采用传统转向架与径向转向架的HXD1C型电力机车动力学性能比较

魏 静，罗 赟，王坤全

（1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031；2 南车资阳机车有限公司 技术中心，四川资阳641301）

采用传统转向架与径向转向架的HXD1C型电力机车动力学性能比较

魏 静1，罗 赟1，王坤全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 南车资阳机车有限公司 技术中心，四川资阳641301）

为了改善我国重载牵引电力机车的轮缘磨耗现象，本文采用多刚体动力学软件SIMPACK分别建立了采用径向转向架和传统转向架的C0—C0轴式HXD1C型电力机车动力学模型，通过比较两者的非线性稳定性、直线运行性能和曲线通过性能，结果说明采用径向转向架的HXD1C型电力机车可以满足120 km/h速度的运用要求；直线运行性能优良；除了通过曲线时车体横向和垂向加速度外，曲线通过性能优于原车；降低轮缘磨耗显著，在100 km/h以下减磨效果明显，各计算工况下轮缘磨耗降低60%以上，车轮磨耗功降低47%以上。

HXD1C型电力机车；径向转向架；动力学

目前货运电力机车正朝着重载大功率方向发展，其中C0—C0六轴大功率货运电力机车又是重点发展的车型。HXD1C型电力机车是南车株洲电力机车有限公司在引进德国西门子技术的基础上进行消化、吸收再创新，研发的新一代交流传动重载货运电力机车。南车资阳机车有限公司也按照设计图纸参加批量生产HXD1C型电力机车。

HXD1C型机车转向架采用了成熟而先进的技术，如轮盘制动、带陶瓷绝缘滚动抱轴承传动、二系高挠钢弹簧、单轴箱拉杆轮对定位、整体免维护轴箱轴承、中间低位双节斜拉杆推挽式牵引装置等，具有功率大、恒功率速度范围宽、黏着性能好、功率因数高、能耗低等特点［1-2］。然而其在运用过程中，也反映出了曲线路段轮缘磨耗较为严重的问题。针对这一问题，南车资阳机车有限公司参考引进的美国GM EMD公司HTCR型径向转向架技术［3-4］对该型机车换装径向转向架展开研究。要求在不改变轴距、牵引和制动方式，以及转向架与车体接口的基础上，实现现有HXD1C机车转向架（以下称传统转向架）径向功能，其径向转向架与传统转向架的主要区别在于（1）增加一套径向机构［5］和一系纵向减振器，因此对构架结构改动，以适应设置径向机构安装座、一系纵向减振器安装座等要求；（2）增大轴箱拉杆纵向刚度，降低一系弹簧纵横向刚度；（3）调整牵引杆吊杆，以适应构架结构的改变。

HXD1C型电力机车与之前的电力机车相比，换装径向转向架有其固有难度。首先，HXD1C型转向架采用中间低位双节斜拉杆推挽式牵引装置，为避免导向机构与构架上的牵引杆支座干涉，需要采用新的设计将导向耦合斜拉杆布置在电机上方［5］，充分利用构架上部和车体底架下部空间。此外，HXD1C型电力机车转向架的单元制动器也需要能适应轮对径向偏转时的轮盘制动。

另一方面，自导向径向转向架要求较小的弯曲刚度以适应轮对径向偏转；足够的剪切刚度和牵引刚度满足横向稳定性以及传递牵引力的需要［6］。因此弯曲刚度、剪切刚度和牵引刚度合适与否对机车能否取得成功具有重大的影响。以SS3B型电力机车转向架为例，由于它的一系悬挂刚度较软，二系悬挂刚度较硬；而且改装径向转向架时双拉杆轴箱定位方式换为单拉杆定位（可以进一步降低轮对的偏转刚度），比较容易实现径向转向架刚度的要求。与此相反，HXD1C型电力机车转向架的一系悬挂硬，二系悬挂软；采用单拉杆轴箱定位方式。在结构空间内，难以达到较小的轮对偏转刚度。所以将径向转向架技术推广运用到HXD1C型电力机车上是否有意义，径向机构能否在一系弹簧纵横向刚度较大的情况下达到有价值的轮缘减磨效果，是本文需要论证的。

1 计算模型

HXD1C型传统转向架机车由车体、2个构架、6个牵引电动机和6个轮对组成。车体和构架间由二系悬挂装置连接，二系悬挂装置由高圆弹簧（每侧3组）、2个斜对称布置于构架端部的横向减振器、2个垂向减振器构成。构架和轮对之间由一系悬挂装置连接，一系悬挂装置由一系弹簧、轴箱拉杆和垂向减振器（端轴）组成。牵引电动机与轮对采用圆锥滚子轴承连接，同时通过一根吊杆悬挂在构架上。图1是HXD1C型传统转向架机车采用SIMPACK软件建立的物理模型。

图1 HXD1C型传统转向架机车物理模型

模型的自由度及广义坐标见表1，用上角标*表示不独立的自由度，用上角标1表示相对轮对的自由度，用上角标2表示相对构架的自由度，用上角标3表示相对平牵引杆的自由度，i＝1～2，j＝1～6，共33个刚体，总计99个自由度。

电机装配与吊杆悬挂点用三向平动和转动刚度与阻尼连接。动力学计算中考虑了轮对自由横动量和轴箱横向止挡的非线性、二系横向弹性和刚性止挡的非线性以及各减振器的非线性特性，还考虑了采用JM3磨耗型踏面与60 kg/m钢轨匹配的轮轨接触几何关系，以及蠕滑力的非线性。

轨道不平顺采用按美国较差、AAR5级功率谱转换的时域随机不平顺线路。

表1 HXD1C型传统转向架机车模型的自由度及广义坐标

HXD1C型径向转向架机车模型（图2）是在传统转向架机车模型基础上，增加了径向机构（图3）。径向机构由2根导向梁和1根耦合连杆组成，导向梁包括枢轴、导向梁和转臂3部件，通过枢轴固定在构架上，只能相对构架绕Z轴转动。耦合连杆通过转臂将同一构架上的前后导向梁连接起来。每根导向梁与构架之间安装两个纵向减振器，每根导向梁通过刚度很大的轴箱拉杆与相应的端轴轮对连接。

图2 HXD1C型径向转向架机车物理模型

图3 径向机构物理模型

模型的自由度及广义坐标见表2，上角标*、上角标1、上角标2和上角标3的表示意义同传统转向架机车模型，上角标4表示相对导向梁的自由度，i＝1～2，j＝1～6，k＝1～4，共39个刚体，总计106个自由度。

表2 HXD1C型径向转向架机车模型的自由度及广义坐标

2 非线性稳定性比较

非线性稳定性计算时，截取一段长度为50 m的AAR4级不平顺时域谱作为激扰，机车以一定速度通过不平顺后，在无不平顺直道上继续运行到300 m时，考察各刚体位移的收敛和发散情况来判断其稳定性。

图4是原车与径向转向架机车在不同速度下各轮对中振动最激烈的第一轮对横向位移极限环振幅曲线。图中表明惰行工况径向转向架机车非线性临界速度为180 km/h，原车非线性临界速度大于200 km/h。虽然采用径向转向架后，机车的临界速度降低，但是稳定性仍然满足120 km/h运用要求。

图4 机车非线性临界速度比较

3 直线运行性能比较

考虑到长区间运行的线路条件可能相差很大，这里采用了具有美国AAR5和AAR6不平顺的两种直线轨道，并让机车以40～140 km/h的速度运行。

3.1 横向平稳性

径向转向架机车和原车司机室车体最大横向平稳性指标（即均值加3σ值）如图5。两种线路条件下径向转向架机车司机室横向平稳性指标都比原车略增大，增大幅度小于4%，仍属于优良。最大横向加速度的变化趋势与最大横向平稳性指标类似，也比原车增大，增大幅度小于8%，属优级。

图5 机车直线运行最大横向平稳性指标比较

按标准（2 m平滑）处理后的最大轮轴横向力（即均值加3σ值）如图6所示。在计算范围内，径向转向架轮轴横向力都小于UIC 518规定的线路轮轴横向力极限值91.75 k N。在100 km/h速度以下，径向转向架机车直线运行最大轮轴横向力比原车减小；但是随着速度提高，在AAR5线路上，速度110 km/h以上，以及在AAR6线路上，速度100 km/h以上，最大轮轴横向力比原车逐渐增加。

图6 机车直线运行最大轮轴横向力比较

3.2 垂向平稳性

径向转向架机车和原车司机室车体最大垂向平稳性指标见图7。图中径向转向架机车比原车司机室垂向平稳性指标降低。最大垂向加速度的变化趋势与最大横向平稳性指标类似，也比原车降低。由于没有实测的线路不平顺，因此这里计算的结果不能作为评定指标，但可以用来比较研究在相同线路条件下机车的性能变化。

图7 机车直线运行最大垂向平稳性指标比较

图8是按标准（2 m平滑）处理后的最大左轮垂向力（即均值＋3σ值）。在计算范围内，垂向力都小于UIC 518规定的垂向力极限值200 k N。在100 km/h速度以下，径向转向架机车最大左轮垂向力比原车减小；但在AAR6线路上，速度110 km/h以上，垂向力比原车逐渐增加。两者的脱轨系数和轮重减载率最大值也都远远小于规定的极限值，这里不再给出具体数值。

4 曲线通过性能

4.1 光滑轨道曲线通过磨耗比较

机车以60～120 km/h的速度通过缓和曲线长120m、超高120 mm，半径300～800 m的曲线，线路无轨距加宽，不考虑线路不平顺，其磨耗可采用车轮磨耗功（＝车轮横向力×轮对横向速度）或轮缘磨耗因子（＝导向力×冲角）来衡量，图9是机车磨耗功随着速度和曲线半径的变化及变化百分比，图10是机车轮缘磨耗因子随着速度和曲线半径的变化及变化百分比，图中曲线上的数值代表曲线半径的百位数。

图8 机车直线运行最大左轮垂向力比较

图9 光滑曲线轨道磨耗功比较

可得出以下结论：（1）除了R300曲线通过速度大于90 km/h外，在计算范围内，径向转向架机车磨耗功和轮缘磨耗因子改善百分比都大于60%。（2）随着曲线半径的增大，磨耗改善的百分比增加，不过大半径原车磨耗的基数比较小。（3）轮缘磨耗因子比磨耗功改善得更多，曲线半径大于600 m后，轮缘磨耗改善95%以上，说明径向转向架主要是降低轮缘磨耗。（4）相同半径上，随着曲线通过速度的提高，磨耗降低百分比减小，尤其在速度大于100 km/h后，说明径向转向架在100 km/h以下减磨效果显著。

由于光滑轨道机车动力学指标都是优良，安全指标远远小于极限值，这里不给出具体数值。

图10 光滑曲线轨道轮缘磨耗因子比较

4.2 动态曲线通过性能

按照GB 50090－99《铁路线路设计规范》选取R300、R600和R800半径曲线困难条件为计算工况。机车动态曲线通过计算工况见表5，各工况动态曲线通过计算结果见表6（表6～表8中R600工况的上标表示轨道不平顺级别）。计算结果说明：在R300曲线上，径向转向架机车摇头角均值比原车显著减小，其他各动力学指标的均值都比原车有不同程度降低；所有指标的最大值略降低。在R600曲线上，径向转向架机车各动力学指标的均值和统计最大值都比原车有不同程度降低。在R800曲线上，径向转向架机车各动力学指标的均值和统计最大值都比原车有不同程度降低。

由于通常采用平均磨耗来衡量磨耗，所以表7仅列出了第一轮对外轮磨耗功和轮缘磨耗因子的均值。各工况下，径向转向架机车轮缘磨耗都降低60%以上，车轮磨耗功降低47%以上。结果显示磨耗降低程度与线路不平顺有关，与曲线半径、通过速度等因素有关。

表8是曲线通过时的横向、垂向平稳性指标和加速度及变化百分比。可见，由于车体减重、一系悬挂参数改变和采用径向机构，径向转向架各方案车体横向和垂向加速度都增大；而横向和垂向平稳性指标都比原车略改善，尤其是横向平稳性指标在R300，垂向平稳性指标在R800时。径向转向架机车各工况横向平稳性指标、横向加速度和垂向加速度都在优良范围。

表5 动态曲线通过计算工况

表6 动态曲线通过性能比较

表7 曲线通过性能磨耗计算结果及变化百分比

5 结 论

通过对C0－C0轴式HXD1C型径向转向架机车与传统转向架机车的整车动力学比较分析，得出以下结论：

（1）采用径向转向架后，机车的临界速度降低，但机车理论上的非线性临界速度180 km/h，满足稳定性要求。

（2）机车的平稳性要视实际线路的情况而定。径向转向架机车横向平稳性指标和加速度都比原车略增大，但都达到优良级别。垂向平稳性指标和加速度比原车都降低。在100 km/h速度以下时，直线运行最大轮轴横向力和最大垂向力比原车减小。

（3）径向转向架机车可以安全地通过大、中、小半径困难条件的曲线，除了通过曲线时车体横向和垂向加速度外，曲线通过性能优于原车。

（4）虽然机车一系悬挂较硬，采用径向转向架仍然能显著地降低轮缘磨耗，在100 km/h以下减磨效果明显。各计算工况下，径向转向架机车轮缘磨耗都降低60%以上，车轮磨耗功降低47%以上。值得一提的是与SS3B型电力机车径向转向架完全避免轮缘磨耗不同，HXD1C型径向转向架允许轮缘少量磨耗，使踏面、轮缘均匀磨耗，更有利于车轮旋修。

［1］ 周建斌，陈清明，王平华.HXD1C型大功率交流传动电力机

车转向架［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（6）：7-9，14.

［2］ 康明明，樊运新.HXD1C型大功率交流传动电力机车概述［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（3）：5-8.

［3］ 王坤全.径向转向架提速货运机车的动力学性能、牵引性能和曲线通过性能［J］.铁道机车车辆，2004，24（增刊）：26-30.

［4］ 谢 青.径向转向架技术在电力机车上的推广运用［J］.机车电传动，2006，2006（6）：4-7.

［5］ 王坤全，罗 赟，张红军.一种径向转向架导向耦合装置：中国，CN 201825051 U［P］.2011-05-11.

［6］ 西南交通大学机车径向转向架可行性研究课题组.机车径向转向架可行性研究论文集［C］.1994.

Dynamic Performances Comparison of Type HXD1C Electric Locomotives with Conventional and Radial Bogies

WEI Jing1，LUO Yun1，WANG Kunquan2
（1 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 Technology Center，CSR Ziyang Electric Locomotive Co.，Ltd.，Ziyang 641301 Sichuan，China）

Models of type HXD1C electric locomotive of six axles（i.e.2C0）is established by SIMPACK to improve the wheel flange wear for heavy hauling locomotive.Comparisons are made with regard to the stability and running performances on tangent or curved tracks of the locomotive with conventional and radial bogies.It is showed that the locomotive of 2C0 axles with radial bogies can meet the running need at 120 km/h.The riding quality index of it is good.The curving performances are superior to the locomotive with conventional bogies except lateral and vertical accelerations.The wheel flange wear is remarkably reduced，especially under the speed of 100 km/h.The wheel flange wear decreases by above 60%and the wheel wear work decreases by above 47%under every calculated condition.

HXD1C type electric locomotive；radial steering bogie；dynamics

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.05

1008－7842（2014）04－0024－05

�）女，硕士生（

2013－12－11）