牵引电机悬挂方式对机车横向稳定性的影响研究

冯相杰， 陈 康

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031)

机车驱动装置悬挂方式大致分为轴悬式、架悬式、半体悬式和体悬式，架悬式又可分为弹性架悬和刚性架悬。传统机车的速度低，驱动装置的悬挂方式通常采用轴悬式悬挂方式；轴悬式悬挂方式的簧下质量相对较大，不能满足高速运行的一系列动力学要求，金鼎昌等人经过研究发现半体悬和体悬悬挂方式能够减少簧下质量，降低轮轨动作用力，可以满足高速的要求[1]，故高速动力车驱动装置的悬挂方式通常采用架悬式、半体悬式和体悬式。架悬式可以提高机车的横向稳定性，降低机车对线路的要求[2]，我国160 km/h交流传动机车上驱动装置悬挂方式大多采用弹性架悬式。笔者主要就刚性架悬、弹性架悬和半体悬这3种方案的机车横向稳定性性能进行对比研究。同时分析3种方案的横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性。

1 动力车模型

以国内某一弹性架悬式高速动力车为参考，在SIMPACK多体系统动力学环境中分别建立了弹性架悬式、刚性架悬式和半体悬式高速动力车模型。弹性架悬式高速动力车为B0-B0轴式电力机车，轴质量为19.7 t，主要由轮对、轴箱、一系悬挂装置、构架、二系悬挂装置、驱动装置和基础制动装置组成。车体和构架间由二系悬挂装置连接，构架和轮对之间由一系悬挂装置连接；弹性架悬式高速动力车牵引电机一端通过两根摆杆吊挂在构架上，另一端直接与构架相连，每个牵引电动机和构架间装有一个横向耦合减振器，牵引机构采用单牵引杆方式；模型中采用的轮轨关系为JM3磨耗型踏面与60 kg钢轨匹配，1/40轨底坡。图1为弹性架悬式机车物理学模型。刚性架悬式和半体悬式高速动力车模型都是在弹性架悬式高速动力车模型的基础上，通过改变电机与构架的连接结构与悬挂装置的参数得到的,通过弹性架悬式机车锁死橡胶球关节与构架连接的刚度以及摆杆零自由度的连接在构架上得到刚性架悬式高速动力车模型，另外，刚性架悬相较于弹性架悬去掉了横向耦合减振器。半体悬式高速动力车牵引电机一端通过两根摆杆吊挂在构架的端梁上，另一端直接与车体相连，它的横向耦合减振器装在牵引电动机与车体之间，在纵向上靠近摆杆的位置。

2 初始结构参数下的横向稳定性分析

稳定性计算方法主要有非线性和线性(根轨迹法)2种。根轨迹法是用来分析线性稳定性，确定线性临界速度。笔者只计算与实际更为贴近的非线性临界速度，这里用计算机车运行过程中轮对横向振动极限环振幅的方法分析机车的非线性临界速度[3]。轮对横向振动极限环振幅的计算方法为让机车以一定的速度通过一段不平顺时域谱激扰的长度为50 m的轨道，然后继续在平顺的直线轨道上运行，通过计算各刚体位移的收敛和发散情况来判断机车是否失稳[4]。

2.1 刚性架悬式机车的横向稳定性分析

驱动装置采用刚性架悬的机车在不同的速度下各轮对的横向振动极限环振幅见图2。

图2 刚性架悬各轮对极限环振幅

计算结果表明，驱动装置采用刚性架悬的机车的非线性临界速度为240 km/h左右。当机车以60～100 km/h低速运行时轮对具有小幅的极限环振动，机车运行速度为100～240 km/h时各轮对横向振动具有很好的收敛性。尽管低速运行时轮对的横向位移比轮轨间隙小，远没有达到撞击钢轨的极限状态，但低速下的极限环振动仍然对机车在低速下运行时的横向稳定性有不利的影响。

2.2 弹性架悬式机车的横向稳定性分析

驱动装置采用弹性架悬的机车在不同的速度下各轮对的横向振动极限环振幅见图3。

计算结果表明，驱动装置采用弹性架悬的机车的非线性临界速度为280 km/h左右。当机车以60～100 km/h低速运行时轮对具有小幅的极限环振动，机车运行速度为100～280 km/h时各轮对横向振动具有很好的收敛性。尽管低速运行时轮对的横向位移比轮轨间隙小，远没有达到撞击钢轨的极限状态，但低速下的极限环振动仍然对机车在低速下运行时的横向稳定性有不利的影响。

图3 弹性架悬各轮对极限环振幅

2.3 半体悬式机车的横向稳定性分析

驱动装置采用半体悬式的机车在不同的速度下各轮对的横向振动极限环振幅见图4。

图4 半体悬各轮对极限环振幅

计算结果表明，驱动装置采用半体悬的机车的非线性临界速度为320 km/h左右。机车运行速度在60～320 km/h时各轮对始终有小幅的横向振动，速度在140～240 km/h时显得尤为突出。

2.4 不同驱动装置悬挂方式的横向稳定性对比

对3种驱动装置不同悬挂方式的模型的横向稳定性作对比分析研究，图5比较了第1轮对的横向振动极限环振幅和速度320 km/h的时间历程。

计算结果表明，驱动装置为半体悬的机车非线性临界速度最高，驱动装置为刚性架悬的机车非线性临界速度最低，驱动装置为弹性架悬的机车非线性临界速度居中；驱动装置为刚性架悬和弹性架悬的机车在低速运行时都存在小幅的极限环振动，半体悬的机车在运行过程中始终存在小幅的横向振动。

3 横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性

通过阅读文献发现，对机车横向稳定性影响比较大的结构参数主要是一系纵向刚度、抗蛇行减振器的安装刚度和抗蛇行减振器的阻尼系数[5]。主要针对设计方案中高速动力车低速运行时轮对横向振动出现小幅度的极限环振动的问题，分析3种方案的横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性。用Kpx表示一系纵向刚度，保持其他参数不变的情况下，一系纵向刚度分别取11，15，19，23，27，31 kN/mm进行分析对比研究。

3.1 刚性架悬式机车横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性

计算结果如图6所示，从图6中可以看出，当保持其他结构参数不变的条件下，刚性架悬式机车在低速下运行时第1轮对的极限环振幅随着一系纵向刚度的减小而减小，当Kpx等于11 kN/mm时，刚性架悬式机车低速下的极限环振幅为0，轮对不会出现横向振动。从总体趋势上看，刚性架悬式机车的非线性临界速度随着一系纵向刚度的减小而增大，但是在一定的范围类(如Kpx在19～23 kN/mm时)减小一系纵向刚度并不能有效的增大其非线性临界速度。

图5 3模型横向稳定性计算结果比较

图6 一系纵向刚度对刚性架悬第1轮对极限环振幅的影响

3.2 弹性架悬式机车横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性

计算结果如图7所示，从图7中可以看出，在保持其他结构参数不变的情况下，弹性架悬式机车的非线性临界速度随着一系纵向刚度的减小而增大，另外，随着一系纵向刚度的减小，弹性架悬式机车第1轮对在低速运行时的极限环振幅也随之减小，当Kpx等于11 kN/mm时，机车第1轮对在低速运行时不会出现横向振动问题。

3.3 半体悬式机车横向稳定性对一系纵向刚度变化的敏感性

计算结果如图8所示，从图8中可以看出，半体悬式机车的非线性临界速度随着一系纵向刚度的增大而减小，半体悬式机车在运行中始终有着小幅的横向振动位移，改变一系纵向刚度不能明显改善这一问题。

图7 一系纵向刚度对弹性架悬第1轮对极限环振幅的影响

图8 一系纵向刚度对刚性架悬第1轮对极限环振幅的影响

4 结束语

通过分析驱动装置不同悬挂方式的机车的横向稳定性以及一系纵向刚度对机车横向稳定性的影响，得到以下结论：

(1) 在保持其他结构参数不变，只改变驱动装置的悬挂方式的情况下，半体悬机车的非线性临界速度最大，刚性架悬机车的非线性临界速度最小，弹性架悬机车的非线性临界速度居中。

(2) 从总体趋势上看，刚性架悬、弹性架悬和半体悬机车的非线性临界速度都会随着一系纵向刚度的降低而增大。但是当一系纵向刚度在一定的范围内变化时(如Kpx在19～23 kN/mm时)，刚性架悬式机车的非线性临界速度保持不变。

(3) 对于刚性架悬和弹性架悬机车而言，机车在低速运行时的极限环振幅会随着一系纵向刚度的减小而减小，当一系纵向刚度等于11 kN/mm时，刚性架悬式和弹性架悬式机车在低速时都不会出现横向振动位移。

(4) 弹性架悬机车的横向稳定性对一系纵向刚度的敏感度最高，半体悬机车的横向稳定性对一系纵向刚度的敏感度最低，刚性架悬式机车的横向稳定性对一系纵向刚度的敏感度居于二者之间。

以上模拟计算，驱动装置采用刚性架悬和半体悬的机车的计算模型都是在弹性架悬式机车动力学模型的基础上进行简单的修改得到的，与实际的刚性架悬式机车和半体悬式机车都有一定的偏差，所以需更进一步地进行研究分析。

[1] 金鼎昌，罗 赟，黄志辉. 牵引电动机悬挂方式对机车或动车动力学性能的影响[J]. 铁道学报，1994，16(S1)：43-47.

[2] 罗赟，罗世辉，金鼎昌. 采用弹性与刚性架承式驱动装置的机车横向性能比较[J]. 机车电传动， 2005(3)：41-43.

[3] 许自强，罗世辉，马卫华. 速度200 km/h车辆一系悬挂参数优化及性能分析[J]. 铁道机车车辆，2012,32(1):22-25.

[4] 何皋，陈清.悬挂参数对250 km/h高速机车横向动力学的影响[J]. 电力机车与城轨车辆,2012,35(2):25-30.

[5] 池茂儒，张卫华，曾京，等. 高速客车转向架悬挂参数分析[J]. 大连交通大学学报, 2007,28(3):13-19.