重载机车轴重对其动力学性能影响的探讨

李华祥， 张志和， 吕士勇， 刘 鹏

(中车大同电力机车有限公司 技术中心， 山西大同 037038)

提高轴重是世界各国重载运输一致采用的一项重要举措,是降低运行成本的最有效的办法之一。轴重的增加,可提高机车黏着利用率,提高牵引力,加大单列车运输能力,增加经济效益[1],但轴重的增加也意味着轮轨作用力产生变化,分析轴重增加后对机车和钢轨之间作用力的影响,探讨影响的原因和因数,研究轮轨动作用力的特点，以达到减小和消除轴重增加带来的不利影响,对重载机车的设计、制造和应用具有实际的意义和重要的作用。

机车运行时，轮轨之间主要承受3个方向的载荷，即垂向载荷、横向载荷和纵向载荷。垂向载荷由机车质量所产生的静载荷和垂向振动引起的附加动载荷组成，横向载荷由机车通过曲线时产生的轮轨导向力及机车横向振动引起的附加横向载荷组成，纵向载荷包括牵引力和制动力以及纵向冲动引起的冲击力，这些载荷的作用效果可用机车动力学评定指标——运行安全性和运行平稳性指标来评价。

文中主要对机车轴重增加后对动力学性能的影响进行探讨。采用测力轮对法对影响机车安全性指标的脱轨系数和线路横向稳定性系数、采用加速度传感器对影响机车平稳性指标的车体振动加速度等指标进行测试，通过对测试结果的分析探讨机车轴重增加对机车动力学性能的影响。

1 试验车型说明

被试机车为2种车型，一种为八轴23 t/25 t轴重机车，机车最高运行速度为120 km/h，另一种为八轴27 t/30 t轴重机车，机车最高运行速度为100 km/h。2种车型的轴重均可通过增加和减少车内配重块实现各自机车不同轴重之间的转换。2种车型外型图见图1和图2。

对于机车来说,机车转向架悬挂装置的性能对机车的运行平稳性和走行安全性起主要作用，转向架悬挂装置根据所处位置的不同分为一系悬挂装置与二系悬挂装置，图1和图2所示的八轴机车均在轴箱与构架之间设置一系悬挂装置，在车体与转向架之间设置二系悬挂装置。

八轴23 t/25 t轴重机车转向架一系悬挂装置采用钢弹簧+双轴箱拉杆结构，在轴箱体上有两组螺旋钢弹簧，在轴箱体两侧各安装有一个轴箱拉杆，并配置有一系垂向减振器；二系悬挂装置由两组二系悬挂螺旋钢弹簧作为承载主体，同时在构架与车体间设置二系横向减振器以衰减振动[2]。

图1 八轴23 t/25 t轴重机车

图2 八轴27 t/30 t轴重机车

八轴27 t/30 t轴重机车转向架一系悬挂装置采用技术成熟的钢弹簧+双轴箱拉杆结构，并配置垂向减振器。考虑轴重及牵引力的增大，轴箱采用双拉杆结构，通过合理匹配横向定位刚度，以提高小曲线通过能力，同时降低轮对横向力[3]；通过仿真计算可知，降低一系垂向刚度可以明显降低机车的垂向轮轨动作用力，很好的改善轮轨冲击作用，大轴重机车更适合采用一系软、二系硬的悬挂结构[4]，因此大轴重机车二系悬挂装置采用橡胶堆+横向减振器的结构，橡胶堆的工作高度相对高柔钢弹簧的工作高要低些，可减小车轴的负载，保证机车具有良好的黏着性能，减小轴重转移。

2种机车转向架外形图见图3和图4。

图3 八轴23 t/25 t轴重机车转向架

图4 八轴27 t/30 t轴重机车转向架

2 机车运行安全性测试评价

机车运行安全性可用脱轨系数和线路横向稳定性系数来表征。脱轨系数和线路横向稳定性系数通过作用于机车车轮与钢轨之间的垂向力和横向力的测量和计算完成，轮轨力的测量采用测力轮对方式进行，试验前，需要进行测力轮对的技术整备工作，完成轮轨力测量电桥贴片、静态标定与动态校核等作业，车轮旋转一圈给出一对有效峰值，轮轨间垂向和横向作用力通过测力轮对直接测量得到， 2种车型均在机车前进方向安装了两条测力轮对，分别安装在前进方向的第1轴位和第5轴位。

2.1 脱轨系数

脱轨系数用于评定被试机车的车轮在横向力作用下是否会爬上钢轨而造成脱轨。

标准TB/T 2360[5]规定的脱轨系数限值见表1。

按测力轮对法对不同轴重的机车进行不同速度等级下的直线运行试验，从试验结果看，前进方向第1轴的脱轨系数较其他轴的脱轨系数要稍高一些，因此在进行数据分析时各型机车均选取1轴的脱轨系数评定值进行比较，图5即是在4种轴重下的八轴机车脱轨系数的对比图。

表1 脱轨系数Q/P的限值

图5 不同轴重下的八轴机车脱轨系数对比图

在直线运行试验中，在90 km/h速度下，采用同一转向架的23 t轴重机车和25 t轴重机车脱轨系数相同，并无明显的增大，在90 km/h速度以上轴重大的机车脱轨系数会有小幅度增加。在80 km/h速度下，采用同一转向架的27 t轴重机车和30 t轴重机车脱轨系数不同，30 t轴重机车脱轨系数增幅稍大。

考虑到27 t/30 t轴重机车最高运行速度为100 km/h，23 t/25 t轴重机车最高运行速度为120 km/h，因此也对速度为60 km/h以上的27 t/30 t轴重下的脱轨系数进行了对比，见图6。

图6 27 t/30 t轴重下的八轴机车脱轨系数对比图

从图6可知，27 t/30 t轴重机车脱轨系数0.16(60 km/h)，脱轨系数从60 km/h速度后开始增大，轴重的增加在高速的时候对脱轨系数的影响加大，在60 km/h 速度情况下差异小，这和23 t/25 t轴重机车脱轨系数的曲线规律是一致的，只是脱轨系数增大的速度点前移了。100 km/h速度下的30 t轴重机车脱轨系数为0.34，是测试中脱轨系数最高的评定值，但在评定等级的优良范围值0.6之内。

2.2 轮轴垂向力

机车轴重增大会带来轮轨垂向静载荷的增加，再加上轮轨间的动载荷作用，轮轴垂向力随轴重的增加都会改变，测试结果见图7。

图7 不同轴重下的轮轴垂向力对比图

采用相同悬挂设计的机车轮轴垂向力受速度增加的影响很小，轴重的增加会引起轮轴垂向力的小幅度增加，其中轮轨间动载荷又受线路环境条件和运行工况的影响，其不确定因素较大。

从图7的试验结果也可看到27 t/30 t轴重机车轮轴垂向力较23 t/25 t轴重机车无明显大的增幅，在27 t/30 t轴重机车悬挂设计中采用了一系软、二系硬的悬挂结构，试验结果也表明对于降低机车的垂向轮轨动作用力有明显的改善。

2.3 轮轴横向力和线路横向稳定性

线路横向稳定性系数表示线路在机车横向力的作用下，可能产生轨距扩大或轨排横移的程度。

标准TB/T 2360规定的线路横向稳定性系数限值见表2。

表2 线路横向稳定性系数C限值

采用动力学仿真分析方法对机车轮轴横向力和线路横向稳定性进行评估。在直线运行工况，前进方向中间轴的轮轴横向力较第1轴要稍高一些，因此各型机车均选取中间轴的轮轴横向力数值进行比较，并折算为线路横向稳定性系数，图8是在4种轴重下的八轴机车中间轴轮轴横向力的对比图。

机车的一系悬挂横向刚度对机车的轮轨横向力影响非常大，从图8可知，采用相同悬挂设计的23 t/25 t轴重机车轮轨横向力几乎没有变化，不受轴重和速度的影响，而采用相同悬挂设计的27 t/30 t轴重机车轮轨横向力受轴重增加的影响较大，受速度增加的影响较小，这也反映了大轴重机车采用垂向刚度一系软、二系硬的悬挂方式虽然有利于减小垂向力，但一系悬挂垂向刚度低对于轮轨横向力的改善不明显。

线路稳定性对一系悬挂纵向、横向刚度的要求是矛盾的，因此TB/T 2360标准对轮轨横向力并没有限值要求，评定指标采用的是受轮轨垂向力和横向力共同作用下的线路横向稳定性系数，因为在设计中会 根据具体机车结构对悬挂参数进行最优化选择，图9是在4种轴重下的八轴机车中间轴线路横向稳定性系数的对比图。

图8 不同轴重下的八轴机车中间轴轮轴横向力对比图

图9 不同轴重下的八轴机车线路横向稳定性系数对比图

23，25，27 t轴重机车线路横向稳定性系数评定等级最高为0.57，在优良范围0.7以内，30 t轴重机车线路横向稳定性系数评定等级在良好范围0.88以内，优化选择后的悬挂参数对于27 t轴重机车的线路横向稳定性作用效果明显，对于30 t轴重机车线路横向稳定性的作用效果不明显，可继续研究更适宜的悬挂参数减小轴重带来的影响。

3 机车运行稳定性测试评价

机车运行平稳性可用车体振动加速度值来表征。振动加速度包括垂向和横向加速度，通过设置在车体前后牵引梁和司机室座椅底部地板中央的加速度传感器来测量，对测量数据按标准规定处理后来评价机车的运行平稳性。TB/T 2360标准规定的车体振动加速度和平稳性指标各评定等级的限值见表3。

图10和图11即是在直线运行时，4种轴重状态下的八轴机车车体垂向和横向振动加速度的对比图。

表3 车体振动加速度和平稳性指标评定等级

图10 不同轴重下的八轴机车车体垂向振动加速度对比图

图11 不同轴重下的八轴机车车体横向振动加速度对比图

运行速度的增加会引起车体垂向振动加速度和车体横向振动加速度的增大，但增大的幅度小，对机车运行平稳性的影响很小。

轴重的增加，在采用同样的转向架参数的情况下，机车的车体振动加速度有所改善，机车运行的舒适度更高一些。

图12和图13是在直线运行时，4种轴重状态下的八轴机车车体垂向和横向平稳性指标的对比图。

从图12和图13可知，运行速度的增加会引起机车垂向和横向平稳性指标的增大，但增大的幅度小，对机车运行平稳性的影响很小；轴重的增加，在采用同样的转向架参数的情况下，轴重的增加会改善车体平稳性，但改善的幅度小，对机车运行平稳性的影响很小。

从以上数据也可得知，机车的平稳性更多的影响因素不是机车的轴重，而是转向架的结构形式和悬挂参数。

图12 不同轴重下的八轴机车垂向平稳性指标对比图

图13 不同轴重下的八轴机车横向平稳性指标对比图

4 结 论

通过不同轴重下的机车运行安全性和平稳性指标的实际测量值进行测量并分析研究，同时参考机车设计时的仿真分析结果，有如下结论：

(1) 机车在直线轨道上运行，在80 km/h速度下，轴重的增加对采用相同转向架结构及悬挂参数的机车脱轨系数无明显的增大，在80 km/h速度以上轴重大的机车脱轨系数会有小幅度增加。轴重的增加在高速的时候对脱轨系数的影响加大，因此，大轴重机车更适宜重载中速的运行模式。轮轨间作用力和线路横向稳定性指标都在标准许可范围之内，安全性评估满足使用要求。

(2) 采用相同转向架结构及悬挂参数的机车，轴重的增加会改善车体平稳性，影响机车平稳性更多的因素不是机车的轴重，而是转向架的结构形式和悬挂参数。两种机车的车体振动加速度和平稳性指标都在标准许可范围之内，平稳性评估满足使用要求。

通过试验和分析表明，轴重增加后的重载机车动力学性能满足标准要求，通过增加机车轴重可以提高机车牵引力或改善机车的黏着性能，重载机车的推广应用将具有良好的社会效益和经济效益。

[1] 鲍维千.内燃机车总体及走行部[M](第4版).北京:中国铁道出版社,2004.

[2] 张志和，封全保，贾 峰，等.HXD2型交流传动重载货运电力机车转向架[J].机车电传动,2008(3):6-7，11.

[3] 马呈祥，寇树仁，杨俊杰，等.30 t轴重交流传动电力机车转向架的设计思考[J].铁道机车车辆,2013，33(S1):103-106.

[4] 孙永路，陈 康.33 t大轴重机车的轮轨动作用力研究[J].铁道机车车辆,2012，32(4):28-31.

[5] TB/T 2360铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].北京:中华人民共和国铁道部,1993.

[6] 检验报告.(2007)JL字第W189号[R].北京:铁道部产品质量监督检验中心,2007.

[7] 检验报告.(2014)JL字第W-1039号[R].北京:铁道部产品质量监督检验中心,2014.