加径向导向机构，起分流 牵引力与导向力的作用，并通过中间连杆耦合前、后轮对的反向摇 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 头运动。电机一端吊挂在构架上，一端通过滚动抱轴承抱在车轮轴 上 。 应用德国s i m p a c k 动力学仿真软件，建立米轨径向2 ( 7 0 机车动 力学仿真模型如图2 1 所示。 夕 幽21 径向2 c o 机车动力学仿真模型 2 1 2 3 鼠机车主要结构介绍 该3 b o 内燃机车整个走行部由两个端部转向架和一个中间转向架 组成。转向架主要由“日”字形构架、轮对轴箱双拉杆定位装置、 二系橡胶堆旁承支承装置、基础制动装置、车体中心销式牵引装置、 轴：悬式牵引电动机驱动装置等部件组成。中间转向架与端部转向架 结构基本一致，只是中间转向架牵引销与构架横向间隙较大；另外， 中间转向架二系橡胶堆旁承上面另设有横动装置，以满足机车通过 曲线时车体与中间转向架之间较大的横向位移，为了防上| 二振动改善 机车的运行品质，在端部转向架设置了一系垂向液压减振器和二系 横向液压减振器，而中问转向架在过曲线时相对于车体会产生大的 横向位移，因此并无液压减振器。 应用s i m p a c k 动力学仿真软件，建立米轨3 b o 机车动力学仿真 模型如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 2 3 b o 机车动力学仿真模型 2 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 精度商接影响机车车辆动力学的分析结果。 二种六轴机车轮对的踏面均采f 玎昆明铁路局提供的磨耗形踏 面，轨头形状为5 0k g 钢轨的轨头外形，轮轨的匹配情况见图2 - 3 。 从拟合的轮轨接触几何关系得到的轮轨间隙为l9 0lm m ，名义滚动圆 之问的距离为10 65 m m ，等效锥度在0 2 左右。 2 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p j ： ( 1 ) 轮轨接触几何非线性：采用昆明磨耗踏面和5 0 k g m 窿 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问蠕 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、_ 系横向、 垂向和抗蛇行减振器以及横向止档等都具有明显的非线性特性； ( 4 ) 各轮对的轴向问隙。 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 x ) = r 】 u )( 2 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 1 ) 式中 x 为系统的广义位移向量， m 】、 c 、 k 分别为机 车系统的惯性、阻尼和刚度矩阵， 尺 为转换矩阵， “ 为不平顺输入 向量12 1 。 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，少轴以前进方向的右方为正，z 轴以垂直向下为正。 轮轨接触几何关系 模型名称：比明米轨 路面外形：磨耗形蹒面 准弹f 模型：冲角为0 名义滚动侧立径：9 1 5i n l l l 轨头形状：5 0k g 钢轨轨头 轨距：1 0 0 0i i l l l 轨底坡：1 4 0 d0 0 r - - - - 75 c 兰sd o 专25 0 0 。o 兰一25 0 一一50 0 75 0 00 0 50 00 。50 0 轮缘高度： 2 & 0 0 1 ” 轮缘厚度： 2 8 , 3 0 ” m e o s mo f f l a n g eq r ： o5 。 n m l ( s o r 2 1 k e n m o s s j 型 长 蒗 涉 m e o s j r ec ftr q c k ： ( s p 吖m a s s ， 轮轨m 隙： h o r i zw h e e lo i s t o n c e f r o d o n d j 等效锥度 九侧 00 02 o 。60 0 轮对横移量( i l l l n ) 接触角( 差) j 一一 1 删 ，倔 筚 轮缘高度： 2 8 0 0 m r r , 车仑缘厚度： 2 8 0 0 【” m e o s u r eo ff l a n g e 。r 1 05 1 m m s o 坷k 矿2 。r t h 押o j s ： 图2 3三种六轴机车的轮轨接触几何关系 啪 脚 瑚 铷 瑚 ， m 卜 h 鬻一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 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【3 引。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【9 】：( 单 位：c m 2 r a d m ) 垂向不平顺 驰) = 抵 ( 2 - 2 ) 方向不平顺 趴妒怨 ( 2 - 3 ) 水平不平顺和轨距不平顺具有相同的谱密度表达式： ) = s g ( f 2 ) = 鬲 ( 2 - 4 ) 式中s ( q ) 一功率谱密度 q 一空间波数 彳彳。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 时町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 2 】。考虑 到大多数山区米轨线路条件和维护条件较差，弯急、隧道密，宜采 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 用美国4 级线路谱。 表2 1 美同轨道谱密度的参数值 线路等级 参数 123 4 56 4 ( c m 2 r a d m ) 1 2 1 0 71 o181o 6 816o 5 3 7 60 2 0 9 5o 0 3 3 9 4 ( c t n 2 r a d m ) 3 3 6 3 41 2l0 70 4 1 2 8o 3 0 2 7o 0 7 6 2o 0 3 3 9 q ，( r a d m ) 0 6 0 4 60 9 3 0 80 8 5 2 01 13l2 0 8 2 0 9 o 4 3 8 0 q 。( r a d m ) 0 8 2 4 50 8 2 4 5o 8 2 4 50 8 2 4 5o 8 2 4 5o 8 2 4 5 2 5 本章小结 用s i m p a c k 建立了三种轴式米轨六轴机车的动力学仿真模型， 介绍了径向2 c o 机车和3 b o 机车的主要结构组成，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章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 36 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。 3 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【l3 1 。 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l l 引。 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 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、止档等非线性因素考 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，运算时必须尽量保证机车初始状态失稳，计算得到非线性稳 定性临界速度才更加接近实际情况。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【1 2 。 3 2 平稳性 平稳性是一个能集中反应机车车辆稳定性、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 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 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。 表3 1 甲稳性等级评定标准【1 5 】 指标 最大加速度。x ( m s 2 ) 平稳性指标 等级垂向横向w 优 2 4 51 4 7 2 7 5 良 2 9 51 9 63 10 合格 3 6 32 4 53 4 5 国际上应用比较普遍的评价机车车辆运行平稳性的方法是 s p e r l i n g 平稳性指数法。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【i 副： w = 式中4 i 一频率为z 的振动加速度最大值，c m s 2 ，一第i 级振动频率，舷 b 。( 厂) 一频率加权函数 3 3 曲线通过性能 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 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【16 1 。 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v 通过半径为r 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 。= 在设置有超高的曲线上，机车的离心加速度g 。可表示为： g 。：罢一i h og(3-1) g c2 百一了g 1j 式中：v 一机车通过曲线时的速度( m s ) r 一曲线半径( m ) s 一左右侧轮轨接触点跨距( m m ) h o 一外轨超高( m r f l ) g 一重力加速度( 9 8 lm s 2 ) ( 3 1 ) 式两边同乘以s 儋，并令h d ：型，则 g 驴罢一h 。( 3 - 2 ) g f 【 如果h d 0 ，即离心加速度大于重力加速度横向分量，h d 称为欠 超高； 如果h d 0 ，即离心加速度小于重力加速度横向分量，h d 称为过 超高： 如果h d = 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或均衡速度 3 8 】。 3 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 。 表3 2 脱轨系数评定标准【1 5 】 脱轨系数o 60 8 o 9 评定等级优良良好合格 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 3 2 轮轨横向力( 轨排力) 轮轨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 3 8 】，轮对 的两导向力之和作为评价指标。 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( 草案) 评定：对于 木枕线路，轮轨横向力的评定标准为： 道钉弹性极限的限度q 19 + 0 3 p ，对于轴重14 t 的机车，该值为 6 0 2 k n ； 道钉屈服极限的限度q 2 9 + 0 3 p ，对于轴重14 t 的机车，该值为 7 0 2 k n