張曉霞, 侯 躍, 姚 遠,3

(1 成都理工大學 核技術與自動化學院， 成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031；3 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室, 湖南株洲 412001)

近年來，隨著列車運行速度的不斷提高，越來越多的高速機車動力轉(zhuǎn)向架采用驅(qū)動裝置彈性懸掛的結(jié)構型式，以提高機車或動車高速運行橫向動力學性能[1-2]。國內(nèi)外針對驅(qū)動裝置彈性懸掛進行了深入的研究。梁煒昭指出車體和構架的橫向動力學指標隨著懸掛擺桿長度和驅(qū)動裝置減振器阻尼的增大而先減小、后增大[3]。長客股份的黃彩虹分析后得出當電機橫移頻率低于最佳頻率時，轉(zhuǎn)向架蛇行運動穩(wěn)定性較高[4]。S.Alfi根據(jù)EN 14363分析電機懸掛剛度對非線性穩(wěn)定性的影響[5]，文獻[6]指出增加電機懸掛剛度是降低動態(tài)滑移率的有效措施，從而提高了機車的黏著性能，且動態(tài)滑移率與電機懸掛剛度的平方根成反比。羅赟等提出3剛體機車橫向振動模型，分析不同速度下驅(qū)動裝置懸掛參數(shù)對機車受迫振動的影響，指出機車運行速度達到160 km/h后，驅(qū)動裝置懸掛應采用彈性懸掛方式，驅(qū)動裝置縱、橫向剛度選擇在10 kN·m-1數(shù)量級，可以顯著改善機車的橫向性能和電機工作條件，有效降低橫向輪軌力，還可以提高機車的穩(wěn)定性[7]。文獻[8-9] 通過對六軸機車驅(qū)動裝置懸掛方案的研究發(fā)現(xiàn)采用彈性懸掛方案可以顯著降低機車直線運行的輪軸橫向力，且擺桿位于電機端的彈性懸掛方式優(yōu)于懸臂端彈性懸掛方式。文獻[10]建立了具有10個自由度的轉(zhuǎn)向架動力學模型，并根據(jù)動態(tài)吸振原理提出了驅(qū)動系統(tǒng)的最佳懸架頻率。針對B0和C0機車建立多體動力學模型，比較兩種不同的驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛裝置對機車動力學性能影響。在以上兩種彈性懸掛裝置的基礎上提出全彈性懸掛結(jié)構，并對整車進行多體動力學仿真。最后研究了不同車輛懸掛參數(shù)下全彈性懸掛結(jié)構的魯棒性。研究結(jié)果可為機車、動力車優(yōu)化彈性懸掛參數(shù)的實際工程應用提供理論依據(jù)。

1 驅(qū)動系統(tǒng)懸掛方式

對于高速機車，驅(qū)動系統(tǒng)通過單橡膠節(jié)點和兩個擺桿安裝在構架的橫梁上，并且驅(qū)動系統(tǒng)與構架通過減振器橫向連接，以衰減電機的橫向運動。橡膠節(jié)點和兩個擺桿分別布置在驅(qū)動系統(tǒng)沿軌道方向的兩側(cè)，橡膠節(jié)點和擺桿均具有彈性，以隔離振動并提供電機的橫向回復剛度。當電機相對構架橫向運動時，垂向布置的兩根擺桿和橡膠節(jié)點在鉛垂面內(nèi)擺動，實現(xiàn)電機質(zhì)心繞橡膠節(jié)點的橫向運動。擺桿可布置在靠近電機側(cè)和非電機側(cè)兩種結(jié)構形式，分別如圖1和2所示。驅(qū)動系統(tǒng)通過雙空心軸六連桿盤傳動裝置與輪對連接，其合成橫向剛度為圖中kce；驅(qū)動系統(tǒng)與構架間布置橫向減振器，橫向阻尼為圖中cmy。

由于電機相對橡膠節(jié)點繞垂向軸擺動實現(xiàn)電機質(zhì)心的橫向運動，電機擺動頻率與阻尼比不僅與懸掛元件的剛度和阻尼參數(shù)有關，而且與電機質(zhì)心、安裝位置等結(jié)構參數(shù)有關。圖1和圖2分別為兩種驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛示意圖與結(jié)構參數(shù)，其中l(wèi)1、l2、l3和l分別為橡膠節(jié)點到電機橫向減振器，電機質(zhì)心、六連桿和擺桿的長度；h為擺桿高度；Mm和Imx分別為電機質(zhì)量和繞縱向軸的轉(zhuǎn)動慣量。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式1

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式2

選取兩臺不同的200 km/h速度等級機車作為分析對象，其彈性懸掛驅(qū)動系統(tǒng)分別為上述兩種結(jié)構形式，兩種驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構參數(shù)見表1。

表1 兩種驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)

2 兩種懸掛方式對動力學性能的影響對比

為了比較以上兩種驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式對機車動力學性能的影響，利用多剛體動力學軟件SIMPACK分別建立兩臺機車動力學模型，如圖3，機車主要參數(shù)見表2。機車1、2驅(qū)動系統(tǒng)分別采用上述懸掛方式1和懸掛方式2。車輪踏面為JM3磨耗形踏面，標準軌距，計算機車直線運行工況。軌道激勵采用德國高干擾功率譜密度轉(zhuǎn)換成1～139 m波長的時域不平順。

表2 兩臺機車主要參數(shù)

圖3 機車多體動力學模型

圖4為不同速度下驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式對機車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉(zhuǎn)向架后輪對。對于這兩種機車，當車輛運行速度大于150 km/h時，驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛對機車輪軸橫向力的影響開始顯現(xiàn)，且速度越大驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛對輪軸橫向力的改善作用越明顯。對于B0機車，采用方式2的彈性懸掛結(jié)構略優(yōu)于方式1，而當驅(qū)動系統(tǒng)為剛性懸掛時方式1優(yōu)于方式2。以200 km/h的運行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降3%，較剛性懸掛最大可下降22%。對于C0機車，采用方式2的彈性懸掛結(jié)構優(yōu)于方式1，而當驅(qū)動系統(tǒng)為剛性懸掛時方式2略優(yōu)于方式1。以200 km/h的運行速度為例，采用方式2后的輪軸橫向力較方式1下降9%，較剛性懸掛最大可下降21%。

圖4 不同速度下驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式對應的輪軸橫向力

圖5為不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式對B0機車非線性臨界速度的影響曲線，此時線路采用AAR5級橫向不平順的直線軌道。在驅(qū)動系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構的條件下，當電機阻尼為30～50 N·s/m時，B0機車可獲得較高的臨界速度(380 km/h)，較剛性懸掛提高28%；在驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構的條件下，當電機阻尼為30～40 N·s/m時，B0機車可獲得較高的臨界速度(420 km/h)，較剛性懸掛提高50%。在合適的電機懸掛阻尼條件下，當B0機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構獲得的非線性臨界速度較方式1可提高10%。

3 全彈性懸掛性能研究

在上述彈性懸掛的基礎上，本節(jié)提出兩種驅(qū)動系統(tǒng)全彈性懸掛方式，與現(xiàn)有的驅(qū)動系統(tǒng)懸掛方式相比，該懸掛方式減小了橡膠節(jié)點的橫向剛度，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)更大范圍內(nèi)的運動。當驅(qū)動系統(tǒng)采用全彈性懸掛式時橡膠節(jié)點橫向剛度會影響電機的橫向振動，從而影響轉(zhuǎn)向架的振動情況進而導致車輛動力學性能的變化。下面主要分析驅(qū)動系統(tǒng)全彈性懸掛的橡膠節(jié)點橫向剛度對機車輪軸橫向力的影響。圖6和圖7為不同速度下驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式對B0機車、C0機車輪軸橫向力的影響曲線，最大輪軸橫向力均位于轉(zhuǎn)向架后輪對。在B0機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式一的彈性懸掛的條件下，橡膠節(jié)點橫向剛度的增加會導致機車輪軸橫向力的不斷增大，且輪軸橫向力的上升情況會受到電機懸掛阻尼的影響；以電機懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節(jié)點橫向剛度的增加輪軸橫向力上升28%。在C0機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛的條件下，當采用小的電機懸掛阻尼時，輪軸橫向力會隨橡膠節(jié)點橫向剛度的增加先上升后緩慢下降；當采用較大的電機懸掛阻尼時，輪軸橫向力會緩慢上升；以電機懸掛阻尼為30 kN·s/m為例，隨橡膠節(jié)點橫向剛度的增加輪軸橫向力上升17%。而當這兩種機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構時，橡膠節(jié)點橫向剛度的變化對輪軸橫向力幾乎無影響。

圖5 B0機車分別采用不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式的非線性臨界速度

此外，在分析兩種機車輪軸橫向力的變化規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)無論驅(qū)動系統(tǒng)采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節(jié)點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響均弱于B0機車。在相同的橡膠節(jié)點橫向剛度和電機懸掛阻尼的條件下，驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構方案較方式1可獲得更小的輪軸橫向力，這也印證了第2節(jié)的仿真結(jié)果。

圖6 橡膠節(jié)點橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖7 橡膠節(jié)點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響

為了比較上述4種驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式下的車輛懸掛參數(shù)的魯棒性，下面主要分析一系縱向剛度、一系橫向剛度和抗蛇行減振器等參數(shù)對驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛改善車輛輪軸橫向力的影響。

圖8為不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系縱向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響，隨一系縱向剛度的增加，機車輪軸橫向力不斷上升。當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構時，除一系縱向剛度為60 kN/mm外，全彈性對應的輪軸橫向力均有所改善，最大下降10%；當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構時，一系縱向剛度在10～40 kN/mm范圍內(nèi)，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，最大下降5%。

圖8 不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系縱向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖9為不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響，隨一系橫向剛度的增加，機車輪軸橫向力不斷上升。當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構時，全彈性懸掛下的輪軸橫向力始終低于原有值，輪軸橫向力最大下降7%；當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構時，全彈性懸掛下輪軸橫向力改善幅度較小，且改善幅度隨一系橫向剛度的增加而提高，輪軸橫向力最大下降4%。

圖9 不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下一系橫向剛度對B0機車輪軸橫向力的影響

圖10為不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對B0機車輪軸橫向力的影響，隨著抗蛇行減振器阻尼的增加，機車輪軸橫向力不斷下降。當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式1的彈性懸掛結(jié)構時，全彈性懸掛對輪軸橫向力有較大改善，抗蛇行減振器阻尼越小全彈性懸掛改善對輪軸橫向力效果越明顯，輪軸橫向力最大下降43%；當機車驅(qū)動系統(tǒng)采用方式2的彈性懸掛結(jié)構時，全彈性懸掛對輪軸橫向力仍有一定的改善效果，蛇行減振器阻尼對全彈性懸掛改善對輪軸橫向力的影響與方式1相似，輪軸橫向力最大下降20%。該結(jié)論表明當抗蛇行減振器發(fā)生故障導致阻尼減小時，驅(qū)動系統(tǒng)采用全彈性懸掛方案將更有利于機車平穩(wěn)運行。

圖10 不同驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛條件下抗蛇行減振器阻尼對B0機車輪軸橫向力的影響

4 結(jié) 論

(1) 機車驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛有利于改善機車動力學性能，隨著車輛運行速度的增加，驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛可較剛性懸掛顯著降低機車的輪軸橫向力，非線性臨界速度最大可提高50%。當擺桿位于電機側(cè)時，對改善機車動力學性能更為明顯，相對于擺桿位于非電機側(cè)，B0機車200 km/h時輪軸橫向力最大下降3%，臨界速度提高10%。

(2) 當驅(qū)動系統(tǒng)采用擺桿位于非電機側(cè)的全彈性懸掛時，減小橡膠節(jié)點橫向剛度有利于減小機車輪軸橫向力；而當驅(qū)動系統(tǒng)采用擺桿位于電機側(cè)的全彈性懸掛時，橡膠節(jié)點橫向剛度對機車輪軸橫向力影響很小。無論驅(qū)動系統(tǒng)采用哪種全彈性懸掛形式，橡膠節(jié)點橫向剛度對C0機車輪軸橫向力的影響均弱于B0機車。

(3) 隨一系縱向剛度和一系橫向剛度的增加，4種驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛方式下的車輛輪軸橫向力均不斷上升，而采取全彈性懸掛較傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)彈性懸掛更能降低輪軸橫向力?？股咝袦p振器阻尼對機車輪軸橫向力影響較大，當抗蛇行減振器發(fā)生故障導致阻尼減小時，驅(qū)動系統(tǒng)采用全彈性懸掛可顯著改善機車橫向動力學性能。