机车重心计算与测定方法_.pdf

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作者简介:

刘友梅（1938）,男,1961年毕业于上海交通大学电力机车专业,中国工程院院士,高级工程师（教授级）,株洲电力机车厂前任总工程师,现为轨道电力牵引高速动力研究所所长。

研究开发机车重心计算与测定方法刘友梅（株洲电力机车厂,湖南株洲412001）摘要:

阐述了机车重心的计算方法,介绍了如何采用四支点法测定和求得簧上总成重心、转向架总质量重心以及机车的实际重心。

关键词:

机车重心;计算;测试中图分类号:

U260.2文献标识码:

A文章编号:

10002128X（2000）0620001203收稿日期:

2000210230CalculationanddeterminationmethodofcgoflocomotiveLIUYou-mei（ZhuzhouElectricLocomotiveWorks,Zhuzhou,Hunan412001,China）Abstract:

Thecalculationmethodofcgoflocomotiveisdepicted.Thenitisintroducedhowtodetermineandobtainsecondarysprungcg,bogiemasscgandactuallocomotivecgbyfourpivotpointmethod.Keywords:

cgoflocomotive;calculation;determination机车重心是关系到机车牵引运动性能优劣的重要因素之一。

机车总成重心包含簧上总成重心、转向架总成重心、簧间质量重心和簧下质量重心,它对机车运行稳定性的改善,轴重和轮重的合理分配有很大的影响,因此,在机车总体设计过程中必须给予充分考虑。

随着机车设计速度的不断提高,重心计算与测试就显得更加必要,设计时不但应进行重心计算,而且还应对新开发的首台机车进行重心测定校验,以准确获得机车的实际重心。

以往该项工作并未受到重视,因此,建议今后将重心测定列入机车的型式试验项目之中。

1机车重心计算机车由各种大型部件组成,各部件均有自身的重心,而机车重心不言而喻是由所有部件重心综合而得的。

机车重心是依据力系平衡方程和力矩平衡方程原理来计算的。

静态物体力系平衡方程为FX=0FY=0FZ=0静态物体空间力矩平衡方程为MX=0MY=0MZ=0由上述方程组可知,机车总体结构设计中,设备布置与部件组合若能充分考虑斜对称性和集成化布局,则它们在X、Y轴的力矩是平衡的,不会产生重心偏移。

因此凡是完全斜对称性布局的部件,均可以在重心计算中加以省略（即不参与平衡方程的计算）,这样在X、Y轴上的重心计算就可以简化了。

而在Z轴上,因为总体结构的各部件组合是无法做到对称的,所以重心计算过程均不能省。

本文以交流传动高速客运电力机车（DJ型）的重心计算和测定作为一个范例。

图1所示为DJ型机车总体设备布置,我们根据机车设备布置图各部件的重心坐标值和质量来进行设计计算。

由于重心设计计算在技术设计阶段,所以各部件的重心和质量均为估算目标值。

在进行机车重心计算时取纵向中心线为X轴（?

端为“+”,端为“-”）,横向中心线为Y轴（上侧为“+”,下侧为“-”）,垂向中心线为Z轴（向上为“+”）,O点取轨面上X、Y、Z轴的相交点,如图2所示。

12000年第6期机车电传动6,20002000年11月10日ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVENov.10,2000图1DJ型机车总体设备布置图图2坐标轴示意图DJ型机车总体设计有关质量值的设定如下:

机车总质量G=82t簧上总质量G1=47t转向架总质量G2=17.5t簧间部件质量G3=11.5t簧下部件质量G4=3t因G=G1+2G2G2=G3+2G4所以G=G1+2（G3+2G4）总体设计还要通过计算设定各部件的重心坐标值。

1.1簧上总成重心计算簧上设备总重G1=47t

（1）X1轴计算xngn=X1G1X1=-18.7mm

（2）Y1轴计算yngn=Y1G1Y1=-13.8mm（3）Z1轴计算（求H）zngn=Z1G1Z1=514.2mm重心距轨面高度H1H1=1530+125+514.2=2169.2mm1.2转向架总成重心计算转向架总重G2=17.5t设定转向架坐标O点是轨面上X2、Y2、Z2三轴交点。

（1）X2、Y2轴计算因为B0转向架结构基本为斜对称布置,所以X2=0Y2=0

（2）Z2轴计算（求H2）hngn=H2G2H2=709.5mm1.3簧间部件质量重心计算G3=11.5t

（1）X3轴计算X3G3=X2G2X3=0

（2）Y3轴计算Y3G3=Y2G2Y3=0（3）Z3轴计算（H3）Z3G3=H2G2+2H4G4Z3=H3=753.6mm1.4簧下部件质量重心计算G4=3t转向架固定轴距为2900mm,新轮直径为1250mm。

故X4=1450mmY4=0H4=Z4=625mm1.5机车重心计算G=82t

（1）X轴计算XG=X1G1X=-10.7mm

（2）Y轴计算YG=Y1G1Y=7.9mm（3）Z轴计算（求H）HG=H1G1+2H2G2H=1546mm将以上计算归纳于表1。

表1各部件重心计算部件名质量?

t重心坐标值?

mmXYH机车重心82-10.7-7.91546簧上总成重心47-18.7-13.82169.2转向架总成重心17.551500709.5簧间部件质量重心11.551500753.6簧下部件质量重心36600?

37000625注:

表中坐标值均以机车X、Y、Z坐标的O点标定。

2机车电传动2000年2机车重心测定2.1测试原理机车重心的测定同样应用力系平衡方程和力矩平衡方程原理,采用四支点测力法来求取重心,如图3所示。

图3支点测力示意图测试时采取水平测量法。

首先测定X轴上AB的值,Y轴上AC的值,由于AB=CD,AC=BD,故四个测力点形成一个长方形。

通过水平仪保证ABCD平面处于同一水平位,采用压力传感器在各支点上测力,测得FA、FB、FC、FD各值,可根据Mx=0My=0X=（FA+FC）-（FB+FD）AB?

（2G）Y=（FA+FB）-（FC+FD）AC?

（2G）求得重心X和Y值。

采取倾斜测量法可测定重心高。

为使测试后的求解简化,要求倾斜时保证ABCD处于同一平面,整个平面旋转要围绕一根水平边轴,提升倾斜高度为h,从图4看,可将求解简化成二维计算。

图4重心高测定简化图测量已知数值为X1、X2、（X1+X2=X）、hX1、X2、（X1+X2=X）G、FA、FB、FC、FD再通过计算求得重心高h（距支点高）h=X2-h2X1-（FB+FD）X?

G?

h2.2测定结果根据以上原理制成的机车重心测试装置,可对机车车体,上部设备总成,转向架、主变压器等大部件进行重心测定。

DJ型电力机车重心测定结果见表2。

表2DJ型电力机车重心测定结果名称X?

mmY?

mmZ?

mm质量?

kg簧上总成重心-16.95-14.50244247790转向架总成重心6.698.2471817247簧间质量重心0075311500簧下质量重心006252960机车重心-16.95-14.5172582284注:

机车总重中未包含司机及砂的重量。

2.3轮重分配测定机车重心和相关组装几何尺寸经过控制后,机车总装可以实现高质量,并可直接得到良好的轴重与轮重分配,可使动力学性能获得改善。

DJ型电力机车轴重与轮重测定结果见表3。

表3DJ型电力机车轴重与轮重测定结果轴位1234轴重?

t20.84020.62920.66720.961左轮重?

t10.53810.50610.34110.271右轮重?

t10.30210.12210.32610.690轴重差0.3%-0.7%-0.5%0.9%轮重差1.1%-1.1%1.9%-1.9%0.1%-0.1%-2.0%-2.0%注:

机车总重为包含2个司机及砂的整备重量。

2.4测试注意事项

（1）要保证测量平面成水平位,测量点成长方形。

（2）测量重心高时,要保证测量点成平面,并按水平轴旋转提升高度,同时要保证提升后测量力的垂直度。

（3）要保证各相关几何尺寸的测量精度。

3小结铁路速度的提升,对运载工具在动力学稳定性和平稳性方面的要求越来越高,如何在设计上和制造上保证有一个合理的重心是十分重要的,这一点设计者和制造者都要给予充分重视。

尤其是当前开发势头很劲的动车组,其动力车是单司机室非对称结构,在设计上更需注意重心的控制。

今年我厂试制的DJ交流传动高速电力机车和DJJ1交流传动高速动力车都从设计上和制造上控制了重心,收到了良好效果,值得相关专业人员借鉴。

3第6期刘友梅:

机车重心计算与测定方法