200 km/h八轴客运电力机车轴重转移分析

吕凯凯　王开云　张志和

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室　四川成都　610031；

2.大同电力机车有限责任公司技术中心　山西大同　037038)



200 km/h八轴客运电力机车轴重转移分析

吕凯凯1王开云1张志和2

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031；

2.大同电力机车有限责任公司技术中心山西大同037038)

摘要：针对一种新型的200 km/h八轴客运电力机车，建立了轴重转移计算模型。利用该模型计算其轴重转移，与动力学软件在准静态条件下的仿真结果进行对比，并分析影响机车轴重转移的因素。研究表明，该机车第一、二轴为减载，第三、四轴为増载，且第四轴増载最大，増载6.28%，第一轴减载最大，减载6.28%；模型计算结果与动力学软件仿真结果相差0.8%；机车牵引电机采用架悬方式能有效减小机车轴重转移，相比电机采用轴悬方式，机车轴重转移减小5.77%；该机车最优牵引点高度为260 mm；减小电机前后悬挂点之间的纵向跨距能有效提高机车黏着重量利用率。

关键词：机车轴重转移电机架悬电机轴悬牵引高度黏着重量

轴重转移又称为轴重再分配，对机车黏着重量的利用产生不利影响，并降低机车牵引力的利用。轴重转移产生的原因是：当机车牵引列车过程中，作用在机车上的轮轴牵引力与车钩牵引力不在相同高度，在机车上形成一个力矩，使机车产生一个扭转角度，作用在前后转向架每轴的载荷就变得不均匀，有的増载，有的减载。另外，牵引电机在输出扭矩的过程中，由于某些传动机构的工作原理，也会对机车轴重转移产生一定的影响，但机车总的黏着重量是不变的[1-2]。

随着列车发展的高速化和重载化，对机车的黏着利用提出更高的要求，尽可能大的利用黏着重量，即尽可能小的减小机车轴重转移。通过研究发现，在提高机车黏着重量利用上主要有两方面的措施：一是通过对机车结构进行优化，二是采用电气补偿。现代机车为了保证黏着重量的利用，通常会在保证黏着利用率大于90%的条件下，再辅助以电器补偿，使黏着利用率达到95%以上[3-4]。

机车牵引电机的悬挂方式主要有轴悬式、架悬式、体悬式3种，相应的机车轴重转移计算方法也有所不同。文献[1]对牵引电机轴悬式机车轴重转移计算进行了详细分析，陈石华等对八轴机车的轴重转移进行了计算[5]，王珏等运用动力学仿真的手段计算了机车的轴重转移[6]。随着机车速度的提高，现代机车牵引电机越来越多地采用架悬方式，电机全部悬挂在构架上，与轴悬式电机驱动有很大的差异。因此在轴重转移的计算上也会明显不同[7-10]。

本文针对新一代200 km/h八轴客运电力机车建立了电机架悬式机车轴重转移模型，利用该模型计算机车轴重转移，并运用SIMPACK动力学软件在准静态条件下仿真其轴重转移，验证所建立模型的可靠性。利用建立的模型，分析影响机车轴重转移的因素，主要包括牵引电机悬挂方式、牵引点高度、电机悬挂点纵向距离等。

1计算模型

200 km/h八轴客运电力机车车轴重约为18 t，采用2(B0-B0)轴式，每台机车由双节机车重连，二系悬挂位于构架纵向中心，驱动电机采用架悬式。该机车前后两节受力及轴重转移情况相同，因此仅以第一节机车为例分析其轴重转移，图1给出了该节机车轴重转移计算模型简图。

对机车前后构架进行受力分析，如图2、图3所示。

图中符号说明：轴距l，车辆定距L，车轮直径D，每轴一系悬挂左右垂向刚度之和K1，每轴二系悬挂左右垂向刚度之和K2，每轴牵引力F，车钩高度H，牵引点高度h，电机输出扭矩M，电机转矩中心到左悬挂点的距离X1，电机转矩中心到右悬挂点的距离X2，电机左悬挂点到构架中心的距离S1，电机右悬挂点到构架中心的距离S2。

图1　机车轴重转移模型

图2　前构架受力分析示意图

图3　后构架受力分析示意图

设Q1，Q2，Q3，Q4为第一轴到第四轴每轴轴箱弹簧增载值。G1，G2为转向架旁承弹簧(二系悬挂左右两个弹簧之和)増载值，α1，α2，α分别为前后构架及车体的倾角。因为车体向左行驶，故轮对受到逆时针的驱动力矩，根据齿轮传动关系可以判断出电机输出力矩的方向，经过判断该机车电机输出力矩方向为顺时针，故各电机悬挂点力的大小为P1=MX1,P2=-MX2,P3=MX2,P4=-MX1,P5=MX1,P6=-MX2,P7=MX2,P8=-MX1，力的方向向上为正方向，向下为负方向。

根据一系、二系弹簧变形条件可以得到方程(1)-(3)：

Q2=Q1+2K1lα1

(1)

Q4=Q3+2K1lα2

(2)

(3)

根据车体受力可得方程(4)-(5)

G1+G2=0

(4)

2LG2=4F(H-h)

(5)

根据前构架受力可得方程(6)-(7)

G1+Q1+Q2=P1+P2+P3+P4

(6)

Q1l-Q2l=P1S1+P2S2-P3S3-

P4S4+2F(h-D/2)

(7)

根据后构架受力可得方程(8)-(9)

G2+Q3+Q4=P5+P6+P7+P8

(8)

Q3l-Q4l=P5S1+P6S2-P7S3-

P8S4+2F(h-D/2)

(9)

根据公式(1)-(9)可以求得第一轴到第四轴每轴轴箱弹簧増载值Q1,Q2,Q3,Q4，其数值大小即代表第一轴到第四轴的增减载值，符号上“+”代表减载，“-”代表増载。

2计算分析

参照200 km/h八轴客运电力机车实际参数，利用上节建立的计算模型计算机车各轴增减载值，结果如表1。表1同时给出了运用SIMPACK动力学软件在准静态条件下(速度为5 km/h)的轴重转移仿真结果。

表1　轴重转移计算结果

从表1可以得到，200 km/h八轴客运电力机车采用计算模型得到的最大轴重转移为6.28%，且第一、二轴减载，第三、四轴増载，与运用SIMPACK动力学软件在准静态条件下仿真得到的结果基本一致，最大轴重转移相差仅0.8%。

3轴重转移影响因素

为了探明电机架悬式机车轴重转移的影响因素，从牵引电机悬挂方式、一系悬挂垂向刚度、二系悬挂垂向刚度、牵引点高度、电机悬挂点纵向跨距5个方面进行分析。经计算分析，图1形式的机车二系悬挂位于转向架纵向中心，故轴重转移受一系悬挂垂向刚度、二系悬挂垂向刚度影响很小，而牵引电机悬挂方式、牵引点高度与电机悬挂点纵向跨距对机车轴重转移的影响明显。

3.1牵引电机悬挂方式影响

为了分析牵引电机悬挂方式对机车轴重转移的影响，在200 km/h八轴客运电力机车参数的基础上，只改变牵引电机的悬挂方式，其他参数保持不变，计算牵引电机架悬与轴悬两种方式对机车轴重转移的影响。电机轴悬式机车轴重转移计算方法根据文献[1]中轴重转移的计算方法改进而来。计算结果如表2所示。

表2　两种电机悬挂方式下机车轴重转移计算结果

由表2计算结果可以看出，牵引电机悬挂方式对机车轴重转移影响明显。与牵引电机轴悬相比，电机架悬能有效减小机车轴重转移，减小5.77%。因此，为了有效利用机车黏着重量，在电机悬挂方式上尽量采用架悬方式。

3.2牵引点高度影响

机车原牵引点高度为h=350 mm，计算不同牵引点高度条件下机车的最大轴重转移，随牵引点高度的变化，机车最大轴重转移的变化趋势如图4所示。

图4　轴重转移随牵引点高度变化趋势

图4表明，当牵引点高度在一定范围内降低时，机车轴重转移明显降低，当牵引点高度降低至260 mm时，机车轴重转移达到最小值(4.77%)，当牵引点高度再降低时，机车轴重转移反而升高。因此，在该机车参数下，机车牵引点高度为260 mm时，机车轴重转移最小，即黏着重量利用率最高。对电机架悬式机车来说，机车轴重转移并不总是随牵引点高度的降低而减小，存在最优牵引高度。

3.3电机悬挂点跨距影响

不改变电机质心的条件下，同时增大或减小前后悬挂点距转轴中心的距离，计算不同电机悬挂点纵向跨距对机车轴重转移的影响，轴重转移随电机悬挂点纵向跨距的变化趋势如图5所示。

当前后悬挂点之间的纵向跨距改变时，机车轴重转移会发生明显变化，纵向跨距越小，机车轴重转移越小。但小的电机悬挂跨距又会降低电机悬挂的稳定性，所以在保证电机悬挂稳定性的前提下，适当减小电机悬挂点之间的跨距，能有效提高机车黏着重量利用率。值得注意的是，该机车在电机前后悬挂点之间的跨距保持不变，仅改变悬挂点的位置，使电机前后悬挂点到电机转轴中心距离相同时，轴重转移为4.45%，也有一定程度的减小。

图5　轴重转移随悬挂点距离变化趋势

4结论

(1)针对200 km/h八轴客运电力机车，建立了电机弹性架悬的轴重转移计算模型，计算了200 km/h八轴客运电力机车轴重转移，第一、二轴减载，第三、四轴増载，轴重转移最大为6.28%。

(2)模型计算结果与运用SIMPACK软件在准静态条件下的仿真结果相差不大。

(3)其他参数相同的条件下，机车电机采用架悬式比采用轴悬式轴重转移要小得多。

(4)该机车轴重转移并不是随牵引点高度降低而一直减小，牵引点高度为260 mm时，黏着重量利用率最高。

(5)在保证电机悬挂稳定性前提下，适当减小电机前后悬挂点的纵向跨距，能有效提高黏着重量利用率，电机悬挂点到电机转轴中心的距离相同时，机车轴重转移也有一定程度的减小。

参考文献

[1]鲍维千. 机车总体及转向架[M]. 北京:中国铁道出版社, 2012.

[2]陈大瀛, 龚积球. 对于机车轴重转移的分析[J]. 内燃机车, 1978,(3): 59-65.

[3]龚积球. 提高 SS3B 电力机车黏着重量利用率的分析[J].上海铁道大学学报, 1997, 18(1): 37-41.

[4]张友松. 电力机车轴重转移的电气补偿[J]. 机车电传动, 1986, (3): 23-28.

[5]陈石华, 施明权, 陈崎. 八轴机车轴重转移的计算与分析[J]. 内燃机车, 1990, (6): 23-34.

[6]王珏, 李治. 机车轴重转移的动力学仿真[J]. 电力机车与城轨车辆, 2004, 27(2): 8-10.

[7]李东杰. 地铁车辆轴重转移分析[J]. 技术与市场, 2013, (4): 47-48.

[8]陆冠东. 机车轴重转移和理想牵引高度的计算与分析[J]. 内燃机车, 1986, (11): 20-25,48.

[9]夏灿培. 转向架式机车轴重转移计算[J]. 机车电传动, 1987, (2): 25-30.

[10] 黄志辉, 丁凤铁. 电机架悬及轴悬对机车轴重转移的影响[J]. 内燃机车, 2006, (4): 18-21.

Axle-load Transfer Analysis of 200 km/h Eight-axle

Passenger Electric Locomotive

LV Kai-kai1, WANG Kai-yun1, ZHANG Zhi-he2

(1TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,

Sichuan,China;2TechnicalCenter,DatongElectricLocomotiveCo.,Datong037038,Shaanxi,China)

Abstract:An axle-load transfer model for a new 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is established in this paper. Comparisons between calculation results obtained from the established model and that from the commercial dynamic software under the quasi-static condition are made. Some factors that affect the locomotive axle-load transfer are analyzed. The result shows that the axle-load of the first axle and second axle are reducing, while for the third axle and fourth axle they are increasing. The maximum load-increasing ratio is happened to the fourth axle, which is 6.28 percent, and the maximum load-reducing ratio is for the first axle, which is also 6.28 percent. The calculation result is similar to that by using the commercial dynamic software where the difference is only about 0.8 percent. Compared with the traction motor suspended on wheel-set, the traction motor suspended on frame could reduce the axle-load transfer by about 5.77 percent. The optimal traction height for the 200 km/h eight-axle passenger electric locomotive is 260 mm. Reducing the distance between motor front and rear suspension points can improve the adhesion weight usage of a locomotive.

Key words:Locomotive; Axle-load transfer; Motor suspended on frame; Motor suspended on wheel-set; Traction height; adhesion weight

中图分类号：U260.11+5

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2015)04-0025-04

作者简介:吕凯凯(1990—)，男，硕士生，研究方向为大系统动力学。E-mail:lvkais@163.com

收稿日期：2015-07-01