抗蛇行减振器安装方式对机车稳定性和平稳性的影响

邓小星， 陈国胜， 陈喜红

(中国中车株洲电力机车有限公司， 湖南株洲 412001)



抗蛇行减振器安装方式对机车稳定性和平稳性的影响

邓小星， 陈国胜， 陈喜红

(中国中车株洲电力机车有限公司， 湖南株洲 412001)

分析3种抗蛇行减振器安装方式时转向架的受力差异，通过动力学仿真分析研究抗蛇行减振器安装方式对机车运行稳定性和平稳性的影响。研究表明，左右对称但非平行安装方式下的机车运行稳定性和横向平稳性明显差于左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式。对于左右对称但非平行安装方式，减小抗蛇行减振器与转向架纵向中心线的夹角有利于提高机车运行稳定性和改善机车横向运行平稳性

抗蛇行； 转向架蛇行； 安装角度； 稳定性； 平稳性

随着HXD1D和HXD3D六轴机车批量投入运营，我国机车牵引客车模式的客运运输已基本步入了快速客运时代。相比六轴快速客运机车，目前运营的四轴快速客运机车仍为上世纪90年代研制成功的SS8型机车，本世纪初研制的九方、奥星、天梭等机车均未量产。以上四轴快速客运机车均采用B0转向架，最高速度为160 ～200 km/h，转向架都配置了抗蛇行减振器。但实际运用中有些四轴机车还是出现了140 km/h以上速度区间晃车等问题，晃车原因之一为转向架蛇行运动稳定性裕量不足。而转向架蛇行运动稳定性与抗蛇行减振器的参数及其安装方式均有密切关系。若忽略了抗蛇行减振器安装方式的影响，单纯进行抗蛇行减振器的参数优化对提升机车蛇行运动稳定性效果有限。本文将就抗蛇行减振器安装方式对机车运行稳定性和平稳性的影响进行讨论。

1　抗蛇行减振器3种安装方式

转向架抗蛇行减振器通常安装在构架侧梁与车体边梁之间。按照左、右抗蛇行减振器的相互位置关系大概可以将抗蛇行减振器安装方式归为以下3类，如图1：(a)左右对称但非平行安装方式；(b)左右对称且平行安装方式；(c)斜对称安装方式。

2　3种安装方式的力学分析

对于图1(a)所示的抗蛇行减振器左右对称但非平行安装方式，当转向架顺时针摇头时，一侧的抗蛇行减振器受拉力F11，由于减振器为二力杆结构，力F11的方向为减振器两端关节的连线，力F11可以分解为纵向分力和横向分力F11y；另一侧的抗蛇行减振器受压力F12，F12与F11大小相等，力F12可以分解为纵向分力和横向分力F12y；F11与F12纵向分力大小相等、方向相反，互相抵消；而横向分力F11y和横向分力F12y则大小相等、方向相同，因此构架和车体受到的横向合力为F11y+F12y。

对于图1(b)所示的抗蛇行减振器左右对称且平行安装方式，当转向架顺时针摇头时，一侧的抗蛇行减振器受拉力F21，由于减振器与转向架中心线平行，力F21横向分力0；另一侧的抗蛇行减振器受压力F22，F22与F21大小相等，且力F22的横向分力同样为0。因此构架和车体受到的横向合力为0。

对于图1(c)所示的抗蛇行减振器斜对称安装方式，当转向架顺时针摇头时，一侧的抗蛇行减振器受拉力F31，力F31可以分解为纵向分力和横向分力F31y；另一侧的抗蛇行减振器同样受拉力F32，F32与F31大小相等，力F32可以分解为纵向分力和横向分力F32y；F31与F32纵向分力大小相等、方向相反，互相抵消；横向分力F31y和横向分力F32y也是大小相等、方向相反，因此构架和车体受到的横向合力为0。

3种抗蛇行减振器安装方式中，只有抗蛇行减振器左右对称但非平行安装方式的构架和车体横向受力不为0，且横向受力与减振器和转向架纵向中心线的夹角正相关。

另外，左右对称但非平行安装方式和斜对称安装方式情况下，抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角将给二系悬挂附加一部分横向阻尼，该附加横向阻尼也将一定程度地影响机车横向平稳性。

图1　抗蛇行减振器不同安装方式

3　3种安装方式对稳定性的影响

建立了某四轴快速客运机车的动力学模型。该动力学模型包含车体、构架、牵引电机、轮对共11个刚体，共66个自由度；每个转向架包含4个一系弹簧组、2个二系弹簧、4个一系垂向减振器、2个二系垂向减振器、2个二系横向减振器和2个抗蛇行减振器，该动力学模型详细考虑了各减振器两端的安装位置。机车的主要结构和悬挂参数见表1。

计算了3种抗蛇行减振器安装方式下的机车稳定性和平稳性，3种计算动力学模型只有抗蛇行减振器安装位置不同，其他参数完全一致。3种安装方式下的第1轮对极限环见图2，左右对称但非平行安装方式下的第1轮对横移极限环随速度递增，而左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式下的第1轮对横移极限环在500 km/h速度范围内都为0。

当机车运行速度为350 km/h时，3种抗蛇行减振器安装方式下的第1轮对收敛情况见图3。其中，左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式下的第1轮对横移很快收敛为0，而左右对称但非平行安装方式下的第1轮对横移出现了约2 mm的等幅振荡，无法有效收敛。

综上，左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式下的机车稳定性明显好于左右对称但非平行安装方式。

表1　机车主要结构和悬挂参数

图2　3种安装方式下的轮对横移极限环

图3　速度350 km/h时的轮对横移

4　左右对称但非平行安装方式下夹角对运行稳定性和平稳性的影响

可以推测，在抗蛇行减振器左右对称但非平行安装方式下机车稳定性较低的原因与构架和车体受到的横向合力F11y+F12y有关，即转向架摇头运动的同时不可避免的施加于转向架自身一个横向力，从而造成转向架摇头运动与横移运动的耦合。

该横向力与抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角(如图1(a)中的β1)正相关。因此，在不改变其他参数的情况下，通过改变夹角β1对机车稳定性及平稳性进行了动力学计算，见图4。当夹角β1为4°和8°时，第一轮对横移极限环在500 km/h速度范围内都为0；夹角β1为12°时，速度超过350 km/h时第一轮对横移极限环明显增大，最大约2.5 mm；夹角β1为16°时，速度超过250 km/h时第一轮对横移极限环明显增大，最大约5 mm；夹角β1为20°时，速度超过200 km/h时第一轮对横移极限环迅速增大，最大达到了轮轨间隙8 mm。因此，抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角β1越大，其蛇行运动稳定性越低。从提高机车蛇行运动稳定性角度考虑，该机车的夹角β1不宜超过8°。

图4　不同夹角下的轮对极限环

抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角β1对机车平稳性的影响见图5和图6。其中，夹角β1越大，则机车的横向平稳性指标越大，而机车的垂向平稳性指标则与该夹角关系不大。机车的横向平稳性指标增大主要原因是受横向合力F11y+F12y及由夹角β1带来的附加二系横向阻尼的双重影响。

图5　不同夹角下的机车横向平稳性

因此，在抗蛇行减振器左右对称但非平行安装方式下，减小抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角β1对提高机车稳定性和改善机车横向运行平稳性均为有益。

图6　不同夹角下的机车垂向平稳性

5　结论

左右对称但非平行安装方式、左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式3种抗蛇行减振器安装方式中，只有左右对称但非平行安装方式下的构架和车体横向受力不为0，即转向架摇头运动的同时不可避免的施加于转向架自身一个横向力，从而造成转向架摇头运动与横移运动的耦合。受其影响，左右对称但非平行安装方式下的机车运行稳定性明显差于左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式。

在抗蛇行减振器左右对称但非平行安装方式下，抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角与机车稳定性和横向平稳性有密切关系。减小该夹角对提高机车运行稳定性和改善机车横向运行平稳性均为有益。

机车抗蛇行减振器的优选安装方式为左右对称且平行安装方式和斜对称安装方式；若选择左右对称但非平行安装方式，则应控制抗蛇行减振器和转向架纵向中心线的夹角值不应太大。

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DENGXiaoxing,CHENGuosheng,CHENXihong

(CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China)

The paper analyzes the bogie force difference of three installation ways of yaw dampers, and studies the influence of yaw dampers installation way on locomotive stability and comfort through dynamics simulation. The study shows that locomotive's stability and comfort is much better when anti-hunting dampers are left-right symmetrically & parallel installed or skew symmetrically installed than left-right symmetrically and non-parallel installed. When locomotive's anti-hunting dampers are left-right symmetrically & non-parallel installed, reducing the angle between anti-hunting damper and bogie longitudinal center line is benefit for improving locomotive's stability and comfort.

anti-hunting; bogie hunting; installation angle; stability; comfort

1008-7842 (2016) 02-0024-03

��)男，工程师(

2015-11-15)

U260.11+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.05