（交通运输工程专业论文）机车调簧研究与车体调簧试验台设计.pdf

摘要 机车轮( 轴) 重分配的均匀性，对于高速重载铁路机车牵引粘着性能、制动 性能和动力学性能的发挥至关重要。具有两系悬挂结构的机车，其一、二系支承 弹簧载荷分布状态，对机车轮( 轴) 重分配的影响起着决定的作用。研究表明， 机车超静定支承结构、各个轮对与机车弹性连接的综合刚度偏差及变形量偏差、 以及机车重心的偏离，都必然导致各个轮对承重的不均匀。本文理论研究的重点 就是，要在渊得机车或车体重心偏离值的自f 提下，结合各个弹簧支承处实际综合 刚度值，通过调整机车各个弹性支承处的实际变形量( 即加垫片，通称调簧) ， 使机车各个轮对中承载量对平均承载量的最大偏差值处于最小。即： 1 、在已知机车重心偏离值时，推导出求取各个轮对中承载量对平均承载量 的最大偏差处于最小的值。 2 、给出在这种最小值状态时的轮对承载量分配方案。 3 、给出了调整一、二系弹簧处的垫片厚度达到这个状态的方法。 4 、给出了在现有机车制造标准条件下，机车通过调簧，使其达到上述理想 状态时，各型机车重心偏离的最大允差。 本文还根据上述研究的结果，提出了解决调簧问题的两试验台方案。鄂分别 开发设计转向架称重调簧试验台和车体称重调簧试验台，对一系弹簧和二系弹簧 分别在各自的试验台上进行调整。经研究分析，本论文对两个试验台的研制，分 别提出了设计要求。 论文还着重对车体称重调簧试验台的具体开发设计作了介绍。研究表明，在 现有机车结构和实际制造条件下，二系载荷分配不理想，是机车各个轮重分配不 均匀的主要原因。开发设计车体称重调簧试验台，对改善轮重分配不均匀有着重 要意义。车体称重调簧试验台，就是通过对车体各二系簧加垫厚度的优化调整( 简 称为“二系调簧”，下同) ，最大限度地减小机车制造过程中，在车体二系支承高 度方向上的各个零部件尺寸、车体及弹簧刚度参数等，所产生误差的影响，使各 个二系支承载荷中的最大偏差值变得尽可能的小。由此，最终使得机车轴重分配 尽可能的均匀。 最后，试验台经过实际制造、安装、调试和实际应用，验证了理论研究的正 确性。通过对实际各型机车车体的检测与调簧试验，还发现机车车体设计制造过 程中存在的问题，并提出了相应的改进性建议。同时，论文对后续研究工作提出 了进一步的设想和打算。 关键词机车：轴重分配；二系载荷；调簧；试验台 l i a b s t r a c t t h eu n i f o r m i t yo fl o a dd i s t r i b u t i o no fl o c o m o t i v ew h e e l s ( a x l e s ) p l a y sa l l e s s e n t i a lr o l ei nt h ea d h e r e n c eo fh a u l i n gc a p a b i l i t ya n dd y n a m i ca n db r a k e p e r f o r m a n c ef o rh i g h - s p e e da n dh e a v y l o a dl o c o m o t i v e s f o rt h el o c o m o t i v ew i t h s e c o n d a r yh a n g i n gs t r u c t u r e ，i t ss u p p o r t i n gs p r i n gl o a dd i s t r i b u t i o ni st h em a i nf a c t o r t oi n f l u e n c ew e i g h td i s t r i b u t i o no f l o c o m o t i v ew h e e l s ( a x l e s ) t h es t a t i c a l l y i n d e t e r m i n a t e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e , t i md e v i a t i o no fs y n t h e t i c a lr i g i d i t y a n d d e f o r m a t i o ni nt h ee l a s t i cc o n n e c t i o nb e t w e e ne a c hw h e e l s e ta n dl o c o m o t i v ea n dt h e d e v i a t i o no ft h eg r a v i t yc e n t e ro fl o c o m o t i v es h a l lc o n s e q u e n t i o n a l l yc a u s el o a do n e a c hw h c e l s e tn o tu n i f o r m t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st om i n i m i z et h eu l t i m a t e d e v i a t i o no fe a c hw h e e ll o a df r o mm e a nl o a db ya d j u s t i n ga c t u a ld e f o r m a t i o n ( a d d w a s h e r ，“s p r i n ga d j u s t m e m 1f o rs h o r t ) a s s o c i a t i n gw i t ha c t u a ls y n t h e t i c a lr i g i d i t yo f e a c hs p r i n gs u p p o r t i n go nt h eb a s i so f m e a s u r i n gt h ev a l u eo f g r a v i t yc e n t e rd e v i a t i o n c o n t e n t sa sf o l l o w i n g ： 1 e d u c et h em i n i m u mv a l u eo ft h em a x i m a ld e v i a t i o n so fe a c hw h c e l s e t l o a df r o mm e a i ll o a dw h e nl o c o m o t i v eg r a v i t yc e n t e rd e v i a t i o ni sk n o w n ， 2 g i v et h es c h e m et od i s t i l b u t et h ew h c e l s e tl o a du n d e rt h em i n i m u m s t a t u s 3 g i v et h ew a yt or e a c ht h es t a t u sb ya d j u s t i n gt h et h i c k n e s so f p r i m a r ya n d s e c o n d a r ys p r i n g 4 g i v et h em a x i m u ma c c e p t e dd e v i a t i o nv a l u eo fg r a v i t yc e n t e ro fe a c h t y p el o c o m o t i v ei fm e 吼a b o v ep e r f e c ts t a t u sb y 删u s t i n gs p r i n gu n d e r e x i s t i n gm a n u f a c t u r es t a n d a r do f l o c o m o t i v e a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o nr e s u l t i n gf r o ma b o v es t u d y , t w op r o j e c t st os o l v e t h es p r i n ga d j u s t m e n tp r o b l e ma r eb r o u g h tf o r w a r d t h e ya r cd e s i g nr e s p e c t i v e l yf o r b o g i el o a dt e s t i n gs p r i n gt e s t - r i ga n d l o c o m o t i v eb o d yl o a dt e s t i n gs p r i n gt e s t - f i g t h e f i r s ts p r i n ga n dt h es e c o n d a r ys p r i n ga r ca d j u s t e ai nt h e i ro w nt e s t - r i g b yt h e r e s e a g f c h , t h i spa ：p e rp u t sf o r w a r dd e s i g nr e q u i r e m e n t s f o rt h et w ot e s t - r i g s m a n u f a c t u r e i ta l s og i v e st h em a i ni n t r o d u c t i o no f s p e c i f i cd e v e l o p m e n ta n dd e s i g nr e l a t i n gt o t h el o c o m o t i v eb o d yl o a dt e s t i n gs p r i n gt e s t - r i g t h ea x l el o a dd i s t r i b u t i o ni sn o t i l l u n i f o r m ，t h i si sm a i n l yd u et oi m p e r f e c td i s t r i b u t i o no fs e c o n d a r yl o a du n d e rt h e l o c o m o t i v es t r u c t u r ee x i s t e da n da c t l 1 a lm a n u f a c t u r e i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa n d d e s i g nl o c o m o t i v eb o d yl o a dt e s t i n gs p r i n gt e s t r i gt oi m p r o v ea x l el o a dd i s t r i b u t i o n t h et e s t - r i go fl o c o m o t i v eb o d yl o a dt e s ts p r i n gs h a l lf u r t h e s tm i n i m i z et h ei n f l u e n c e o f d a t a e r r o r o f l o c o m o t i v e b o d y a n ds p r i n ga n dc l e a r a n c e o f s u p p o r t i n g h e i g h t a n ds o o i lc a u s e dd u r i n gm a n u f a c t u r eb yo p t i m a la d j u s t i n gw i t hi n c r e a s i n gt h i c k n e s so fe a c h s e c o n d a r ys p r i n go fl o c o m o t i v eb o d y ( “s e c o n 妇 ys p r i n ga d j u s t m e m f o rs h o r t ) w h i c h i st h em o s te f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ea x l el o a dd i s t r i b u t i o nt om i n i m i z et h ed e v i a t i o n o fl o a dd i s t r i b u t i o no ns e c o n d a r ys u p p o r t i n g f i n a l l y , a f t e ra c t u a lm a n u f a c t u r e ，m o u n t i n g ，c o m m i s s i o n i n ga n da p p l i c a t i o n ，t h e t e s t r i gc o n f i r m st h ea c a d e m i er e s e a r c h t h ee n do f t h i sp a p e rs h a l lp u tf o r w a r ds o m e r e f o r m a t i v es u g g e s t i o n so nt e s t - r i ga n da l s os o m ea d v i e e sr e l a t i n gs o m eq u e s t i o n si n l o c o m o t i v eb o d ym a n u f a c t u r et h r o u g ha c t u a lt e s to f e a c ht y p el o c o m o t i v eb o d y k e yw o r d sl o c o m o t i v e ，a x l el o a dd i s t r i b u t i o n , t h es e c o n d a r yl o a d ，s p r i n g a d j u s t m e n t ，t e s t - r i g 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的各项贡献均己在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 缉 日期：羔丝心上月乒日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文的规定被查阅和借阅；学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名：謦幽期：巫年上月二卜日 工程硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 。1 选题背景和意义 铁路作为传统产业，在我国将仍然起着交通的主导作用。铁路通过积极吸纳当代 高新技术，在高速和重载方面，取得了令世人瞩目的成就。当前世界旅客列车的试验 速度超过5 0 0 k m h ，单列货车牵引总重达7 万2 千多吨。依靠信息技术的支持，铁路 运输过程实现了全面自动化和服务现代化，智能铁路的轮廓正在显现【i i 。 铁路运输的高速、重载，对机车的制造质量与运行品质都提出了更高的要求。其 中，在现有机车结构变化不太的前提下，要求其牵引力大，同时要求其轴重轻，就是 机车要控制的关键技术之一。要保证机车的质量、性能，先进的检测技术与试验设备 是关键。实践证明，依靠先进的科技检测手段，大力开发新技术，强化质量管理，是 稳定机车质量的有效途径i z l 。但目前国内的机车车辆检测技术和试验设备还相对落 后，对影响列车运行品质的机车车辆结构、性能方面的一些关键参数缺乏有效的检测 和监测，对适应我国铁路向高速、重载、智能化方向发展战略的需要存在较大差距。 因此，开发基于先进检测技术的智能化检测设备，实现工艺过程监测和质量控制的科 学化，是国产机车车辆在竞争中以质取胜的有力保证。 为此，中南大学( 原长沙铁道学院) 交通运输工程学院应株洲电力机车工厂要求， 在上世纪九十年代初，就开始对机车调簧技术进行研究和探讨。株洲电力机车工厂在 “九五”重点技改计划中委托中南大学交通运输工程学院研究和开发其大型先进工艺 装备机车车体称重调簧试验台，就是调簧技术的实际应用，该试验台的开发和投 入使用，对解决机车既要牵引力大、又要轴重轻的这对矛盾，提高机车的制造品质将 起到重要作用。 1 2 国内外研究的现状 i 2 1 国外动态水平及现状 国内外对于机车轮( 轴) 重分配不均匀问题的研究已有时日。前苏联有人通过对 具有独立弹簧悬挂装置的t g m 3 型内燃机车的研究，提出了调整弹簧悬挂装置以使 各轮载重合理分配的方法，并提出了计算各处调整垫板厚度的经验公式【”：在德国， 工程硕七学位论文 第一章绪论 对具有两轴结构的转向架机车，轮( 轴) 重检测和调整的称重调簧设备已经投入使用。 1 2 2 国内情况 保证机车轮( 轴) 重分配均匀，是机车落车时的重要装配技术要求之一。 在机器制造过程中，为保证装配精度，常用的方法有四种：即互换法、选配法、 调整法和修配法。互换法是建立在装配尺寸链短、且生产批量大的场合，对于保证机 车车体各个二系弹簧压缩量相等的这一精度要求，机车落车装配中，互换法不合适。 而对于机车中某些部件的装配，如轴箱与轮对轴承外圈的装配，其精度可以通过互换 法保证。选配法也要求参加装配的零部件生产批量大。保证装配精度的尺寸链环数不 多的场合。这对机车落车时，保证机车车体各个二系弹簧座高度相等这一精度要求， 选配法不合适。但对某些零部件装配过程中，保证某一精度要求是合适的，如一、二 系弹簧装配时，要求同一机车各个二系弹簧等高，就采用选配法。为提高产品质量和 保证生产进度，机车装配，尤其电力机车和内燃机车，已经放弃了修配法的使用。机 车落车装配时，保证机车一系或二系的各个弹簧受力均匀这一装配精度要求，采用调 整法装配是最合适的。目前国内对机车轮( 轴) 重分配不均匀问题的研究，通常是采 用调整法装配技术，总结出了几种保证装配精度的调簧方法： 1 尺寸分析与误差补偿法 参考文献【5 】中，作者提出了调整东风5 型内燃机车轴重分布的尺寸分析与误差补 偿法。该方法将机车在铅垂方向的尺寸进行分析，并相对某一基准的尺寸，进行测量 和计算，最后对补偿环尺寸进行调整的方法。具体做法是：首先用四个支承点分别支 承在机车车体底部8 个旁承座的对称位置，在整台机车上各零部件安装结束后，将四 个支承点( 人为找出的测量基准) 调整到水平位置，测出8 个旁承的相对尺寸并求出 误差值，用旁承垫( 装配尺寸链的补偿环) 迸行调整；对于机车转向架部分的尺寸分 析与误差补偿，以保证转向架旁承安装面在自然状态下处于水平面为原则。并分别实 旋：1 ) 轴箱弹簧及轴箱弹簧减震垫的选配，消除累积误差；2 ) 转向架构架加工尺寸 检测，用加垫的方法来消除尺寸误差。 根据现场调研的情况，如戚墅堰机车制造厂，在内燃机车制造过程中，机车落车 前，将车体的架车位，置于处在同一平面的四个架车墩上，使其也处在同一平面，作 为测量基准：在对应二系弹簧位的下面，设置检测平台，检测平台有四组，且处在同 一平面内，这个平面与四个架车墩平面平行。通过检测车体上二系弹簧座到检测平面 2 工挥硕七学位论文 第一章绪论 的距离，并计算出车体二系弹簧座的平面度误差，最后通过对二系弹簧加垫或选配， 来消除这个误差的影响。 这种方法只考虑装配零件的几何尺寸误差，而忽略了零件剐度方面的误差，尽管 原理较简单，但操作不方便，时问长，对轮重的调整不精确，且不适用于计算机控制 的自动调整系统。 2 经典力学方法 这是分析机车轮( 轴) 重分配不均匀问题最普遍的一种方法，在分析机车轴重转 移问题时也经常用到【6 l 。较早的分析是以一根车轴为调整单元州，将车体、转向架均 看作刚体，建立简化的力学模型，进而用经典力学理论进行分析、求解，得到轴重分 布与一、二系弹簧加垫值之间的关系式。但从实际情况看，同一车轴内外侧轮重有时 相差甚大，以一根车轴为调整单元误差很大，不能满足实际要求。于是，在此基础上 便有了以轮重为单元的计算”i 。 此种采用经典力学求解的刚体模型，对现场的调簧具有一定的指导意义，但由于 它建立在种种假设的基础上，所以存在着较大的误差，还有待进一步改进。 3 有限元分析方法 此种方法将车体、转向架看成弹性体，分别建立接近实际结构的计算模型，利用 有限元分析理论，使用通用的有限元程序对机车二系支承载荷及轮重分布规律进行分 析嘲。 4 直接落车调簧法 此种方法是通过对机车装配后检测面距轨面的距离，来间接保证轮( 轴) 重分配 均匀。机车落车后，丽个车钩距轨面的距离、转向檠构架检测面距轨面的距离及车体 架车位距轨面的距离等，必须控制在一定的误差范围内，通过调簧加垫，对这些几何 尺寸进行控制，可以间接控制机车各个轮( 轴) 的载荷偏差。 以上的分析方法，在实际的调簧工艺中都有不同程度的应用。但如前所说，目前 国内的机车车辆检测技术和试验设备还相对落后，对机车二系支承载荷和轮( 轴) 重 的分配状况，缺乏先进的检测与调整设备对其进行检测、调整。现场的调簧工艺，大 都停留在“低效、费时”的手工经验判断调整阶段，对于载荷分布规德没有明确的认 识，调整过程中人为因素带来的随机误差较大，很难适应生产现代化的需要。 工程硕士学f ) = 论文第一章绪论 1 3 论文的主要工作 本论文主要对机车调簧技术进行理论研究，通过对具有各种轴式结构的机车调簧 技术研究，分别提出了一、二系悬挂系统调簧试验台的技术方案和设计要求。使株洲 电力机车工厂与德国w i n d h o f f a g 公司成功合作，研制和开发出适应二轴和三轴转 向架称重调簧的试验台，填补了国内机车转向架称重调簧的空白，而且在世界上首创 了对三轴转向架的称重调簧。开发设计了机车车体称重调簧试验台的大型先进工艺装 备，主要研究的内容为： ， 1 分别以机车、车体及转向架作为研究对象，提出在装配时保证轮重均衡要求 的调簧方法和调簧最优目标。 2 ，根据机车调簧理论，提出机车调簧试验台的多种设计方案，并比较得出最具 实际的合理方案。 3 在最后方案的基础上，迸一步进行试验台设计、制造、安装和调试。 4 结合调簧寻优算法，编制计算程序流程图，在试验台上对机车进行参数测量 和调簧试验。 5 对试验结果进行分析与比较，由此提出一些对机车车体设计及制造质量的建 议。 4 工程硕士学位论文第二章机车调簧技术对机车性能的影响 第二章机车调簧技术对机车性能的影响 2 1 机车调簧技术对机车粘着重量和牵引力的影响 机车轮( 轴) 重分配误差，是铁路机车要控制的一个重要性能指标。机车各 轮对重量分配是否均匀，将直接影响到整台机车粘着牵引力的发挥和牵引运动性 能的优劣。机车调簧是减少机车轮( 轴) 重分配误差的一门技术。下面就机车轮 ( 轴) 重分配误差对机车牵引和制动性能的影响，来说明机车调簧技术的重要性。 2 1 1 牵引力的形成 由文献“”指出，当机车动力装置产生的扭矩通过输出轴、传动装置、最后使 机车动轮获得扭矩m 。如果机车被吊离钢轨，则扭矩作为内力矩，只能使车轮 发生旋转运动，而不能使机车产生平移运动。当机车放置于钢轨上，使车轮受钢 轨的压力p “存在，则钢轨受车轮的摩擦作用，在钢轨上就产生可以控制的力p ， f 所引起的钢轨作用于车轮切向的反作用力f 僦是使机车发生平移运动的外力， 如图2 ，l 所示，即轮周牵引力。 一台机车的轮周牵引力为： f = n - f 7( 2 1 ) 式中n 一机车动轴数 f 个动轴的轮周牵引力( n ) 轮周牵引力f ，是钢轨对动轮的反作用 力，所以它的大小将随着作用在动轮上的驱 动扭矩m 的大小而改变，但是它的最大值将 1 q 厂蛩 k夕 f 啊c - 1 7 o - 图2 - 1 牵引力形成示意图 受轮轨间的最大静摩擦力的限制。也就是说，动轮上的驱动扭矩m 的大小受轮轨 间正压力即轮重大小的限制。 2 1 2 粘着定律 文献“指出，当机车运行时，一个动轴粘着力的最大值f * 。为： f # 。= 1 0 0 0 0l l 。q ( 2 2 ) 式中 f 。一由轮轨间的粘着条件决定的一个动轴的粘着力( n ) ； 1 1 f 一为机车相应运行速度下的粘着系数： 工程颐士学位论文 第二章机车调簧技术对机车性能的影响 q _ 卅i 轮( 轴) 荷重( i ( n ) 。 一台机车的粘着力的最大值 f = 1 0 0 0 i i 。p 。( n )( 2 3 ) 式中p1 t 机车粘着重量( k n ) 。 当动轮扭矩m 增大时，动轮作用于钢轨的力r 也逐渐增大，同时钢轨对轮 对的反作用力f7 也相应增大。如果f ”增大到超过粘着力的极限值f 粘i n a x 时， 轮轨间的粘着状态将被破坏，动轮因无足够的水平支承力就不能在钢轨上滚动， 而开始在钢轨上滑动，造成动轮空转。这时，钢轨对车轮的反作用力f7 也因由 静摩擦力变为动摩擦力而急剧下降。 为使机车动轮不出现空转现象，机车牵引力的最大值，在任何时候都不得超 过机车各动轮与钢轨间粘着力的最大值的总和。这一原理称为粘着定律，可用下 式表示之： f 。= f7 。1 0 0 0 譬p ，= f ( n )( 2 4 ) 式中f 。= f “一机车动轮最大轮周牵引力( n ) 肛眦一机车最大物理粘着系数 p 。机车粘着重量( 1 ( n ) 动轴扭矩m 由机车提供取决于机车参数对于每一动轴的最大扭矩蛐 1 a x ，都 近似相等，按照粘着定律，就要求每一动轴的荷载即轴重也近似相等。因此，一台 机车的轮( 轴) 重误差的控制，就是铁路机车的一个重要性能指标。机车各轮对 重量分配是否均匀，直接影响到整台机车粘着牵引力的发挥和牵引运动性能的优 劣。 文献“1 1 指出，当机车运行时。轮轨问的计算粘着力f * ，牿为： f * # = 1 0 0 0 v # 轱w 女 ( 2 - 5 ) 式中w 广机车实际动轮荷重( 1 ( n ) ； l i r * 括一机车相应运行速度下的粘着系数。 如果机车轮( 轴) 重有偏差。设w 为机车动轮理论荷重( k n ) ，l i r # 为计算牵引 系数，若使某轮的实际荷重wt 满足以下不等式 w 女 各个弹簧垫( 有的是橡胶垫) 的厚度尺寸误差，要求厚度尽可能相等， 而且刚度一致。 ( 4 ) 各个一系弹簧的高度尺寸误差，要求相等，而且刚度一致 ( 5 ) 构架上各一系和二系弹簧座分别处于同一水平面上的平面度误差。 ( 6 ) 一系弹簧座平面与二系弹簧座平面的平行度误差。 就车体而言，影响二系弹簧压缩量不一致的因素主要是： ( 1 ) 二系弹簧高度误差。 ( 2 ) 二系弹簧刚度误差。 ( 3 ) 车体上各个二系弹簧座，处在同一平面上的平面度误差。由于车体为 非加工件，这一误差值完全由焊接工艺保证，比较大。 ( 4 ) 车体对各个二系弹簧座的刚度误差。 根据装配尺寸链封闭环计算方法可知，封闭环大小等于各个组成环公差之 和。由于上述尺寸链环数太多( 最少6 个) ，仅仅依靠提高零部件加工精度即减 小各个组成环公差，用互换装配法，通常还不能保证装配精度的要求。 3 4 2 加强检测和选配工作 加强零部件检测、记录和储藏，对进入装配的零部件进行选配法装配，可以 提高装配精度。如选取轮径接近的车轮，进入同一机车进行装配，并且尽可能使 同一转向架的车轮直径相等。又如，一系弹簧和二系弹簧的自由高度以及刚度也 要经过严格选配。 由于上述这些零件的批量大，有选配的余地。但是，对于成批生产的其它零 部件来说，采用选配法装配，不太合适。 3 4 3 采用修配法装配 在装配过程中，留下一个零件作为修配环，装配后根据检测结果，对这个零 件进行现场配制，可以提高装配精度。在以前的蒸汽机车时代，以及现在的某些 修车工厂，采用此法，获得了良好的装配效果，但是现在机车制造工厂，一般不 采用，因为，这个方法工时太长，生产效率太低，不符合成批生产的产量要求。 3 4 4 采用机车自动调簧技术 在采用上述制造方面的各个因素后，机车装配时，最终要采用调整法装配， 最后保证轮轴重偏差分配的装配技术要求，此法经济有效。 1 7 工程硕士学位论文第三章机乍轮重偏差原冈分析与均衡方法 机车采用调整法装配时，选用弹簧座垫片作为调整件。 例如在车体、二系弹簧和转向架构成的二系弹性悬挂连接系统中，由于车体 二系支承点数较多( 一般为8 个或1 2 个甚至有1 8 个) ，同时，引起二系支承载 荷分配不均匀的原因也很多，除上述各个组成环的制造误差外，还有诸如车体的 几何状态、车体重量的分配、车体钢结构的变形、车体底架上的弹簧座和转向架 上的弹簧座的加工质量等因素，且这些原因复杂地耦合在一起，使得在一个二系 弹簧处加垫调整，其它各二系弹簧处的二系载荷和弹簧压缩量都会变化( 因为车 体总重不变) ，而且对于弹性支承而言，在该二系弹簧处的加垫高度并不等于该 二系弹簧的压缩量。以上这些。都是调簧的复杂性之所在，也是为什么在知道某 处二系支承载荷大小的情况下还不能确定其加垫高度的原因，所以说，用人工采 用一般的计算方法或凭经验进行加垫调簧，要达到比较高的轴重偏差分配要求还 是相当困难的。 但是，通过对车体二系弹簧系统这一超静定力学结构的特点进行分析， 建立相应的模型来研究机车二系弹簧加垫高度与二系支承载荷分配间的关系，并 在此基础上，找到对二系弹簧进行加垫调整以使二系支承载荷达到最优分配的调 簧方法，就可以开发设计出一台高效可靠的试验台装置。 1 8 工程硕十学位论文 第四章机车调簧技术的理论分析 第四章机车调簧技术的理论分析 所谓机车调簧，就是通过改变轨面与车体之间的弹性支承点的弹簧压缩量 ( 采用橡胶堆或橡胶垫弹簧，以及多个零件叠加后形成部件形式的结构，刚度会 呈现出非线性的特性，在不同载荷下，刚度值略有不同，在受力分析时可以忽略 不计，但在调簧过程中，则需要借助调簧试验台逐渐改变弹簧加垫值，逼近最佳 加垫厚度) ，来调整各个支承点的受力大小，使各个支承点的受力尽可能均衡的 一种方法。这种保证装配精度的调整装配法，在机车制造业普遍使用。但是，究 竟如何调整这些支承点的受力，才能既快又好的使受力均衡呢? 以往的手工调簧 实践中，由于国内的机车车辆检测技术和试验设备还相对落后，对机车轮( 轴) 重的分配状况，缺乏先进的检测手段，现场的调簧工艺，全凭工人的经验，大都 停留在“低效、费时和误差大”的手工经验判断调整阶段，对于载旖分布规律没 有明确的认识，调整过程中人为因素带来的随机误差较大，很难适应现代化生产 的需要，难以保证又快和又好的要求。另方面，一台组装完毕的机车，落车时 进行调簧，究竟调到什么程度才是最好呢? 机车调簧的最优目标究竟是什么状 况? 最后，我们还应该知道，一台机车进行组装其重心总会偏离形心位置，如 果不考虑重心高度的影响，重心水平面的偏离，所造成的重力分布不均匀，是无 法通过调簧解决的。按铁道部给定的机车轮轴重允许偏差的制造标准，如我国电 力机车通用技术条件( g b 3 3 1 7 t 一1 9 8 2 ) 规定，我国铁路运行电力机车轴重偏差 不应超过平均轴重的2 ，轮重偏差不应超过该轮对平均轮重的4 ，为此机车 重心偏离形心的范围究竟允许有多大? 即机车重心偏离形心多大范围内，才是可 调的，以下就上述的这些问题进行分析和探讨。 4 。1 机车调簧技术中的力学分析 由图3 - 1 所示，停在轨道上保持静止状态的机车，只受重力和轨道支承两个 力的作用，而且，p o 的大小积位置，完全取决于葛o 。因为是机车的屡有属性， 如公式( 3 - 1 ) 到( 3 - 4 ) 所示，w o 由机车上各个零部件的重量和位置而确定。 为简化解决问题的复杂程度，结合机车的实际使用情况，特作出以下假设： ( 1 ) 与静止状态的机车车轮接触的轨面，是处于水平状态的平面。 1 9 工程硕士学位论文第四章机车调簧技术的理论分析 ( 2 ) 静止状态下的机车，只受铅垂力的作用。 ( 3 ) 机车因轨面对车轮作用力变化，导致机车变形，引起机车重心发生改 变，而造成重力重新分布，忽略不计。 ( 4 ) 假定机车及其上的设备的总重力为一集中力，作用于车体底架上的车 体平面重心位置处。 ( 5 ) 假定机车结构对称，其形心处在纵向和横向对称面的交线上。 ( 6 ) 将机车车轮与轨的接触面简化为接触点。 ( 7 ) 假设机车车轮相对于底架几何中心对称分布，且机车各车轮与轨之接 触点共面，机车同侧车轮与轨之接触点共线。 4 1 1 机车横截面上受铅垂力分析 我们集中考虑左右钢轨对机车的作用力p 。和p ：，将机车受力分解到x o y 平 面上进行研究，如图3 - 4 所示。并且，对机车的受力将在x 轴上和y 轴上分别进 行考虑，如图3 2 、3 - 3 所示。 重力w o 作用到轨面后，与左右钢轨对机车的作用力p 。和p 。，分布在y 轴方 向上的关系，如图4 - i 所示。由公式( 3 一1 0 ) 、( 3 1 1 ) ，并解( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 方程组，可得p 。和p ：的值： 只：y o - y 2 w 。( 4 1 ) y 1 一y 2 届2 篙。 ( 4 _ 2 ) z 厂 ； 一 图4 - 1 机车在y 轴方向上的受力分布示意图 工程硕士学位论文 第四章机车调蔷技术的理论分析 由公式( 4 1 ) 和( 4 2 ) 可知，p l 和p ：的大小，只与y o 、y 。、y 。和w o 有关， 与其他因素无关。也就是重力w 0 在y ，和y 。处的分配w ；和w 2 ，不会因为在y ，和y 2 处对支点加垫或改变其刚度而发生变化，即在不考虑机车重心高度影响时，p 。 和p ：不可调。 l 二 、 e 刚 工 ( 丫，z ) i ll j c u 邯u 1l|fi - y - 嚣 益 l x 广 p i i jp 2 i j 图4 - 2 考虑机车立体重心时在y 轴上支承力的分布示意图 如果考虑机车重心高度的影响，如图4 - 2 所示，在y 或y ：处对弹簧支点统 一( 在y 。或y 。处的每个支点都加同一高度) 加垫，使机车倾斜，重心横向偏移， 即改变y 。的值，此时p l 和p z 将随之改变，即p 。将随y 。的增大( 也就是y i 处加垫) 而变小：p ：将随y o 的变小( 也就是y ：处加垫) 而减小。 例如。对车体支承的二系弹簧座加垫，使车体倾斜，如图4 - 3 所示。 车体水平状态时，左侧支点至6 重心的水 平距离为x 。；车体倾斜状态时( 见图4 - 3 ) ， 重心水平位移量为x ，于是根据几何关系 有： 一a x ：! ( 4 ，3 ) h _ e h 1 由于h 与l 相比很小，于是式( 1 - 1 2 ) 可以 简化为： 必= 兰笋 ( 4 - 4 ) 圈4 3 车体倾斜譬鼋a 偏移示意图 2 1 车 工程硕十学位论文第四章机车调簧技术的理论分析 h 使式( 4 - 1 ) 和( 4 - 2 ) 中y o 的值发生改变，图示状况下，使y o 减小了x ， 因此使p ，增大。p z 减小。 由上述可以得出横向加垫的一个规律： 在机车哪边的支点统一加垫，就使哪边轮重的总值减小。这样，可以使机车 重心横向偏离时，得到一定的校正。 因为机车重心横向偏离，通常不大( 约几哪) ，而机车重心又比较高( 通常 距轨面约1 5 0 0 ) ，在轨距( 1 0 0 0 1 5 2 0 m m ) 的情况下，调整支点高度，即在弹 簧支点处加垫，对调整轮重偏差，可以收到较好的效果。 从图4 - 2 还可以看出，在一系弹簧处加垫，比在二系弹簧处加垫，调簧效果 更加明显。 4 1 2 机车纵截面上受铅垂力分析 在机车纵向方向，即x 轴方向，机车的受力如图3 2 所示。同样，首先不考 虑重力高度的影响，如图4 - 4 所示。 o 图4 - 4 机车不考虑重心高度时在x 轴上的受力分布示霉图 在x 轴方向，机车支承形式，多半是超静定的，如图3 一l 所示，假定机车有 m 个转向架，每个转向架里有n 个轮对，各个轮对在机车中的位置，用其在x 轴 上的坐标x 。，表示，各个轮对受钢轨支承的作用力大小，用p 。，表示，p t ，与各个轮 对的轴重w 。大小相等，方向相反，是一对平衡力。在x 轴方向考虑重力w o 的均 衡分布问题，就是考虑机车轴重w t ，的均衡问题。 4 1 2 1 机车三支点受力分析 首先考虑如图4 - 5 的一个假想情况，将机车作为研究对象，它受重力w 和三 个支承力p 、p 2 和p 。共四个力的作用。列出平衡方程式如下： w = ，1 + p 2 + p 3( 4 5 ) 工程硕士学位论文 第四章机车涧簧技术的理论分析 w x o = 尸1 x i + p 2 r 2 + 尸3 j 3( 4 6 ) 式中w _ 机车的重量( 1 ( n ) x 旷一机车重心的x 坐标值( m ) p 。支点1 对机车的支承力( 1 ( n ) x 广一支点1 的x 坐标值( m ) p 广_ 支点2 对机车的支承力( 1 ( n ) x 广支点2 的x 坐标值( m ) p 广支点3 对机车的支承力( 1 ( n ) x 广一支点3 的x 坐标值( m ) f - 图4 - 5 机车受三个支点作用的受力示意图 方程中的w 、) ( o 是机车的属性，支点的位置和支点处受力的大小如何变化， 都不会引起其改变。我们可以通过检测的办法求得w 、】( 0 的值。支点位置x 1 、x 。、 k 将随支承的结构而确定，在这种支承形式下，使机车静平衡的支承力p 、r 和 p 3 可以有无限多种组合。这无限多种组合中，哪一种组合使各个支点支承力的彼 此之差最小呢? 找出这一种组合值和它们的最小差值，就解决了这种支承形式 下，重量分配的最小偏差问题。也就找到了调簧的最优目标值。以下就受力的几 种形式予以分别讨论。 1 、机车受三个不均布等支承力作用的分析 诸如s s 。型机车的三轴转向架，其轴距分别为2 3 0 0 r a m 和2 0 0 0 m m ，就是这 种轮对非对称布置的受力状况。设各轮对支承力正好均等即p 。= p ：= p 。时的合力为 p ，与重力w 正好是一对平衡力，即： w = 3 p 。( 4 7 ) w x o = x l p i + x 2 0 p i + x 3 p l ( 4 8 ) 工程硕士学位论文第四章机车调簧技术的理论分析 则 舻晏+ x ：+ x ，) j ( 4 - 9 ) 由式( 4 - 9 ) 和假设条件可知，当机车重力正好作用在( x 。+ x 。+ ) ( 3 ) 3 处时， 如果三个支点是刚度或压缩量可调的支承，则总可通过调整支承弹簧的刚度或压 缩量，使各支点支承力中，最大值与最小值之差，可以调到6 o 的最小值状态。 2 、机车重心与三个不均布等支承力的合力偏离 如果机车的重心偏离了) 【o 一个距离x ，如图4 - 6 所示。 卜小 图4 - 6 重心偏离x 点x 后各支点受力状况 此时与原状态相比，新增加了对) ( o 点的矩w a x ，为保持平衡状态，支点1 、 2 和3 上的支承力p 。、p 2 和p 。比原来应该发生变化，设p 3 一p l _ 6 ，r p 。= ，则力 矩平衡方程有： p 。( x 0 _ x ，) + ( p ：+ a ) ( x - x 。) + w a x = ( p 。+ 5 ) ( x 厂x 。) p i x o p i x l + p i x o - p l x ：+ ( x o x 2 ) + w - x = p l x 3 一p l x o 十6 ( x r x o ) 3 p ，x - p ，( x i + x 2 + x 3 ) + ( ) ( o x 2 ) + w x = 6 ( x 3 - ) ( o ) 6 ( x 3 一) ( o ) = w 5x + ( 】( o - x ：) 即： 艿= 未i 眇麟+ 丑一x z ) 1 式( 4 - 1 1 ) 中，x 3 一) ( 0 o 、w 0 且是常数，上式可以写为： 6 = i 妒5 x + 2 ( x o 一删 ( 4 - 1 0 ) ( 4 - 1 1 ) ( 4 - 1 2 ) ( 1 ) 机车的重心向右偏离 机车的重心向右偏离) ( o 一个距离ax ，支点3 的支承力p 3 比原来要大，支点 1 和2 上的支承力p 。和如比原来应该要小，如图4 - 6 所示。 此时，x r ) ( o x - x 2 0 ，ax 0 ，式( 4 - 1 2 ) 可以写成 工程硕士学侥论文第四章机车调簧技术的理论分析 6 = c + 七1 五( 4 - 1 3 ) 式中c _ 正的常数； k lo 6 ，此时支点问受力最大偏差值为p 2 - p 。= 6 c ； 当凡 c ； 当x = 0 时，此时支点间受力最大偏差值为6 = c 由上述分析可知，当机车重力作用线对( x ，+ x 。+ x 3 ) 3 处向右偏离时，各支 点支承力中，最大值与最小值之差，不可能是零，而且各支点支承力中，最大值 与最小值之差6 总是大于或等于i 兰形。仅当以( x t + x 2 + x a ) 3 为分界线同 侧的两个支点支承力相等，即p 1 p 2 时，各支点支承力中，最大值与最小值之差 6 = i 竺! 形，为所有无穷多个支承状态中各个6 值中的最小值。也就是说， 如果三个支点是刚度或