一系橡胶减振垫对机车平稳性的影响

摘要：随着铁路技术的不断提升，列车运行速度正在不断提升。在120km/h以上速度运行时，机车的平稳性对运行安全，部件寿命和司乘人员的舒适度有深刻影响，而悬挂装置的结构和悬挂参数的匹配是影响机车平稳性的主要因素。以某内燃机车为例，分析钢制弹簧底部安装橡胶减振垫的机车一系悬挂结构对机车在高速运行时横向平稳性的影响。

关键词：橡胶减振垫;悬挂;机车动力学;平稳性

0  引言

我国作为地广物博的大国，冶金、能源等相关物资极度依赖铁路运输输送到各地。经济的快速增长同时带来了货运量的猛增，因此必须提升铁路运输能力，以满足货运量增长的需求。提升货车运输重量，提高运输能力的最重要手段之一就是提高运行速度。随着铁路技术的不断提升，我国的行车速度已经达到了120km/h以上，很多和谐型机车已经将最高运行速度提升至160km/h。但随着行车速度等级的提高，在高速段行驶（如140km/h）时，机车保持较好的平稳性指标非常关键。较大的振动加速度和幅度会降低部件寿命，直观上会影响司乘人员和乘客的乘坐体验，甚至是机车的行车安全。下面以某型內燃机车的一系悬挂装置结构为例，分析橡胶减振垫对机车横向平稳性的影响。

1  原因分析和验证

该型内燃机车在环线上的试运行中，当速度提升至130km/h以上时，司机室内的人员能明显感受到幅度非常大的、周期性的横向振动，其动力学性能不尽人意。

影响机车运行平稳性的主要因素是机车的悬挂装置结构和悬挂参数匹配。国内机车普遍采用了钢弹簧的一系悬挂装置配合高圆弹簧或橡胶堆的二系悬挂装置，辅以各向减振器。一系悬挂装置中的钢制螺旋弹簧，在其下方普遍配合了一种橡胶减振垫，以起到一定的隔振作用，钢弹簧吸收低频振动，橡胶结构则过滤一部分高频振动。这种经典结构可以在路内保有量极高的DF系列、SS系列机车中找到，在高速铁路车辆和地铁车辆上也大量采用。该内燃机车也采用了类似的减振垫结构，但轴箱装置的定位采用了单拉杆结构（图1）。这种结构是近年来和谐型电力机车上（如HXD3D）采用较多的结构。由于电力机车走行部需要将车上的电流和滚动轴承绝缘，HXD3D机车没有使用橡胶减振垫，改为了一些没有挠度和隔振性能的尼龙部件。该内燃机车在结构以及其他悬挂参数上非常接近HXD3D型电力机车，悬挂结构的主要区别就是有无橡胶减振垫。鉴于HXD3D机车多年运用中的优秀动力学表现，有理由认为，钢制弹簧和橡胶减振垫的组合结构影响了该内燃机车的动力学性能。

理论上，计算弹簧和橡胶减振垫的耦合刚度一般把减振垫简化为普通的弹簧单元，通过弹簧串并联的计算方法计算。结构设计者会调整弹簧参数以满足机车动力学计算时设置的垂向、横向刚度范围。但实际上，由于橡胶本身的材料特性和橡胶减振垫的结构特点，在机车运行时，减振垫和弹簧的变形方式不同，当其在竖直方向被压缩（或释放）时，会产生附加的偏转变形，在机车产生垂向振动时，减振垫的横向刚度会变小。另外，当橡胶垫发生偏转时，弹簧和橡胶垫的接触面可能产生滑移，在这个瞬间，弹簧的横向刚度会暂时变得极小。所以在机车实际运行时，弹簧+橡胶结构的轴箱装置横向刚度比理论计算的值小。

传统机车使用的双拉杆定位轴箱装置主要由拉杆结构提供横向刚度，而单拉杆结构本身横向定位刚度不高，主要的横向刚度是由弹簧结构提供的。因此当单拉杆定位的轴箱装置中，弹簧结构实际刚度偏离了机车设计时的预设范围，相当于在受迫振动公式中改变了一个常数，车辆在受到来自钢轨的激励时，车体的振动响应较大，导致机车动力学性能变差。

动力学性能的影响因素非常多，任何一个参数改变时都有可能使平稳性变好或变差。为了验证橡胶减振垫与横向平稳性的相关性，在不改变其他结构和参数的情况下，将该内燃机车的轴箱结构改变后进行测试，将橡胶减振垫换为了相同厚度的尼龙部件，其垂向变形极小，横向可视为刚体。改造后的机车在相同线路上的测试中运行至130km/h以上时，司机室横向振幅明显较改造前减小，在高速动力学试验中，测得的横向平稳性指标最大为2.4，能够满足测试标准的要求。这个结果与之前的分析是一致的。

2  结论

综上可以得到结论，当轴箱采用单拉杆定位时，在弹簧底部安装橡胶减振垫，整个结构的实际横向刚度比计算刚度小，可能导致一系悬挂参数偏离预设范围，刚度降低在一定程度上能够导致机车的横向平稳性降低。

但同时需要指出，没有减振垫的轴箱装置可能无法过滤掉一些来自于钢轨的高频振动，因此工程师在设计时，不能简单地放弃使用橡胶减振垫，可以通过实物试验，验证弹簧和减振垫的实际耦合刚度，当刚度不符合设定时，可以改变橡胶胶料或调整弹簧参数达到目的。

参考文献：

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作者简介：高健，男，满族，辽宁丹东人，助理工程师，研究方向为走行部设计师。