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原文传递重载货运机车径向转向架动力学性能研究

论文题名：	重载货运机车径向转向架动力学性能研究
关键词：	重载货运机车;径向转向架;动力学性能;曲线通过;轮轨接触;车钩力
摘要：	重载运输在提高我国货物运输效率与经济发展速度相协调方面，起着举足轻重的作用。伴随重载运输的发展，大功率货运机车得到了广泛应用，单轴交流牵引电动机的功率已达到1600kW，传动齿轮箱一般采用小齿轮简支的承载式齿轮箱，机车轴式通常为C0-C0，即采用传统的三轴转向架，机车轴重也由25t进一步提升到30～33t。大轴重和长轴距降低了货运重载机车的曲线通过性能，导致轮轨磨耗严重，制约着我国重载运输的发展。径向转向架在国外得到广泛应用，在减轻曲线轮轨磨耗，提高机车曲线牵引力等方面取得了可观的效益，而我国虽然已实现了采用径向转向架内燃机车的出口，但目前国内采用径向转向架的机车总体数量很少，甚至还没有采用径向转向架的重载货运电力机车。随着轴重加大，研究货运机车径向转向架的动力学特性，可为今后我国重载电力机车采用径向转向架方式提供依据，对进一步挖掘重载运输潜力具有重要意义。　　论文首先从货运机车牵引和制动特性、轴重转移和轴重补偿措施、电机转矩与悬挂方式、轴箱定位与曲线通过、重载牵引工况下的车钩力影响等方面总结了货运机车的特点。重点关注了这些因素对机车服役状态下动力学性能的影响，说明了高粘着利用重载机车采用径向转向架的有利之处，即可通过减小轮对冲角有效降低机车曲线粘降，提高机车在曲线上发挥牵引力的能力，并显著减小大轴距三轴转向架的轮缘磨耗。　　论文接着从理论上对自由轮对及转向架的导向原理、径向转向架典型结构进行了分析。对径向转向架中比较突出的稳定性、蠕滑牵引与导向特性影响等突出的动力学问题进行了分析，尤其是从理论上论证了减小冲角对改善机车曲线通过时车轮磨耗的影响程度，并以机车的典型轮对参数计算得到了具体的数值，从理论上说明了机车采用径向转向架所具有的重要意义。随后，论文基于转向架、机车单机、钩缓装置等子系统的子结构模型进行了说明，并据此建立了考虑两种编组模式、可以在传统转向架和自导向、迫导向径向转向架之间相互切换的重载机车牵引列车的综合动力学分析模型。针对机车牵引重载列车的牵引、制动、曲线通过等工况，研究了车钩力、牵引力和制动力对自导向径向转向架轮轨蠕滑导向的影响，并与采用传统转向架时的情况进行了对比。重载运输以提高轴重和列车编组长度为标志。随着列车编组长度的增加，列车冲动也成倍增加，车钩力对机车动力学的影响也随之增大。对此问题，论文以现在机车上常用的13A型车钩为例，详细分析了车钩结构和稳钩过程，同时研究了不同列车编组和不同车钩力大小对机车动力学的影响。传统自导向径向转向架由于借助轮轨蠕滑力，尤其是纵向蠕滑力，实现转向架导向，当机车发挥牵引力时必将削弱机车的导向性能。货运机车通常需要发挥较大的牵引力，这必将对自导向径向转向架的曲线通过性能不利。　　论文最后通过总结机车既有径向转向架的不足和优点，提出了一种改进的迫导向径向转向架方案，对其动力学性能进行计算，并与传统转向架和自导向径向转向架的结构进行了对比。传统迫导向径向转向架虽可以提高在牵引力作用下机车的导向性能，但是轮对的运动直接与转向架、车体的运动相关，给转向架参数选择和维护带来较大困难，如转向架稳定性对轮轨踏面磨耗敏感、轮轴横向力偏移难以消除等问题。论文结合已有两种径向转向架的优点，通过改进的迫导向方案既可提高自导向径向转向架受大牵引力作用时小半径曲线上的导向性能，同时又避免了迫导向径向转向架对参数敏感的缺点。论文研究取得的主要结论如下: 　　1、C0-C0轴式大功率交流传动电力机车服役工况的特点是高粘着利用和机车承受较剧烈的纵向冲动。径向转向架通过显著减小曲线通过时的轮对冲角，能显著改善C0-C0轴式机车曲线通过性能，减轻轮轨磨耗和曲线粘降，轴箱定位方式对机车的动力学性能有决定性的影响，但通常需要通过增大轮对横向定位刚度、增设一系纵向减振器等措施来提高自导向径向转向架的运行稳定性，且采用自导向径向转向架的机车在高粘着利用时，对其蠕滑导向能力有较大影响。　　2、车钩摆角引起的车钩力横向分力，对机车承受压钩力时的安全运行具有较大影响。采用摩擦力元的钩缓动力学子模型可以较好地再现缓冲器的迟滞特性和钩尾摩擦副对稳钩能力的重要作用。　　3、机车编组于列车头部时，车钩力对机车动力学的影响最小。编组于列车中部时，在纵向冲动力作用下，由于车钩压力和车钩摆角较大，机车的安全性会变差。车钩力主要影响紧邻车钩的机车转向架的安全性，当机车通过曲线时，车体前端承受较大的指向曲线外侧的车钩力作用，导向轮对的轮轴横向力较易出现超标现象。当车钩摆角较大，并同时承受800kN及以上的压钩力时，车钩压力和机车运行速度均会对机车横向动力学性能产生较大影响。计算表明传统转向架、自导向和改进的迫导向三种转向架方案中，改进的迫导向转向架具有较大的优势。　　4、从等效刚度的角度分析了径向转向架与传统转向架的主要区别。径向转向架的轮对通过径向机构实现导向和传递牵引力或制动力到构架的功能分离。反相耦合同一转向架内端轴轮对的摇头运动，可以改变转向架的失稳模态，使转向架既具有一定的稳定性又具有较好的曲线通过性能。　　5、由于一系辅助横向刚度的作用，自导向径向转向架能够维持传统转向架良好的直线动力学性能，且相对于传统转向架，自导向径向转向架能够显著改善小半径(400m以下)曲线上轮对的冲角和磨耗功，尤其是导向轮对。自导向径向转向架能够实现无轮缘接触通过中等半径以上曲线，并且离心力对转向架两端轴的影响程度相当，使同一转向架内各轮对的受力状态更加均匀。牵引力会降低自导向径向转向架的导向性能，当牵引力超过450kN时，自导向径向转向架的曲线通过性能已接近传统转向架。当曲线半径大于500m时，自导向径向转向架的曲线通过性能均优于传统转向架，能够减轻轮轨磨耗，提高机车的安全性。但对曲线半径低于500m时，蠕滑导向能力较弱。　　6、改进的迫导向径向转向架拥有较高的非线性临界速度，保持与自导向径向转向架相同的直线运行性能，且可以显著减小在小半径曲线上轮对的冲角、导向力等。改进的迫导向径向转向架最大的优点是可以减小牵引力对机车导向性能的影响。当机车发挥400kN牵引力时，改进迫导向径向转向架机车仍可以实现无轮缘接触通过半径大于500m的曲线，并且维持较小的冲角和磨耗功。　　7、即使在车钩力的作用下，改进的迫导向径向转向架仍可以减小转向架各轮对的导向力，尤其是转向架后端轮对，但是不能降低车钩横向分力对轮轴横向力的影响。如果同时考虑不平顺的影响，在较大车钩力的作用下，轮轴横向力也会出现超标的现象，因此只能通过改进钩缓装置，减小车钩自由摆角来实现提高机车的曲线通过安全性。
作者：	毕鑫
专业：	车辆工程
导师：	罗世辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文