制动工况下电力机车直线运行动力学性能分析

赖 奎，陈 清

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都610031)

随着国内铁路6次大提速，旅客列车速度达到200 km/h等级，主要是以开行动车组为主，但考虑到我国地域开阔，铁路网分布广，加之各地经济发展水平不同，客运需求差别较大，合理的模式应该是机车牵引与动车组共存模式，所以研究发展200 km/h电力机车是必要的［1］。而随着机车牵引速度以及吨位的提高，对制动的要求越来越高，机车在大的制动力作用下，发生钢轨和机车受挤压而变形的事故时有发生，严重影响了客运列车的安全［2］。本文研究了200 km/h机车在直线轨道上运行的动力学性能，为研究机车的运行安全性提供方法。

1 铁道机车动力学性能评定标准

1.1 平稳性

平稳性是指机车在运行中产生的各种振动，它是集中反映机车系统稳定性和抗干扰能力的综合性参数，影响旅客乘坐的舒适度［3］。按照TB/T2360－93来评定，我国的平稳性评定等级的界限值如表1所示。

表1 我国机车运行平稳性等级

1.2 稳定性

1.2.1 轮对横向力

轮对横向力参照GB5599－85［4］来评定，以轮对的两导向力之和作为评价指标，其极限值为

在文献［4］中，对于机车，取α=0.85。当轴重21 000 kg，其静轮载Q0=103 kN，此值为66.9 kN。

1.2.2 轮重减载率

轮重减载率是指车轮所受垂向力的减载量与左右车轮平均垂向力的比值，用于衡量有无可能由于一侧车轮减载过大而导致脱轨。其参照GB5599－85［4］来评定，第一限度为机车运行安全的合格标准，第二限度为增大了安全裕量的限制标准。如表2所示。

表2 轮重减载率评定标准

1.2.3 脱轨系数

脱轨系数是指作用在车轮上的横向力和垂向力的比值，用于评定防止车轮脱离轨道的指标。按照TB/T2360－93来评定，其评定标准如表3所示。

表3 脱轨系数的评定标准

2 动力学分析计算模型

200 km/h六轴交流传动电力机车模型采用C0C0轴式，由1个车体、2个构架、6个驱动装置(电动机及齿轮箱等)和6个轮对组成。一系定位采用钢簧和双轴箱拉杆组合结构。垂向载荷主要靠钢簧支承，牵引刚度主要由轴箱拉杆提供，轮对的横向定位刚度则由轴箱拉杆和钢簧并联刚度提供。端轴装配有垂向减振器，轮对定位中还布置横向止挡。转向架的二系悬挂为高圆钢簧，转向架每侧有3个高圆簧，等间距布置在转向架的中部，车体的横向和垂向刚度基本由高圆簧提供，纵向采用了四边形牵引装置。为保证机车的运行品质，二系还布置了垂向、横向和抗蛇行减振器。其中每个转向架的4个二系垂向减振器对称布置在转向架两侧，每个转向架的2个横向减振器对称布置在转向架靠机车内侧的中间横梁，每个转向架还有两个抗蛇行减振器。驱动装置通过1个球铰和2根吊杆连接在构架上，从而实现驱动装置与构架的弹性横动。驱动装置和构架间设置1个横向减振器，驱动装置与轮对间的运动补偿由空心轴实现［5］。机车模型如图1所示。

图1 200 km/h六轴交流传动电力机车模型

3 制动工况的模拟

机车在制动时，由于是非稳态的工况，受力复杂，主要有3方面的外力:首先是由于施加制动力矩受到的轮轨的制动力;其次是通过车钩受到的来自衔接车辆的动作用力;再者是机车的运行阻力，包括冲击振动阻力以及空气阻力等。其中制动力矩的施加对机车的动力学性能最大，所以本文只考虑制动时制动力矩的影响，并且将制动力矩作为定值输入［6］。

在电力机车的模型中，其粘着系数u=0.25，车轮最小静载力Q=100.42 kN，所以车轮所能承受的最大制动力根据式(2)［7］

可得B≈25 kN

则轮对所受最大制动力矩根据式(3)

可得T=31.25 kN·m，其中，R为车轮半径。

在文中的模型中，在每个轮对上施加的力矩小于最大制动力矩T，以此来保证在车轮不打滑的情况下来研究200 km/h电力机车在制动工况下的动力学性能。

4 惰行和制动工况动力学计算结果分析

惰行工况是指机车在不受牵引力和制动力，保持匀速运行的状态。在制动工况下，对每个轮对施加恒定大小的制动力矩，以此来分析机车以100～200 km/h的速度通过直线轨道的动力学性能，其中线路的不平顺等级为美国6级线路。

4.1 稳定性动力学性能比较

4.1.1 轮对横向力

轮对横向力计算结果如图2所示。

图2 轮对横向力比较

由图2所示，惰行工况中轮对横向力随着速度的增大，不断增大，且在相同速度时第三轮对的轮对横向力值最大，所以可以用第三轮对的最大值27.6 kN作判断，远小于极限值66.9 kN。而在制动工况中，轮对横向力的变化趋势与惰性工况大体一致，且同一速度下各个轮对横向力值相差不大。

4.1.2 轮重减载率

轮重减载率计算结果如图3所示。

由图3所示，惰行工况中轮重减载率随着速度的增大而不断增大，最大值为0.27，小于规定的第二限度。在制动工况中，轮重减载率的变化趋势与惰性工况大体一致，且同一速度下各个轮对的减载率值相差不大。

图3 轮重减载率比较

4.1.3 脱轨系数

脱轨系数计算结果如图4所示。

图4 脱轨系数的比较

如图4所示，惰行工况中，脱轨系数随着速度的增大而不断增大，最大值为0.13，远＜0.6，属于优良等级。在制动工况中，脱轨系数的变化趋势与惰性工况基本一致，且同一速度下各个轮对的减载率值相差不大。

由以上对比可得，直线上运行的200 km/h电力机车在制动工况下的稳定性性能与惰性工况相比并无明显变化。

4.2 平稳性性能比较

4.2.1 垂向平稳性

机车前、后司机室的垂向平稳性计算结果如图5所示。

图5 前后司机室垂向平稳性指标

如图5所示，在惰行工况下，前、后司机室的垂向平稳性指标随着速度的增大，变化很小，说明速度对垂向平稳性指标影响不大。而在制动工况中，前后司机室的垂向平稳性指标略大于惰行工况，且当制动初速度为100 km/h时，垂向平稳性指标与其它制动初速度下的值相比，有很大突变。

平稳性指标是由振动加速度和振动频率决定的，在制动工况下，制动初速度为100 km/h和120 km/h的前司机室的垂向振动加速度比较如图6所示。

图6 不同制动初速度下前司机室垂向加速度比较

如图6所示，在制动初速度为100 km/h时，随着时间的增加机车速度不断减小，当机车运行速度低于某个临界速度时，垂向振动加速度开始剧烈地变化，且远大于临界速度之前的振动加速度，由此使垂向平稳性指标在初速度为100 km/h时产生大的突变。而在0～20 s的时间内，制动初速度为120 km/h时，并没有减少到临界速度，垂向振动加速度变化不大，所以垂向平稳性指标变化很小。

在惰行和制动工况中，当匀速速度和制动初速度均为120 km/h时，前司机室垂向振动加速度如图7所示。

图7 匀速和制动工况前司机室垂向加速度比较

如图7所示，与匀速工况相比，对机车施加制动的开始一小段时间内，由于机车受到突然激扰，垂向振动加速度迅速变大，而后因机车的惯性力和悬挂弹性力的作用，车体的垂向振动趋于平稳［8］。

4.2.2 横向平稳性

机车前、后司机室横向平稳性指标计算结果如图8所示。

图8 前后司机室横向平稳性指标

如图8所示，在惰行工况下，前、后司机室的横向平稳性指标随着速度的增大，变化很小，说明速度对横向平稳性指标影响不大。而在制动工况中，前后司机室的横向平稳性指标受速度影响同样不大。

5 结束语

综上所述，可以得出结论:(1)200 km/h电力机车在直线上制动时，随着制动初速度的增大，其稳定性指标逐渐变大。(2)制动工况下的稳定性性能与惰性工况相比并无明显变化，所以在直线上制动时对机车稳定性影响不大。(3)在制动工况下，当机车速度低于某个临界值时，前、后司机室垂向振动加速度剧烈变大，严重影响了机车舒适性和平稳性。(4)在直线轨道上制动时，对机车横向平稳性指标影响不大。

［1］ 严隽耄，傅茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

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