B0-B0轴式电力机车轴重调簧寻优分析经典文章
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（ 1. 中南大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410075； 2. 中国南车集团株洲电力机车有限公司， 湖南 株洲 412001） 摘 要： 机车调簧是保证机车轴重分配均匀的重要手段 0 文章通过对 SS4 型电力机车以及轴式为 B0- B0 的电力机车调
簧技 术 进行 分 析 研究 9 为 此 类机 车 达 到 最 优 轴 重 分 配 提 出 了 相 应 的 调 簧 寻 优 思 路 9 同 时 9 对 轴 式 为 B0- B0 的 电 力 机 车 9 给 出了当轴重分配达到部颁标准时机车重心纵向偏离所允许的最大范围 0
(4 )
车中第 ! 个转向架上的第 " 个轮对在 # 轴上的位置为
式 (4) 中 9#0-#29#3- #09#4-#09A#9% 是 常 数 9 且 均 大 于 00 只有 !29!3 和 !4 是相互约束的变量 9可以用图 4 表示 它们之间的关系 0 机车的重心向右偏离 #0 一个距离 A# 后 9 各个支点 受力变化如图 4 所示 0 由假设可知 9!4 为支点间支承力的 最大偏差值 9 从 图 4 中 可 以 看 出 9!2 减 小 对 !4 的 减 小 有 利 9!3 的 增 加 对 !4 的 减 小 有 利 9 但
第 29 卷 第 4 期 2006 年 7 月 20 日
电力机车与城轨车辆
Electric Locomotiues & Mass Transit Vehicles
!
Vol. 29 No. 4 Jul. 20th 92006
!
检测 试验
B0- B0 轴式电力机车轴重调簧寻忧分析
杨振祥 1， 潘迪夫 1， 曾亚波 1， 黄明高 2
图l
B0- B0 轴式机车受力示意图
!49于是力矩平衡方程为
(#0-#l)+ ($l+!2)~ (#0-#2)+%~ $l~ A#= ($l+!3)~(#3-! ~ (#4-#0) #0)+($l+!4) 即 $l#0-$l#l +!$l#0 -!$l#2 +!2 ~ ( #0-#2)+!%~ A# = $l#3-! ~ (#3-#0)+$l#4-$l#0+!4 ~ (#4-#0) $l#0+!3
(l )
图2
机车受力示意图
使支点间最大支承力偏差出现在 $4 和 $2 之间 9 因为此时
~ ~ ~ ~ ~ % # = #l $l+#2 $l+#3 $l+#4 $l
(2 )
$4- $2 =
!# %- #0- #2 !2 >!49 这将使得最大偏差 #4- #0 #4+#3+2#0
# = l (#l+#2+#3+#4) 4
由于支点是对称布置 9 所以重力作用线 # 正好与机 车对称线 #0 重合 0 而机车的形心就在对称线 #0 上 0 故重 力作用线必通过机车支承面上的形心点 0 当机车重力作用线正好作用在机车支承面上 的纵向 对称点 #0 处时 9 各支点 支 承 力 与 平 均 支 承 力 之 差 9 可 以 是零 0 也就是说 9如果 4 个支点是刚度和压缩量都可调的 支承 9 则总可通过调整支承弹簧的刚度和压缩量 9 使 $l =!
2.2 机车重心偏离支承面上的形心点 !! 时受力分析
如果机车的重心偏离 #0 一个距离 A#9如图 3 所示 0
l) 为讨论轴重 9 假定静止状态下的机车 9 只受铅垂 力
的作用 9 且都作用在机车的纵截面上 ; 与静止状态的机车 车轮接触的轨面 9为一水平状态的直线 9机车受力见图 l0
图3 重心偏离后各支点受力状况
2) 假 定 机 车 总 重 力 为 一 集 中 力 9 钢 轨 对 车 轮 的 作 用
力为一组位置对称的平行力 0
3) 将机车车轮与钢轨的接触面简化为接触点 0 对 于
导致机车变形 9 引起机车重心发生改变而造成重力重新 分布的钢轨对机车各个车轮作用力的变化 9 忽略不计 0
4$l#0-$l (#l+#2+#3+#4)+!2~(#0-#2)+%~ A#=!3~
车 9 给出了当轴重分配达到部颁标准时机车重心纵向偏 离所允许的最大范围 0
B0- B0 的电力机车的轴重均衡 9 现场采用机车调簧技术来
保证机车的装配精度要求 0 所谓机车调簧 9就是通过改变 轮对与车体之间的弹性支承点的压缩量 采用 橡 胶 堆 或 橡胶垫弹簧 9 以及多个零件叠加后形成部件形式的结构 9 刚度会呈现出非线性的特性 9 在不同载荷下 9 刚度值略有 不同 9 但在调簧过程中 9 可以忽略不计 9 来调整各个支承 点的受力大小 9 使各个支承点所受重力尽可能均衡的一 种方法 0 这种方法在机车制造业中普遍使用 9但是究竟如
关键词： 机车 9 轴重 9 调簧 中图分类号： U260.331 文献标识码： A 文章编号： 1672-1187 2006 04-0047-03
Optimization analyses of B0-B0 electric locomotive axle load spring adjustment
轴式为 B0- B0 的 SS4 型电力机车 9 由于二系弹簧为橡 胶堆 9 且转向架对车体的支承结构属于超静定 形 式 9 因 此 9车体底面上各二系弹簧支座所在平面的平面度误差 \ 各个弹簧的高度误差 \ 各个弹簧的刚度误差以及两转向 架上各个二系支承点所在平面的平面度误差等 9 对每个 二系支承载荷的大小都会产生影响 9 继而对机车轴重分 配 的 均 匀 性 产 生 很 大 影 响 0 为 保 证 SS4 型 以 及 轴 式 为
设机车对称于 #0 处的铅垂线 9 其所受对称布置的 4 个等支承力 $l=$2=$3=$4 的合 力 为
$9 显 然 9 该 力 $ 与 机 车 的 重 力 %
正好是一对平衡力 (见图 2 )0 根据静力平衡方程有
是 9!2 减 小 到 零 为 最 好 9 因为继续 减 小 9 会
% = 4$l
由式 (l )和 (2) 可得
收稿日期 2006-03-15
1
!"#!" 轴式机车的静力学模型
如图 1 所示 9 停在轨道上保持静止状态的机车 9 可 以
看成只受重力和轨道支承两个合力的作用 0 显然 9轨道对 车轮作用的合力 !0 的大小和位置 9 完全取决于机车的重 力 "0 而 " 是机车的固有属性 9 由机车上各个零部件的 重量和位置而确定 0
此时与原状态相比 9新增加了对 #0 点的力矩 % ~ A#9 为 保 持 平 衡 状 态 9 支 点 l92 93 和 4 上 的 支 承 力 $l9$29$3 和 $4 与原来相比 9 应该发生变化 0 图示状况下应该是 $l 和 $2 减小 9$3 和 $4 增大 9 且 $l 越小越好 9$4 越大越好 0 不妨设 $l 最 小 9$4 最 大 9 且 $2- $l=!29$3- $l=!39$4- $l=
表 $% % % % !"#!" 机车纵向相关尺寸列表
车型
时 各支点中 支承力对平均支承力偏差的最大值在无穷 多个支承状态中取最小 即 ! =
$/mm 4 100 4 500
%/mm 2 900 2 900
说 如果 4 个支点是刚度和压缩量都可调的支承 则总可 通过调整支承弹簧的刚度和压缩量 使 #1 = #2 和 # 3 = #4 从而使各支点支承力对平均支承力偏差的最大值取最
图4 重心偏离 #0 点 A# 后 各支点受力状况
#!"9 其受钢轨支承力的大小为 $!"9$!" 与该轮对 的 荷 载 ( 即
轴重 )%!" 大小相等 9 方向相反 9 是一对平衡力 0 在机车纵 截面 考 虑 重 力 % 的 均 衡 分 布 问 题 9 就 是 考 虑 机 车 轴 重
%!" 的均衡问题 9也就是考虑 $!" 的均衡问题 0 2.l 机车纵向支承受力分析
! =
! ! !# = = % ! 2 "! 2 "2 ( # +# - 2# )
4 3 4 3 0
( 5)
综上所述
当机车重力作用线对机车支承面上 的纵
$2 = $3 = $40
-48-
向对称点 #09 向左或向右偏离 !# 时 9 各支点支承力对平
杨振祥 等 B0- B0 轴式电力机车轴重调簧寻优分析 2006 年第 4 期
(#3-#0)+!4 ~ (#4-#0) ~ (#3-#0)+!4 ~ (#4-#0)=!!2 ~ (#0-#2)+% ~ !3 A# 故 !4 =
2
Biblioteka Baidu机车纵向受力分析
由图 l 可知 9机车在纵向是超静定支承结构 0 假定机
l [% ~ ~ (#0-#2)-!3 ~ (#3-#0)] A#+!2 #4-#0
何调整 9 才能既快又好的使各个支点的受力达到最均衡 状态 9 在使用称重调簧试验台之前 9 并没有很深入的研 究 0 本文对轴式为 B0-B0 的电力机车的调簧技术进行分析 研究 9给出了采用称重调簧试验台调簧时 9 电脑自动寻优 的思路9以便使机车所有轴重既快又好地调到
IEC 61133 规定范围内 0 同时 9 对轴式为 B0-B0 的电力机
均支承力的偏差值总是大于或等于
!! " 仅 2 !4+!3-2!0 当前后两端支点支承力分别相等时 即 #1 =!#2 和 #3 = #4 !! " 2 !4+!3-2!0
也就是
定 以此来说明此类机车重心偏离的纵向允差的确定方法 轴式为 B0-B0 的诸如 SS4 SS8 型电力机车 其轮对相 互位置尺寸如表 1所示
值大于 !4;!3 增大到 !4 为 最 好 9 因 为 继 续 增 大 9 会 使 支 点 (3 ) 间最大支承力偏差出现在 $3 和 $l 之间 9 这也将使得最大 偏差值大于 !40 由于平均支承力$ 不变 9 所以 $l 和 $2 减 小的量与 $3 和 $4 增加的量完全一样 0 于是 9 在此种重心 偏离形心的状况下 9 各个支点间支承力 $ 对平均支承力 的最大偏差所取得的最小值 ! 为
YANG Zhen-xiang 19 PAN Di-fu 19 ZENG Ya-bo19 HUANG Ming-gao2
1. School of Traffic and Transportation Engineering 9 Central South University9 Changsha 410075 9 China9 2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.9Ltd. 9 Zhuzhou 412001 9 China Abstract： Locomotive spring adjustment is mainly to assure uniform distribution of axle load of locomotive as an important method. This paper gives analyses and research to the spring adjustment technology of the electric locomotives including type SS4 and other B0- B0 types. In order to get the best distribution of the axle load 9 this paper gives the relevant method. Also9 the maximum and allowable range of the locomotive barycenter longitudinal deviation is given when the axle load distribution accords with the railway ministry standards. !!!!!!!Key words： locomotive9 axle load 9 spring adjustment
作者简介 杨振祥 1960- 9 男 9 高级工程师 91983 年毕业于西安交通大学机械制造设备工艺及自动化专业 9 从事机车车辆造修工艺及铁道装备 故障诊断技术的应用研究 0
-47-
电力机车与城轨车辆~ 2006 年第 4 期
为简化解决问题的复杂程度 9 结合机车的实际 使用 情况 9现作出以下假设
簧技 术 进行 分 析 研究 9 为 此 类机 车 达 到 最 优 轴 重 分 配 提 出 了 相 应 的 调 簧 寻 优 思 路 9 同 时 9 对 轴 式 为 B0- B0 的 电 力 机 车 9 给 出了当轴重分配达到部颁标准时机车重心纵向偏离所允许的最大范围 0
(4 )
车中第 ! 个转向架上的第 " 个轮对在 # 轴上的位置为
式 (4) 中 9#0-#29#3- #09#4-#09A#9% 是 常 数 9 且 均 大 于 00 只有 !29!3 和 !4 是相互约束的变量 9可以用图 4 表示 它们之间的关系 0 机车的重心向右偏离 #0 一个距离 A# 后 9 各个支点 受力变化如图 4 所示 0 由假设可知 9!4 为支点间支承力的 最大偏差值 9 从 图 4 中 可 以 看 出 9!2 减 小 对 !4 的 减 小 有 利 9!3 的 增 加 对 !4 的 减 小 有 利 9 但
第 29 卷 第 4 期 2006 年 7 月 20 日
电力机车与城轨车辆
Electric Locomotiues & Mass Transit Vehicles
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Vol. 29 No. 4 Jul. 20th 92006
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检测 试验
B0- B0 轴式电力机车轴重调簧寻忧分析
杨振祥 1， 潘迪夫 1， 曾亚波 1， 黄明高 2
图l
B0- B0 轴式机车受力示意图
!49于是力矩平衡方程为
(#0-#l)+ ($l+!2)~ (#0-#2)+%~ $l~ A#= ($l+!3)~(#3-! ~ (#4-#0) #0)+($l+!4) 即 $l#0-$l#l +!$l#0 -!$l#2 +!2 ~ ( #0-#2)+!%~ A# = $l#3-! ~ (#3-#0)+$l#4-$l#0+!4 ~ (#4-#0) $l#0+!3
(l )
图2
机车受力示意图
使支点间最大支承力偏差出现在 $4 和 $2 之间 9 因为此时
~ ~ ~ ~ ~ % # = #l $l+#2 $l+#3 $l+#4 $l
(2 )
$4- $2 =
!# %- #0- #2 !2 >!49 这将使得最大偏差 #4- #0 #4+#3+2#0
# = l (#l+#2+#3+#4) 4
由于支点是对称布置 9 所以重力作用线 # 正好与机 车对称线 #0 重合 0 而机车的形心就在对称线 #0 上 0 故重 力作用线必通过机车支承面上的形心点 0 当机车重力作用线正好作用在机车支承面上 的纵向 对称点 #0 处时 9 各支点 支 承 力 与 平 均 支 承 力 之 差 9 可 以 是零 0 也就是说 9如果 4 个支点是刚度和压缩量都可调的 支承 9 则总可通过调整支承弹簧的刚度和压缩量 9 使 $l =!
2.2 机车重心偏离支承面上的形心点 !! 时受力分析
如果机车的重心偏离 #0 一个距离 A#9如图 3 所示 0
l) 为讨论轴重 9 假定静止状态下的机车 9 只受铅垂 力
的作用 9 且都作用在机车的纵截面上 ; 与静止状态的机车 车轮接触的轨面 9为一水平状态的直线 9机车受力见图 l0
图3 重心偏离后各支点受力状况
2) 假 定 机 车 总 重 力 为 一 集 中 力 9 钢 轨 对 车 轮 的 作 用
力为一组位置对称的平行力 0
3) 将机车车轮与钢轨的接触面简化为接触点 0 对 于
导致机车变形 9 引起机车重心发生改变而造成重力重新 分布的钢轨对机车各个车轮作用力的变化 9 忽略不计 0
4$l#0-$l (#l+#2+#3+#4)+!2~(#0-#2)+%~ A#=!3~
车 9 给出了当轴重分配达到部颁标准时机车重心纵向偏 离所允许的最大范围 0
B0- B0 的电力机车的轴重均衡 9 现场采用机车调簧技术来
保证机车的装配精度要求 0 所谓机车调簧 9就是通过改变 轮对与车体之间的弹性支承点的压缩量 采用 橡 胶 堆 或 橡胶垫弹簧 9 以及多个零件叠加后形成部件形式的结构 9 刚度会呈现出非线性的特性 9 在不同载荷下 9 刚度值略有 不同 9 但在调簧过程中 9 可以忽略不计 9 来调整各个支承 点的受力大小 9 使各个支承点所受重力尽可能均衡的一 种方法 0 这种方法在机车制造业中普遍使用 9但是究竟如
关键词： 机车 9 轴重 9 调簧 中图分类号： U260.331 文献标识码： A 文章编号： 1672-1187 2006 04-0047-03
Optimization analyses of B0-B0 electric locomotive axle load spring adjustment
轴式为 B0- B0 的 SS4 型电力机车 9 由于二系弹簧为橡 胶堆 9 且转向架对车体的支承结构属于超静定 形 式 9 因 此 9车体底面上各二系弹簧支座所在平面的平面度误差 \ 各个弹簧的高度误差 \ 各个弹簧的刚度误差以及两转向 架上各个二系支承点所在平面的平面度误差等 9 对每个 二系支承载荷的大小都会产生影响 9 继而对机车轴重分 配 的 均 匀 性 产 生 很 大 影 响 0 为 保 证 SS4 型 以 及 轴 式 为
设机车对称于 #0 处的铅垂线 9 其所受对称布置的 4 个等支承力 $l=$2=$3=$4 的合 力 为
$9 显 然 9 该 力 $ 与 机 车 的 重 力 %
正好是一对平衡力 (见图 2 )0 根据静力平衡方程有
是 9!2 减 小 到 零 为 最 好 9 因为继续 减 小 9 会
% = 4$l
由式 (l )和 (2) 可得
收稿日期 2006-03-15
1
!"#!" 轴式机车的静力学模型
如图 1 所示 9 停在轨道上保持静止状态的机车 9 可 以
看成只受重力和轨道支承两个合力的作用 0 显然 9轨道对 车轮作用的合力 !0 的大小和位置 9 完全取决于机车的重 力 "0 而 " 是机车的固有属性 9 由机车上各个零部件的 重量和位置而确定 0
此时与原状态相比 9新增加了对 #0 点的力矩 % ~ A#9 为 保 持 平 衡 状 态 9 支 点 l92 93 和 4 上 的 支 承 力 $l9$29$3 和 $4 与原来相比 9 应该发生变化 0 图示状况下应该是 $l 和 $2 减小 9$3 和 $4 增大 9 且 $l 越小越好 9$4 越大越好 0 不妨设 $l 最 小 9$4 最 大 9 且 $2- $l=!29$3- $l=!39$4- $l=
表 $% % % % !"#!" 机车纵向相关尺寸列表
车型
时 各支点中 支承力对平均支承力偏差的最大值在无穷 多个支承状态中取最小 即 ! =
$/mm 4 100 4 500
%/mm 2 900 2 900
说 如果 4 个支点是刚度和压缩量都可调的支承 则总可 通过调整支承弹簧的刚度和压缩量 使 #1 = #2 和 # 3 = #4 从而使各支点支承力对平均支承力偏差的最大值取最
图4 重心偏离 #0 点 A# 后 各支点受力状况
#!"9 其受钢轨支承力的大小为 $!"9$!" 与该轮对 的 荷 载 ( 即
轴重 )%!" 大小相等 9 方向相反 9 是一对平衡力 0 在机车纵 截面 考 虑 重 力 % 的 均 衡 分 布 问 题 9 就 是 考 虑 机 车 轴 重
%!" 的均衡问题 9也就是考虑 $!" 的均衡问题 0 2.l 机车纵向支承受力分析
! =
! ! !# = = % ! 2 "! 2 "2 ( # +# - 2# )
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( 5)
综上所述
当机车重力作用线对机车支承面上 的纵
$2 = $3 = $40
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向对称点 #09 向左或向右偏离 !# 时 9 各支点支承力对平
杨振祥 等 B0- B0 轴式电力机车轴重调簧寻优分析 2006 年第 4 期
(#3-#0)+!4 ~ (#4-#0) ~ (#3-#0)+!4 ~ (#4-#0)=!!2 ~ (#0-#2)+% ~ !3 A# 故 !4 =
2
Biblioteka Baidu机车纵向受力分析
由图 l 可知 9机车在纵向是超静定支承结构 0 假定机
l [% ~ ~ (#0-#2)-!3 ~ (#3-#0)] A#+!2 #4-#0
何调整 9 才能既快又好的使各个支点的受力达到最均衡 状态 9 在使用称重调簧试验台之前 9 并没有很深入的研 究 0 本文对轴式为 B0-B0 的电力机车的调簧技术进行分析 研究 9给出了采用称重调簧试验台调簧时 9 电脑自动寻优 的思路9以便使机车所有轴重既快又好地调到
IEC 61133 规定范围内 0 同时 9 对轴式为 B0-B0 的电力机
均支承力的偏差值总是大于或等于
!! " 仅 2 !4+!3-2!0 当前后两端支点支承力分别相等时 即 #1 =!#2 和 #3 = #4 !! " 2 !4+!3-2!0
也就是
定 以此来说明此类机车重心偏离的纵向允差的确定方法 轴式为 B0-B0 的诸如 SS4 SS8 型电力机车 其轮对相 互位置尺寸如表 1所示
值大于 !4;!3 增大到 !4 为 最 好 9 因 为 继 续 增 大 9 会 使 支 点 (3 ) 间最大支承力偏差出现在 $3 和 $l 之间 9 这也将使得最大 偏差值大于 !40 由于平均支承力$ 不变 9 所以 $l 和 $2 减 小的量与 $3 和 $4 增加的量完全一样 0 于是 9 在此种重心 偏离形心的状况下 9 各个支点间支承力 $ 对平均支承力 的最大偏差所取得的最小值 ! 为
YANG Zhen-xiang 19 PAN Di-fu 19 ZENG Ya-bo19 HUANG Ming-gao2
1. School of Traffic and Transportation Engineering 9 Central South University9 Changsha 410075 9 China9 2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.9Ltd. 9 Zhuzhou 412001 9 China Abstract： Locomotive spring adjustment is mainly to assure uniform distribution of axle load of locomotive as an important method. This paper gives analyses and research to the spring adjustment technology of the electric locomotives including type SS4 and other B0- B0 types. In order to get the best distribution of the axle load 9 this paper gives the relevant method. Also9 the maximum and allowable range of the locomotive barycenter longitudinal deviation is given when the axle load distribution accords with the railway ministry standards. !!!!!!!Key words： locomotive9 axle load 9 spring adjustment
作者简介 杨振祥 1960- 9 男 9 高级工程师 91983 年毕业于西安交通大学机械制造设备工艺及自动化专业 9 从事机车车辆造修工艺及铁道装备 故障诊断技术的应用研究 0
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电力机车与城轨车辆~ 2006 年第 4 期
为简化解决问题的复杂程度 9 结合机车的实际 使用 情况 9现作出以下假设