32t軸重機車轉(zhuǎn)向架設計方案及動力學性能分析

王坤全,羅 赟,張紅軍

(1 中國南車集團公司 資陽機車有限公司,四川資陽643100;2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)

發(fā)展大軸重機車車輛是世界鐵路貨運發(fā)展的大趨勢,從20世紀70年代開始,北美鐵路公司為了提高運輸經(jīng)濟效益,逐步將軸重提高到了30 t,美國GE公司和EMD公司也為此生產(chǎn)了大量的32t軸重的內(nèi)燃機車。加拿大、巴西、澳大利亞在其主要干線的重載運輸中均采用了軸重30 t的列車[1,2];歐洲在斯堪的納維亞也采用了30 t軸重列車的運輸[3]。我國鐵路主要技術政策也指出“新建貨運重載專線機車、貨車可以大于25T”,國內(nèi)也在研發(fā)大軸重貨運機車[4,5]。

目前巴西鐵路30 t軸重機車情況見表1,這些機車都是C0—C0軸式的。

資陽機車有限公司針對巴西鐵路對30 t以上軸重機車的需求,初步設計了32t軸重機車3軸轉(zhuǎn)向架方案,設計最高運行速度100 km/h,本文根據(jù)運行情況,詳細計算分析,分別比較了單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式,以及單牽引拉桿和中心銷牽引方式的動力學性能,為確定轉(zhuǎn)向架方案提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)向架設計方案

考慮到運用線路比較差,32t軸重3軸轉(zhuǎn)向架機車采用了一系軟二系硬的懸掛,一系懸掛為鋼圓彈簧配垂向減振器(端軸),二系采用4點支撐的橡膠堆,并配橫向減振器;軸箱設計了單拉桿和雙拉桿兩種定位方式;驅(qū)動單元由交流電機加齒輪傳動系統(tǒng)組成,采用軸懸方式,電機通過吊桿單點懸掛在構架橫梁上;牽引考慮了低位單拉桿和中心銷兩種牽引方式;制動采用踏面制動。單牽引拉桿一端與構架牽引橫梁連接,另一端與車體牽引座連接;中心銷與車體牽引座連接,同時通過兩根擺桿與構架牽引橫梁連接。主要參數(shù)見表2,轉(zhuǎn)向架結(jié)構方案見圖1和圖2。

表1 巴西30 t軸重機車情況[2]

2 計算模型

2C0軸式內(nèi)燃機車由車體、兩個構架、6個牽引電動機和6個輪對組成。車體和構架間由二系懸掛裝置連接,

表2 32t軸重3軸轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)表

圖1 單拉桿軸箱和中心銷牽引方案圖

二系懸掛裝置由每側(cè)兩組橡膠堆、兩個橫向減振器構成;構架和輪對之間由一系懸掛裝置連接,一系懸掛裝置由一系彈簧、軸箱拉桿和垂向減振器(端軸)組成。牽引電動機與輪對通過抱軸承連接,同時通過一根吊桿懸掛在構架上。

計算模型的自由度及廣義坐標見表3,共23個剛體,總計75個自由度。

采用AAR-RP-633 MSRP G-Ⅱ76 2004標準機車踏面與UIC60 kg/m鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關系,軌道不平順采用按較差功率譜轉(zhuǎn)換的時域隨機不平順線路。

用數(shù)值積分方法求解,考慮了輪軌接觸幾何和蠕滑關系的非線性、輪對自由橫動量和軸箱橫向止擋的非線性、二系橫向彈性和剛性止擋的非線性以及各減振器的非線性特性。

表3 2C0軸式軸懸機車模型的自由度及廣義坐標

3 一系軸箱兩種方案的比較

在相同牽引方式下,比較分析軸箱定位方式對機車動力學性能的影響。

3.1 非線性穩(wěn)定性

圖3是32t軸重軸箱單拉桿和雙拉桿方案機車在不同速度下輪對橫向振動極限環(huán)振幅曲線。

結(jié)果說明機車運行速度低于200 km/h時,系統(tǒng)存在軸箱自由間隙內(nèi)比較小的穩(wěn)定極限環(huán)。兩種軸箱拉桿方式下,機車非線性臨界速度都大于200 km/h,可以滿足最大運用速度100 km/h的要求。

3.2 直線運行平穩(wěn)性

機車單軸箱拉桿與雙軸箱拉桿方案以20～120 km/h速度在具有較差不平順直線軌道上運行時,前、后司機室車體橫向和垂向平穩(wěn)性指標見圖4和圖5。圖6是兩種方案機車端軸輪軸橫向力隨速度變化的曲線。

計算結(jié)果說明,雙拉桿方案直線運行橫向平穩(wěn)性指標和加速度略優(yōu)于單拉桿方案,尤其在運行速度超過60 km/h以上;但是輪軸橫向力略大于單拉桿方案;直線運行垂向性能兩種方案差別不大。

3.3 最小半徑曲線準靜態(tài)通過性能

圖3 一系方案對機車非線性穩(wěn)定性的影響

圖4 直線運行橫向平穩(wěn)性指標比較

圖5 直線運行垂向平穩(wěn)性指標比較

圖6 直線運行輪軸橫向力比較

機車以5 km/h速度通過加寬16 mm、無超高的100～140 m半徑光滑曲線的準靜態(tài)曲線通過計算結(jié)果見表4。表中列出了最大的輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪緣磨耗因子。UIC518規(guī)定橫向力極限值為lim∑(2m)=1.0(10+2Q0/3)=114.6 kN,脫軌系數(shù)應不大于0.8。

結(jié)果顯示:(1)按照脫軌系數(shù)限制的最小曲線半徑小于按照輪軸橫向力極限值;(2)機車單拉桿方案理論上可以通過的最小曲線半徑為121 m,雙拉桿方案理論上可以通過的最小曲線半徑為129 m;(3)100～140 m半徑曲線上,除脫軌系數(shù)略大外,單拉桿方案機車第1輪對的準靜態(tài)動力學指標都比雙拉桿方案略小,尤其輪緣磨耗因子可以降低15%以上。

表4 80～180 m半徑曲線上第1輪對的準靜態(tài)動力學指標

3.4 動態(tài)曲線通過性能

機車以21.37～34.89 km/h均衡速度和未平衡離心加速度Aq=0.2m/s2速度通過超高20mm的300～800 m半徑具有較差不平順曲線,輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率平均值和最大值計算結(jié)果見圖7～圖9。

圖中機車單軸箱拉桿方案通過曲線各輪對中最大的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率平均值都略大于雙拉桿方案。

圖7 動態(tài)曲線通過橫向力比較

由圖7可見,橫向力最大值在機車以均衡速度通過,曲線半徑小于500m時,單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于500 m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。以未平衡離心加速度0.2 m/s2通過,曲線半徑小于400 m時,單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于400 m,單拉桿方案大于雙拉桿方案。

圖8中,脫軌系數(shù)最大值在機車以均衡速度通過,曲線半徑小于600 m時,單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于600m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。以未平衡離心加速度0.2m/s2通過,曲線半徑小于400m時,單拉桿方案小于雙拉桿方案;半徑大于400 m后,單拉桿方案大于雙拉桿方案。

圖8 動態(tài)曲線通過脫軌系數(shù)比較

圖9 動態(tài)曲線通過輪重減載率比較

由于兩種方案垂向靜撓度相同,輪重減載率最大值差別微小。

計算結(jié)果說明單拉桿方案在小半徑曲線通過時,性能略優(yōu)于雙拉桿方案;雙拉桿方案在提高曲線通過速度和曲線半徑增大時,比單拉桿方案略具有優(yōu)勢?？紤]到巴西鐵路的運用條件,建議采用單拉桿方案。

4 牽引方式的比較

4.1 軸重轉(zhuǎn)移

機車的起動牽引力每軸129.2 kN。采用中心銷牽引,牽引高度為1 015 mm;采用單牽引桿牽引,牽引高度為570mm。表5是機車各方案軸重轉(zhuǎn)移計算結(jié)果。

單牽引桿可以實現(xiàn)最佳黏著利用率,但是由于機車一系軟、二系硬,采用中心銷牽引方式,機車的黏著利用率也能達到92%。

表5 不同牽引方式機車軸重轉(zhuǎn)移比較

4.2 牽引方式對動力學性能的影響

計算機車勻速通過表6的不同工況。單牽引桿或中心銷牽引方案時,機車輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體平穩(wěn)性指標和加速度最大值分別見表7～表11。

表6 牽引方式比較計算工況

表7 不同牽引方式橫向力統(tǒng)計最大值/kN

表8 不同牽引方式脫軌系數(shù)統(tǒng)計最大值

表9 不同牽引方式輪重減載率統(tǒng)計最大值

表10 不同牽引方式橫向性能比較

表11 不同牽引方式垂向性能比較

在計算的3種工況中,兩種牽引方案動力學性能差別甚微?？紤]到中心銷為巴西鐵路所熟悉,建議采用中心銷牽引方式。

5 結(jié)論

通過對32t軸重機車一系單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式動力學性能比較分析,得出以下結(jié)論:

(1)機車兩種方案的準線性臨界速度和非線性臨界速度都可以滿足最大運用速度100 km/h的要求。

(2)雙拉桿方案直線運行橫向平穩(wěn)性指標和加速度略優(yōu)于單拉桿方案,尤其在運行速度超過60 km/h以上;但是輪軸橫向力略大于單拉桿方案;兩種方案直線運行垂向性能差別不大。

(3)理論上機車單拉桿方案可以通過的最小曲線半徑為121 m,雙拉桿方案可以通過的最小曲線半徑為129 m。降低二系橡膠堆縱橫向剛度,或者減小內(nèi)外橡膠堆縱向間距都可以有效地減小機車通過的最小曲線半徑。

(4)單拉桿方案在小半徑曲線通過時,性能略優(yōu)于雙拉桿方案;雙拉桿方案在提高曲線通過速度和曲線半徑增大時,又比單拉桿方案略具有優(yōu)勢。

通過對32t軸重機車單牽引桿牽引方案和中心銷牽引方案的軸重轉(zhuǎn)移和動力學性能比較,得出如下結(jié)論:

(1)單牽引桿牽引可以實現(xiàn)最佳黏著利用率94.12%,但是采用中心銷牽引方式,機車的黏著利用率也達到92%。

(2)機車兩種牽引方案直線和曲線通過動力學性能差別甚微。

建議機車采用單軸箱拉桿和中心銷牽引方案。

[1]丁旭杰,程海濤.貨車軸重與速度的匹配關系研究綜述[J].鐵道車輛,2003,41(8):4-7.

[2]Ken Harris.Jane's World Railways[M].UK:Jane's In formation Group Limited,2006-2007.

[3]I.Korpanec,等(法).歐洲增加軸重的現(xiàn)狀及展望[J].國外鐵道車輛,2007,44(6):1-6.

[4]齊斐斐,黃運華,李 芾.30 t軸重貨車速度匹配及其輪徑選擇研究[J].鐵道機車車輛,2009,29(2):17-19,51.

[5]邵文東,董黎生,兆文忠,謝素明.出口澳大利亞35.17 t軸重貨車轉(zhuǎn)向架的研制[J].鐵道車輛,2008,46(2):27-30.