第28卷增刊 2008年1 2月 文章编号:1008—7842(2008)S一0155—05 铁道机车车辆 RAILWAY LOCOMaI1VE&CAR  ̄o1.28 Suppl Dee.20o8 目\馨 瞬隧辎稃 足罩I}靛解…捺 0 8 6 4 2 O HXD1型机车转向架悬挂系统研究 陈国胜 ,罗祷2 (1 中国南车集团 株洲电力机车有限公司,湖南株洲412001; 2西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川成都610031) 摘要对XHD1机车进行了动力学性能评价;进行了悬挂系统参数适应性分析;分析了悬挂系统结构及布置 XHD1型机车;转向架;悬挂系统;研究 文献标志码:A 方式对机车动力学性能的影响。 关键词中图分类号:U264.8.331 HXD1型机车是由南车株洲电力机车公司制造的新 钢弹簧+单轴箱拉杆+垂向减振器,二系采用钢弹簧 +垂向减振器+水平横向减振器;HXD1机车轴重可通 0 8 6 4 2 O 代交流传动重载货运电力机车,该机车的转向架采 用了比较先进的技术,如轮盘制动、滚动抱轴承传动、 一目 馨 瞬瞪辎帽鞲匠 灰辩…按 过一系、二系调整垫和车体压铸铁方便实现23 t和25 t 之间的转换。本文中就HXol型机车总体动力学性能 评价分别考虑了两种不同轴重的机车动力学性能,而 参数适应性分析以25 t轴重为基础。 (1)临界速度 如图1所示,23 t轴重I-[XD1机车线性临界速度为 340km/h;如图2所示,25t轴重HXD1机车线性临界 整体免维护轴箱轴承等;其悬挂系统采用二系高扰钢 弹簧、一系采用单轴箱拉杆轮对定位结构。这些先进 技术的采用保证了机车在重载牵引条件下以较高的速 度运行。 1机车总体动力学性能评价 HX 1型机车转向架采用两系悬挂系统,一系采用 目由同晾0.6mm 一自由间隙0.2mm 钠箱目由同隙0.6mm 一自由间隙0.4mm 种箱自由间隙o.2m 轴箱自由间隙0.4mm 一50 100 150 2OO 250 300 350 50 1O0 150 200 250 300 35O 运行速度/(km・h ) 运行速度/(km・h ) 图1 23 t轴重机车线性临界速度 图2 25 t轴重机车线性临界速度 /’ 一一r ● ‘●.5’ J …5一一 ,5 掣 秘 疽 溪 r /I l, 5 - ‘:●・I :・・6。 , ●I ●。 匣 5 , ..帮 斗< 瞄 啪 斗< I.,6 6 23t 轴重 … 嚼 ,● ,’ 6 -,- 一礞差线路 运行速度/(km・h-1) 运行速度/(km ) 圈3直线运行横向平稳性指标 图4直线运行垂向平稳性指标 陈国胜(1966一)男,四川西充人,教授级高级工程师(收稿日期:2008—08—30) 156 铁道机车车辆 第28卷 速度为360 km/h。 了机车在AR5级线路上的运行速度,而轮轨垂 表3直线运行轮轴最大轮轨力 轮轴横向力 (2)直线运行性能 向力虽然明显增加,但是仍然没有超过极限值。 kN 半阻尼 AAIi6 如图3、图4及表1所示,在AAR6级线路上, 23 t轴重和25 t轴重机车以40~140 km/h速度运行,横 向平稳性指标和加速度都是优良;在AAR5级线路上, 23 t轴重机车横向加速度都是优良,速度在80~ 速度/ (kin・hI1) 40 60 8o 轮轨垂向动作用力 正常 AA AA 正常 半阻尼 AAR5 A峨13.27 l8.52 14.o7 2o.53 l6.08 28.97 14.20 25.99 I8.70 25.48 21.36 32.16 l7.37 30.99 22.92 56.I9 21.85 29.11 22.39 31.52 l8.77 34.68 17.28 41.54 120 km/h范围内,横向平稳性指标为合格,在计算范 围内的其他速度时,机车横向平稳性指标都是优良; 25 t轴重机车在计算范围内的横向平稳性指标和加速 度都是优良;在较差线路上,23 t轴重机车只能以 60 km/h以下速度运行,25 t轴重机车只能以70 km/h 以下速度运行,横向平稳性指标不超过合格等级;在 40 140 km/h速度范围机车横向加速度都是优良。 (3)曲线通过性能 如表2所示,机车可以安全地通过大、中、小半 径困难条件的曲线,具有良好的曲线通过性能。 表1直线运行轮轴最大垂向轮轨动作用力 kN 速度/ 望! 重垂 笙塾 堡 垄! 重垂旦笙塾 堡星 (km‘hI1)AAR6 AAR5 较差 AA 较差 轴重工况 尹 (4)各减振器减半后的动力学性能 如图5、图6及表3所示,在机车所有减振器都只 能发挥一半的作用时,机车车体平稳性指标和加速度 。。 ●’~~ , ,- ・ - ,: 。’:5- 5 ~一5。. 一 __ _ ~ ,~ , Jj- .6- ‘ .溪 - l \.. ;\.:古 = ●,,6 厦 ,23t毒fi 重 帮 .堪 /6 一 。.。s .。壹常,正常,AAAR5 AR6 ●, ——半阻尼,从Ii6 …半阻尼,从 』 ▲ 运行速度/(km・hI1) 图5机车直线运行横向平稳性指标 10o 23.50 30.73 22.29 29.63 2o.94 39.13 25.83 71.37 l2o 25.41 34.24 22.o6 32.05 22.68 44.55 33.42 87.68 140 28.19 40.78 26.55 42.28 24.84 49.77 35.75 lo5.02 2悬挂系统参数适应性分析 (1)一系刚度 当一系纵向刚度在10.0~60.0 MN/m范围内,平 稳性指标变化不大;非线性稳定性仍然满足120 km/h 运行要求。如图7所示,当一系纵向刚度小于 20 MN/m,轮轴横向力迅速增加,尤其是第一、三轴。 由于增大一系纵向刚度对曲线通过不利,建议一 系纵向刚度取30.0~45.0MN/m,目前设计值36MN/m 是合理的。 一系横向刚度主要影响机车的横向动力学性能, 而对垂向动力学性能影响较小。其对横向平稳性指标 和轮轴横向力的影响见图8、图9。 图中降低一系横向刚度,可以降低平稳性指标和 轮轴横向力;当一系横向刚度在4.0~6.0 MN/m范围 内,平稳性指标变化不大。 在计算范围内,非线性稳定性仍然满足120 km/h 运行要求。 对于HXD1机车单轴箱拉杆方式,一系横向刚度 基本上由弹簧的横向刚度提供,由于过小的一系横向 刚度对曲线通过不利,建议一系横向刚度取3.5~ 5.0 MN/m,目前设计值4.83 MN/m是合理的。 一系垂向刚度主要影响机车的垂向动力学性能, 对横向动力学性能影响较小。一系垂向刚度对机车垂 向动力学性能的影响见图l0。轮轨垂向作用力远远小 ●, , 一 。 蟑 ● , .5 ; 。-蛆 -● 5 嚣 , —一 , 5 , ,・宣 . , ,} / 。一6一一 :一一6一 。\/ 斗< /6/ 231:轴重 .略 /6/ 常。 I 6 r/6/ -5-止吊,——半阻尼,AA AAIi6 …半I咀尼, s 运行速度/(m・h ) 图6机车直线运行垂向平稳性指标 增刊 HXD1型机车转向架悬挂系统研究 \ 足辎幂辑 嚼 ∞ 157 舁}j;}骥 足 嬲 砷 卯 柏 3.2 ∞ --、 、 【 一1一 F一址 匠 颦 ‘\ 一聚二 一 一暴 第三轴 辑 \ 一爿 'Ita.l;[1I:I \ --- 蜂 \ l’’, ,, . 2o 30 40 5o 6o 一系纵向刚度/(UaS・m ) 图7一系纵向刚度对轮轴横向力的影响 l :一一身 袭三罐 一牙 :面辐 额 至i至 !:一 =: =; 兰}_一3_一- . 墨 至;兰 / /一 /‘ /: 一一后 前 . ,l 二系纵横向刚度/(MN・m-1) 图11二系横向刚度对横向平稳性指标的影响 蜷 一前 …后 嚣 匠 啪 一系垂向阻尼/(kN-m ) 图13一系垂向阻尼对垂向平稳性指标的影响 于极限值,而且和平稳性指标有相似变化规律。 计算范围内,降低一系垂向刚度,机车的垂向平 稳性指标和轮轨垂向作用力都减小。目前一系垂向刚 度为每轴箱2.91 MN/m,建议在结构允许的条件下进 3・1 ,,一 .-蠡。.o 一前 厦 …后 耱2.9 3.4 嬷 3.2 --●_-● ●● ●● 秘 3.O \ 厘耱暴辑 略 r /。 , ●, ●一・宣 , 前 L…1肆}1 后 2.8 2.6 1.5 2.O 2.5 3.0 3.5 4.0 一系垂向剐度/(r,m・m ) 图1O一系垂向刚度对垂向平稳性指标的影响 - 一第一!i硅『 一:一第二!I畦 『 一 一第三轻 I 一第四轻 / , — ~4--_: }:===i====== / :!’-~’ .—.._一 -■_-_一- ’’。一5__-一 ・I-___-~3-__・-一 二系纵横向刚度/(MN-m-1) 图12二系横向刚度对轮轴横向力的影响 I 一 一第一轴 一:一第二轴 一 一第三轴 \ 一第四轴 暖 世 : 『/ 需 ’ 一, ———一 足 _ ‘ }———一 ,/ r啪 _ I● }===::=1 ‘ , l 158 铁道机车车辆 第28卷 刚度对机车车体的横向动力学性能的影响见图l1、图 12。 二系垂向阻尼主要影响机车的垂向动力学性能, 对横向动力学性能影响较小。当二系垂向减振器卸荷 速度为0.1 m/s时,二系垂向减振器阻尼对机车的垂 向动力学性能的影响见图l5、图16。在计算范围内, 垂向力远远小于规定的极限值。 在计算范围内,轮轴横向力远远小于规定的极限 值;由于过小的二系横向刚度还会引起曲线通过时二 系横向止挡频繁接触,建议二系横向刚度取0.1~ 0.2MN/m。目前二系采用6组弹簧,二系横向刚度 0.226 5 MN/m。 可见二系垂向减振器阻尼对前端垂向平稳性指标 有显著影响,当阻尼超过80.0 kN・s/m后,变化不大。 二系垂向减振器阻尼设计值90.0 kN・s/m是合理的。 二系垂向刚度主要影响机车的垂向动力学性能, 对横向动力学性能影响较小。如图l5所示,减小二系 垂向刚度,对机车的垂向平稳性指标和轮轨垂向作用 力都有利。目前二系垂向刚度为每组0.557 MN/m,建 议在结构允许的条件下进一步降低二系垂向刚度。 (3)一系垂向阻尼 一系垂向阻尼主要影响机车的垂向动力学性能, 对横向动力学性能影响较小。当一系垂向减振器卸荷 速度为0.1 m/s时,一系垂向减振器阻尼对机车的垂 向动力学性能的影响见图13、图14。 图中结果说明减小一系垂向减振器阻尼,可以降 低垂向轮轨动作用力,当阻力小于40.0 kN・s/m后, 前端平稳性指标增大。建议一系垂向减振器阻尼在40 ~60 kN・s/m,目前设计值45.0 kN・s/m是合理的。 (4)二系垂向阻尼 蜷 瓣 厦 1肆} I二系垂向刚度/(MN-nl一 ) 图15二系垂向刚度对垂向动力学性能的影响 穗 星 鼙 第一段 ——卸: 速度0.01 m/s …卸: 速度0.025m/s 。’卸: 速度0.04m/s 0 20 加 6o 80 100 二系横向阻尼/(kN I11 ) 图17二系横向阻尼对横向动力学性能的影响(第1段) (5)二系横向阻尼 二系横向阻尼主要影响机车的横向动力学性能, 而对垂向动力学性能影响较小。HXD1机车二系横向减 振器特性由5段组成,数值如表4。 表4二系横向减振器特性 速度/(m・s。) 0.025 O.05 0.075 o.1 0.3 拉压阻尼力/N 1 700 3900 5 000 6000 11 300 ①二系横向减振器特性第一段 计算中后4段阻尼系数和卸荷速度不变,当二系 横向减振器卸荷速度为0.01 m/s、0.025 m/s和 0.04 m/s时,第一段二系横向减振器阻尼对机车横向 动力学性能的影响见图17。可见,降低第一段二系横 向阻尼,尤其是减小第一段卸荷速度,可以改善机车 120 km/h直线运行横向平稳性,但是90 km/h直线运 蜷 \ -。后 前 掣 \ 辫 \ 幢 悯 ●- .一-~。 二系垂向阻尼/(kN m ) 图16二系垂向阻尼对垂向动力学性能的影响 90km/h ; - _I・ 掣 二: 一 秘 ・ 斗 ’ 足 毒霉f 120km/h 第二段 一卸荷速 0.03m/s …卸荷速 0.05m/s …’卸荷速£ 0.07m/s 2 3 4 5 6 二系横向卸荷阻尼力/kN. 图18二系横向阻尼对横向动力学性能的影响(第2段) 增刊 蟑舁}掣讴 星 3 3 3 2 HXD1型机车转向架悬挂系统研究 159 3 3 3 3 3 2 2 4 2 O 8 8 6 4 2 O 8 6 一 一 一 一 一 一 — 90km/h .t 一-一-一 。 ; ’…。 - _ I- 二 . 120km/h 第3段 一卸荷速度O.06 m/s …卸荷速度0.07 n …卸荷速度0.09m/s J 4 6 8 l0 二系横向卸荷阻尼力/kN 图19二系横向阻尼对横向动力学性能的影响【第3段)行横向平稳性恶化。建议第一段二系横向阻尼为60~ 8O kN・s/m,目前设计参数68 kN・s/m是合理的。 ②二系横向减振器特性第二段 当二系横向减振器第一段按表4数值,其他段阻 尼系数和卸荷速度不变,第二段卸荷速度为0.03、 0.05 m/s和0.07 m/s时,二系横向减振器第二段卸荷 阻尼力对机车横向动力学性能的影响见图18。结果说 明,减小第二段二系横向阻尼力,增大第二段卸荷速 度,可以改善机车120 km/h直线运行横向平稳性,但 是90 km/h直线运行横向平稳性恶化。建议第二段二 系横向卸荷阻尼力为3.5 4.5 kN,目前设计参数 3.9 kN是合理的。 馨 二l系弹簧纵向布芊 掣 {醇 星 鼙 二系纵横向剐度/(心・nlI1) 图21纵向布置二系横向刚度对横向动力学性能的影响 \ I 嘲22 ——横向布壹 ,, …纵向布置/ / 厘2o .辍 斗< .略18 / 掘 。 , 最 / 16 一 I1 ‘ 瓣 匠 二系横向卸衙阻尼力/kN 图20二系横向阻尼对横向动力学性能的影响(第4段) ③二系横向减振器特性第三段 当二系横向减振器第一、二段按表4数值,其他 段阻尼系数和卸荷速度不变,第三段卸荷速度为 0.06、0.075 m/s和0.09 m/s时,二系横向减振器第三 段卸荷阻尼力对机车横向动力学性能的影响见图19。 结果说明,减小第三段二系横向阻尼力,增大第三段 卸荷速度,可以改善机车120 krn/h直线运行横向平稳 性,但是90 km/h直线运行横向平稳性恶化。建议第 三段二系横向卸荷阻力为5~6 kN,目前设计参数5 kN 是合理的。 ④二系横向减振器特性第四段 当二系横向减振器第一、二、三段按表4数值, 二系悬挂纵向布 3.2 ——前 …后 s.0 旧 蝴2.8 2.6L O.2 二系垂向刚度/(MN・mI1) 图22纵向布置二系垂向刚度对垂向动力学性能的影响 ’ ’~~。 ’_ 。 。、 ●ll《 . -横向布j £ 襄 ‘纵向布j £ l1 / 二系垂向刚度/(MN・m-1) 图24不同布置方式二系垂向刚度对二系 最大垂向变形的影响 第28卷增刊 2008年1 2月 文章编号:1008—7842(2008)S一0160—03 铁道机车车辆 RAⅡlWAY IDC0M ⅡⅦ&CAR Vo1.28 Supp1. Dec.2008 HXN3型机车转向架的设计开发理念 曲天威,王惠玉,芮斌,郑长国 (中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁大连116022) 摘要重点介绍了在设计开发HXN3型机车的过程中,对转向架构架的设计开发理念、结构强度的仿真计算 HXN3型机车;转向架;构架;仿真分析;疲劳试验 文献标志码:A 分析以及结构强度的试验和评价。 关键词中图分类号:U262.5.331 HX 3型机车是为满足我国铁路快速发展和实现铁 路装备现代化的需要而设计开发的新型大功率高速干 线货运内燃机车。众所周知,在大功率内燃机车的开 发中,首先遇到的难题是机车的重量问题,要求机车 曲天威(1974一)男,辽宁大连人,高级工程师(收稿日期:2008—09—15) 第五段阻尼系数和卸荷速度不变,第四段卸荷速度为 0.08、0.14 m/s和0.2 m/s时,二系横向减振器第四段 卸荷阻尼力对机车横向动力学性能的影响见图20。结 果说明,减小第四段二系横向阻尼力,增大第四段卸 (2)二系悬挂 HXn1机车二系悬挂每转向架6组,每侧3组沿转 向架中间横梁横向布置。这里分析二系悬挂沿转向架 侧梁纵向布置时,二系横向和垂向刚度对机车动力学 性能的影响。图2l是二系横向刚度对横向动力学性能 荷速度,可以改善机车120 km/h直线运行横向平稳 性,但是90 km/h直线运行横向平稳性略略恶化。建 议第四段二系横向卸荷阻力为5.5~6.5 kN,目前设计 参数6 kN是合理的。 ⑤在计算范围内,轮轴横向力远远小于规定的极 限值,而且和平稳性指标有相似变化规律,这里不列 出其结果。 3悬挂系统结构、布置对动力学性能的影响 影响。二系垂向刚度对机车垂向动力学性能的影响见 图22。图21与图11几乎相同,图22与图15也几乎 重合。结果说明二系悬挂横向布置和纵向布置对机车 动力学性能影响非常小。 虽然二系悬挂横向布置和纵向布置对机车动力学 性能影响非常微小,但如图23、图24所示,横向布置 可以减小二系弹簧最大变形量。 3结束语 (1)一系悬挂装置 HX 1型机车一系悬挂采用钢弹簧+单侧轴箱拉杆 定位结构。轴箱拉杆两端采用球形橡胶关节。由于橡 通过以上XH 1型机车动力学总体性能评价、悬 挂参数适应性分析以及悬挂系统布置对动力学性能影 响分析等消化吸收工作,可以得出如下基本结论。 (1)XH 1型机车悬挂参数选择是合理的,但一、 二系垂向刚度可适当降低。 (2)XH。1型机车悬挂系统结构及布置也是非常科 胶关节径向刚度大,回转刚度小,因而使轴箱纵向具 有较大的定位刚度,并可使轴箱相对构架能自由的沉 浮及绕本身轴线回转。该种结构的特点是结构简单, 且可实现一系纵向、横向及垂向刚度参数相对, 这样动力学计算比较准确,并有利于一系纵、横及垂 向刚度的优化。 学的,其二系横向布置可改善弹簧的受力状态。 Research of Suspension System for the XHol Locomotive Bogie CHEN Guo—sheng1.LUO yun (1 GSR.Zhuzhou Electirc l ocomotive LTD.,Zhuzhou 412001 Hunan,China; 2 Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 Siehuan,China) Abstract:]his paper evaluates the dynamics performance of HXD1 locomotive;analyzes the adaptability of the parameter for the suspension system; haw analyses the structure and the dispo ̄d of the suspension system influence the dynamics performance of HXD1 locomotive. Keywords:HXD1 locomotive;bogie;suspension system;research