单牵引杆布置方式对机车动力学性能影响分析

1、收稿日期:2007-10-25 单牵引杆布置方式对 机车动力学性能影响分析陆超,罗世辉,姚远(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031摘要:采用多体动力学软件SIMPACK 建立了一种完整的2B0机车模型,通过在直线和曲线上的仿真计算,分析了单牵引杆布置方式,长度,角度对机车直线上的横向动力学性能以及曲线通过性能的影响,研究表明:外侧单牵引杆方式要优于内侧单牵引杆方式,牵引杆长的影响不显著,倾斜角对内侧单牵引杆方式影响更显著。 关键词:单牵引杆;布置方式;机车动力学中图分类号:TB122 文献标识码:A 文章编号:1006-0316(200803-0007-04Analy

2、sis on influence of the arrangement about single traction rodon locomotive dynamic performance LU Chao ,LUO Shi-hui ,YAO Yuan(Traction Power State Key Laboratory ,Southwest Jiao-tong University ,Chengdu 610031,C hina Abstract :A complete dynamics model of 2B0 locomotive is established by means of SI

3、MPACK in this paper.With the simulation calculation on the straight line and curve line ,the influences of the arrangement ,the length and the angle to the horizon dynamics on the straight line and curve passing performances of locomotive are analyzed.The research show : The performance of traction

4、rod outside is better than which inside ,the length of traction rod is barely influence ,the angle of it could heavily influence the performance of traction inside.Key words :single traction rod ;arrangement ;locomotive dynamic牵引装置是连接机车车体与转向架的重要机构。它将轮轨间相互作用产生的牵引力或制动装置产生的制动力传递到机车车体,通过车钩实现列车牵引或制动。因此,牵

5、引装置必须同时满足运动学、动力学、安全性等方面的要求。机车运行时,因为牵引点与轨面间存在高度差,轮轨间作用力将对转向架产生附加力矩,使机车出现轴重转移,机车的粘着性能降低。而由于水平牵引杆很难实现低位牵引,而提高粘着利用率的方法之一就是采用低位牵引装置,有因为受到结构限制,牵引装置不能过低,而通过牵引杆斜布置能解决此矛盾。故实际中我们常采用斜牵引杆。如在国内B0-B0轴式机车上大量采用的中央推挽式牵引装置,SS8,DJ1,DJ2,SSJ3等型号机车均采用该模式牵引装置。但与此同时,由于斜牵引杆长以及倾斜角的不同,在构架上布置方式的不同,当机车牵引作用时,会导致一端构架上的牵引杆受拉,另一端构架

6、上的牵引杆受压。这些因素有可能对机车在运行过程中的动力学性能指标产生一定影响。本文以某2B0架悬式机车,采用单牵引杆为例,利用SIMPACK 动力学软件,从牵引杆长和倾斜角入手,分析牵引杆布置方式,杆长和倾斜角对机车动力学性能的影响。1 计算模型简述该模型为2B0架悬式机车,采用单牵引杆布置方式。利用SIMPACK 动力学软件建立动力学计算物理模型,见图1。模型考虑了车体、2个构架、4个轮对、轴箱、一系与二系弹簧和减振器等。牵引电机刚性架悬在构架上。模型共15个刚体,50个自由度。其中轮对的垂向和侧滚运动是由横移决定的,不是独立自由度。模型主要参数:转向架轴距2.9 m ;转向架中心距10.6

7、5 mm ;车钩高880 mm ;轨距1520 mm ;轮径1250 mm ;轴箱转臂长450 mm ;轴箱横向自由间隙0.5 mm ;弹性间隙8 mm 一系弹簧纵、横向刚度都为1.147 kN/mm ;单轴箱拉杆纵、横向刚度分别为17 kN/mm 和4 kN/mm ;一、二系静挠度分别为59.5 mm 和154.4 mm ;轴重22 t 1。图1 2B0架悬机车的物理模型本模型的主要特点是将牵引杆一端用可绕Y 轴和X 轴转动的转动铰来模拟牵引杆与转向架连接,另一端用力元件同车体相连。本文讨论杆长和倾斜角对动力学性能的影响。分别取杆长为(单位:m :0.6,0.8,1.0,1.2,1.4;倾斜

8、角为:0°20°,并组合不同工况。在计算中,采用美国AAR 标准6级轨道不平顺,踏面为JM3磨耗型踏面,轨道为国内60 kg 钢轨。在不改变其他悬挂参数的情况下,采用两种不同布置方式进行分析比较:(1方案1牵引杆分布在转向架内侧。采用内侧单牵引杆方式,牵引杆一端与转向架铰接点位于转向架内侧,距转向架中心1.9 m 处,距轨面高0.5 m 。(2方案2牵引杆分布在转向架外侧。采用外侧单牵引杆方式,牵引杆一端与转向架铰接点位于转向架外侧,距转向架中心1.9 m 处,距轨面高0.5 m 。 2 牵引杆对机车直线运行性能的影响利用SIMPACK 建立机车整车动力学模型,在临界速度范

9、围内,机车以较大的速度在直线上运行,运行速度为180km/h 。经过计算比较,发现两种方案的各项性能指标中,垂向平稳性、摇头角及轮重减载率相差不大,而第三轮对处的轮缘力、轮轴横向力和脱轨系数差异较为明显,计算结果见图3图5,同时比较了两种方案在前司机室的横向平稳性,如图2所示。为了对比两种方案性能的区别,其中左图a 为方案1的计算结果,右图b 为方案2的计算结果,各图中横坐标为牵引杆布置角度,纵坐标为各动力学性能指标。(a (b 图2 两种不同方案在前司机室的横向平稳性指标如图2所示为前司机室的横向平稳性指标,比较上述两种方案,可以发现牵引杆布置方式对横向平稳性影响较小,采用方案1,牵引杆长及

10、倾斜角的增大,前司机室的横向平稳性指标基本保持不变;而在方案2中,横向平稳性随牵引杆长及倾斜角的增加逐渐降低,但变化幅度不大。两种方案都达到了UIC518良好的标准,但方案1的横向平稳性要优于方案2。(a (b 图3 两种不同方案在第三轮对上的轮缘力(a (b 图4 两种不同方案在第三轮对上的轮轴横向力由图3、图4可知,轮缘力和轮轴横向力在两种方案中的图形趋势类似。方案1的轮缘力和轮轴横向力随牵引杆长的增加,有一定的减小,但不显著。而随倾斜角的增加先逐渐减小,当达到一个最牵引力角度牵引力角度横向平稳性车轮力/k N牵引力角度牵引力角度轮轴横向力/k N轮轴横向力/k N横向平稳性牵引力角度牵引

11、力角度车轮力/k N小值时,转为急剧增大;最小值处于8°10°这个范围。方案2的轮缘力和轮轴横向力则基本不随牵引杆长变化,而随着倾斜角的增大,先缓慢减小再转为逐渐增大。但与方案1相比增长幅度要小得多。由图形可以还看出,采用外侧单牵引杆方式的轮缘力和轮轴横向力比牵引杆内侧布置的轮缘力和轮轴横向力要小得多,对机车运行有利。导致这种现象的原因有可能为,牵引杆内侧布置,在机车运行时,牵引杆会随着牵引杆长及倾斜角的不同,产生不同的垂直分力作用在转向架上,同时产生不同的力矩,对第三轮对的动力学性能产生影响。但其结果都是在可接受范围,并没有超出安全标准。(a (b 图5 两种不同方案在第

12、三轮对上的脱轨系数图5表示两种方案第三轮对的脱轨系数,由图5可知,两种方案的脱轨系数,与轮轨力的计算结果类似,第三轮对处相差较大,方案2的脱轨系数要比方案1的脱轨系数小得多,脱轨安全性也要好得多。方案1的脱轨系数随牵引杆长的增大逐渐减小,随倾斜角的增加而增大;方案2的脱轨系数受牵引杆长的变化影响较小,随倾斜角的增加先逐渐增大再逐渐减小。3 牵引杆对机车曲线通过运行性能的影响为讨论牵引装置角度变化对曲线通过性能的影响,曲线通过计算是在一条由20 m 直线-150 m 缓和曲线-200 m 圆曲线-150 m 缓和曲线-20 m 直线组成的具有不平顺的轨道上进行的。比较脱轨系数、轮轴横向力等曲线通

13、过性能指标。计算工况见表1。由于线路采用了不平顺,对计算结果进行了2 m 的平滑处理。比较两种方案,存在与直线运行情况类似的结果,第三轮对上的轮缘力、轮轴横向力和脱轨系数同样相差较大,且运动趋势与前述图形类似,在此不再详述。这里主要比较机车曲线通过时,各轮对动力学性能指标最大处,即对第一轮对上的动力学性能指标进行分析比较。为了更好的显示牵引杆长和倾斜角对曲线通过性能指标的影响,分别固定倾斜角和牵引杆长进行分析比较。机车通过曲线时,先选取一个固定的倾斜角,在此取10°,比较两种方案随牵引杆长变化的趋势,两种方案在第一轮对处的动力学指标最大值见表2、表3;再选取固定牵引杆长,在此取1 m

14、 ,比较两种方案随倾斜角变化的趋势。两种方案在第一轮对处的动力学指标最大值见表4、表5。表1有不平顺线路机车曲线通过计算工况圆曲线半径/m外轨超高/mm通过速度/km ·h -1轨距加宽/mm线路等级2000 105 180 0 AAR6表2 方案1机车曲线通过动力学指标最大值牵引杆长/m脱轨 系数轮轴横向 力/kN 车轮力 /kN外轮磨耗功 /kN ·m ·s -156.050.918.60.641表3 方案2机车曲线通过动力学指标最大值牵引杆长/m脱轨 系数轮轴横向力/kN车轮力 /kN外轮磨耗功 / kN ·m ·s -1轮重 减载率0.

15、6 0.3070 41.0 30.5 12.2 0.502 0.8 0.3062 40.8 30.3 12.2 0.500 1.0 0.3065 41.1 30.6 12.2 0.502 1.2 0.3066 40.9 30.3 12.2 0.502 1.4 0.3063 41.2 30.612.3 0.503由表2、表3数据可知,在采用内侧单牵引杆方式的方案1中,机车各项动力学指标都随牵引杆长的增加而减小,因此,牵引杆长增加将提高机车曲线通过性能;在采用外侧单牵引杆方式的方案2中,机车各项动力学指标随牵引杆长增加在一定范围内波动,但不太显著。而比较两种不同方案之间数据可知,两种方案的动力学指

16、标相差很大,采用外侧单牵引杆方式,各项动力学指标要小得多,更有利于机车曲线通过。由表4、表5 数据可知,采用内侧单牵引杆方牵引力角度牵引力角度脱轨系数脱轨系数式,机车的轮轴横向力和外侧轮缘力随倾斜角的增加逐渐减小,脱轨系数和轮重减载率则随倾斜角增加而增大;采用外侧单牵引杆方式,机车各项动力学指标随倾斜角增加而增大,因此倾斜角增大将有利于机车曲线通过。而比较两种不同方案之间数据可知,两种方案的动力学指标相差很大,采用外侧单牵引杆方式各项动力学指标要小得多,能增加曲线通过性能。表4 方案1机车曲线通过动力学指标最大值倾斜角/°脱轨系数轮轴横向力/kN外测轮缘力/kN外轮磨耗功/ kN&#

17、183;m·s-1轮重减载率0 0.441 56.2 51.4 18.6 0.596 4 0.442 56.0 51.0 18.6 0.610 8 0.443 55.8 50.8 18.6 0.632 12 0.444 56.0 50.9 18.6 0.650 16 0.444 55.9 50.8 18.6 0.661 20 0.445 55.9 50.8 18.6 0.659表5 方案2机车曲线通过动力学指标最大值倾斜角/°脱轨系数轮轴横向力/kN外测轮缘力/kN外轮磨耗功/ kN·m·s-1轮重减载率0 0.307 40.4 30.3 12.2 0.

18、4994 0.308 40.7 30.2 12.2 0.5008 0.307 41.0 30.4 12.2 0.50112 0.306 41.0 30.5 12.2 0.50416 0.305 41.1 30.7 12.3 0.50620 0.306 41.7 30.9 12.3 0.508 4 结论(1选择不同的牵引杆布置方式,对机车动力学性能指标会产生影响,其中对机车第三轮对的车轮力、轮轴横向力和脱轨系数的影响尤为明显。外侧单牵引杆布置方式有利于减小轮缘力、轮轴横向力和脱轨系数。而曲线通过时,在动力学性能最大的第一轮上,采用外侧单牵引杆布置方式同样会减小各性能指标,利于曲线通过。(2牵引杆长和倾斜角在取值范围内对动力学性能有一定影响,但影响不大。而值得注意的是机车在直线运行时,采用牵引杆内侧布置方式,第三轮对处的轮缘力和轮轴横向力会随着倾斜角的增加在8°10°这个范围,处于最小。(3从对机车动力学性能影响的角度看,采用单牵引杆外侧布置方式更好,但两种布置方式的动力学性能都能满足机车运行要求,因此还应从轴重转移等其他角度综合考虑,再确定合适的方案。参考文献:1姚远,张红军,罗赟. 转臂轴箱定位节点位置对机车动力学性能影响分析J. 机车电传动,2007,(3.2吴安伟,罗赟