32t轴重机车横向止挡参数优化分析

宋 昊，罗 贇，王坤全

（1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031；2 中国南车集团 资阳机车有限公司，四川资阳643100）

随着我国铁路的发展，实现重载运输以及适当提速是提高铁路运输能力的有效途径，要达到牵引重载列车的要求，机车必须具有非常大的牵引力，而增加轴重是提高机车牵引力的有效方式之一，我国正在大秦线上运行的HXD1、HXD2大功率机车采用了25t轴重，国内已经研发了大轴重货车转向架［1］。

轴重的增加有效地提高了机车的牵引力，也带来了诸如轮轨力增大等一系列技术问题。合理的机车设计参数可以尽可能降低轮轨动作用力。此前有文献［2］针对23t、25t、30t不同轴重以及一二系悬挂参数对重载机车动力学性能的影响进行了理论分析。文献［3］针对巴西铁路对30t以上轴重机车的需求，在比较了单拉杆和双拉杆轴箱定位方式，以及单牵引拉杆和中心销牵引方式的动力学性能基础上，提出了32t轴重机车3轴转向架初步设计方案。文献［4］对32t轴重机车的转向架总体方案进行了探讨。本文在文献［3］基础上，进一步从参数优化的角度分析了一系横向弹性间隙和止挡刚度，以及二系止档结构参数对大轴重机车动力学性能的影响，得到合理的参数范围，以实现机车稳定性、直线平稳性以及曲线通过性能的理想配置，为大轴重机车转向架设计提供参考。

1 计算模型

2C0轴式内燃机车由车体、2台构架、6台牵引电动机和6个轮对组成。由于机车运用线路较差（考虑巴西铁路线路条件和运行状况），因此32t3轴转向架机车采用一系软二系硬的悬挂装置，一系悬挂由钢圆弹簧、轴箱拉杆以及垂向减振器组成；二系悬挂为4点支撑的橡胶堆配横垂向减振器。机车的具体结构、自由度及广义坐标参见文献［3］，机车采用单轴箱拉杆和中心销牵引，图1是在SIMPACK中建立的6轴机车物理模型。轨道不平顺按差功率谱转换的时域随机不平顺线路，横向不平顺比AAR2略好，垂向不平顺比AAR2略差。

图2是机车一二系横向止挡示意图以及一系横向止挡非线性特性曲线。（c）图中0.4mm为机车轴箱自由间隙，轮对和构架间相对位移超过弹性间隙后，一系止挡开始作用。

图1 机车在SIMPACK中的物理模型

图2 （a）一系横向止挡示意图

图2 （b）二系横向止挡示意图

图2 （c）一系横向止挡非线性特性

2 一系弹性间隙和止挡刚度优化分析

通过在轴端设置弹性横动装置有助于改善机车动力曲线通过［5］性能，但对机车直线运行性能也有一定的影响，机车直线运行时计算结果表明，一系横向止挡处最大位移已经远远超过轴箱自由间隙，因此需要通过研究一系弹性间隙和止挡刚度的不同参数值对机车动力学性能的影响，得到相对最优值。

2.1 端轴一系横向弹性间隙和弹性止挡刚度

首先分析一系横向弹性间隙和弹性止挡刚度对机车直线运行性能的影响。由于机车运用线路较差，通常最高运用速度仅为60km／h，因此直线工况分析采用80km／h的速度。图3是机车直线运行时，端轴横向弹性间隙在1～8mm，止挡刚度在5.0～15.0MN／m范围内的计算结果。结果表明横向平稳性指标略微有变化，间隙在3mm左右指标最小，影响幅度在1%以下，轮轴横向力在2～3mm时最大，横向力影响幅度在10%以内。

图3 端轴一系横向弹性间隙和止挡刚度对机车直线性能的影响

图4 端轴一系横向弹性间隙对机车R300m曲线通过性能的影响

图4是机车以均衡速度（未平衡离心加速度Aq＝0m／s2，速度为21.37km／h）通过超高20mm、缓和曲线20m、圆曲线200m、半径R300m曲线时，端轴横向弹性间隙在1～8mm范围内的计算结果。结果表明，间隙变化对横向平稳性指标、脱轨系数以及摇头角影响甚微，对轮轴横向力略有影响，间隙在3mm左右轮轴横向力最大，摇头角最小。

图5是在机车以均衡速度通过超高20mm，圆曲线200m，半径R300m曲线时，端轴横向弹性间隙1.5 mm，横向弹性止挡刚度在1.0～100.0MN／m范围内的计算结果。结果说明，减小横向弹性止挡刚度可以降低轮轴横向力和脱轨系数，当横向弹性止挡刚度小于10MN／m后影响减弱。

图5 端轴一系横向弹性止挡刚度对机车R300m曲线通过性能的影响

通过以上计算，建议端轴横向弹性间隙在1～3 mm，止挡刚度在5.0～10.0MN／m范围内。

2.3 中间轴一系横向弹性间隙

由于该机车主要运用在小半径低速条件，因此分析中间轴一系横向弹性间隙对小半径曲线通过性能的影响。机车以均衡速度通过超高20mm，圆曲线200m，半径R300m曲线时，中间轴横向弹性间隙的变化对最大轮轴横向力和脱轨系数影响较大，计算结果见图6。结果说明，增大中间轴横向弹性间隙可以降低轮轴横向力和脱轨系数，当间隙大于16mm后影响减弱，间隙大于18mm后影响甚微。因此建议一系横向弹性间隙取16～20mm。

3 二系横向止挡参数对动力学性能的影响

在车体和转向架间设置二系横动装置，能缓和不平顺曲线对机车的冲击［5］。

二系止挡自由间隙设置为30mm，直线运行时二系横向止挡处最大位移为27mm，说明直线上二系止挡不接触，止挡自由间隙设置是合理的。

通过曲线轨道时，车体与构架横向相对位移大，容易达到止挡间隙，因此选取机车以80km／h速度通过超高20mm的R800m半径具有差不平顺的曲线工况进行分析。由于二系横向止挡承受的冲击力为低频力，经一系悬挂衰减后，对轮轨动态相互作用的影响甚微［6］，因此主要考虑二系横向止挡弹性间隙和刚度对止挡处的横向位移和作用力的影响。图7表明二系横向止挡弹性间隙小于10mm时，随着间隙的减小，止挡变形减少，但是止挡横向作用力迅速增大。当间隙大于10 mm后，随着弹性止挡刚度的增加，止挡变形减小，但是止挡横向作用力增大。止挡刚度为2MN／m时，间隙大于9.5mm，止挡弹性间隙完全用完。此时圆曲线上止挡处变形量的均值为20mm左右，可见止挡自由间隙设置合理。

图6 中间轴一系横向弹性间隙对机车R300m曲线通过性能的影响

图7 R800m半径二系横向止挡间隙和刚度对止挡横向位移和作用力的影响

4 结论

通过对32t轴重机车转向架轴端间隙以及横向止挡结构参数进行优化分析，可以得出以下结论：

（1）一系端轴横向弹性间隙和止挡刚度对车辆横向平稳性、脱轨系数、轮轴横向力以及摇头角均有不同程度的影响，但对前3项影响很小，对轮轴横向力影响较大。建议端轴横向弹性间隙在1～3mm，止挡刚度在5.0～10.0MN／m。

（2）由于该机车主要运用在小半径低速条件，因此分析机车通过半径R300曲线时中间轴一系横向弹性间隙对轮轴横向力和脱轨系数的影响，得到参数范围16～20mm。

（3）通过分析直线和曲线运行时，二系止挡处的横向位移和横向力，得到二系止挡自由间隙30mm，弹性间隙范围10～12mm，以及止挡刚度范围4.0～8.0 MN／m。

以上结果表明横向止挡影响大轴重机车的动力学性能，因此研究止挡动力学参数具有重要意义。止挡参数优化分析也为大轴重机车的设计研究提供了参考。

［1］邵文东，董黎生，兆文忠，谢素明.出口澳大利亚35.7t轴重货车转向架的研制［J］.铁道车辆，2008，46（2）：27－30.

［2］杜建华，陈 康.轴重及悬挂参数对大功率六轴交流传动机车运行平稳性的影响［J］.内燃机车，2010，（10）：1－4.

［3］王坤全，罗 赟，张红军.32t轴重机车转向架设计方案及动力学性能分析［J］.铁道机车车辆，2010，30（1）：4－7.

［4］王坤全.32t大轴重交流传动机车转向架方案探讨［J］.铁道机车车辆，2011，31（1）：86－89.

［5］鲍维千.机车总体及转向架［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［6］刘建新，王开云，封全保.机车车辆二系横向止挡结构参数［J］.西南交通大学学报，2008，43（4）：469－472.