牽引電機(jī)軸承布置對齒輪傳動裝置的影響

王立杰,封全保,張志和

(1 鐵道部運(yùn)輸局 裝備部,北京100844;2 中國北車集團(tuán) 大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司,山西大同037038)

牽引電機(jī)是鐵道車輛驅(qū)動裝置的關(guān)鍵部件,牽引電機(jī)以齒輪傳動方式將輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞給輪對,與牽引電機(jī)連接的齒輪為主動齒輪。齒輪傳動裝置是鐵道車輛動力轉(zhuǎn)向架的主要部件之一,基本組件包括牽引電機(jī)、傳動齒輪、齒輪箱以及傳動齒輪與輪對之間的連接等。

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承布置方式會改變轉(zhuǎn)子(主動齒輪)軸和軸承的受力情況,進(jìn)而對齒輪傳動裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、可靠性、可維護(hù)性和使用壽命有很大的影響。

早期采用直流牽引電機(jī)的齒輪傳動裝置,如韶山系列機(jī)車采用主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上懸臂布置結(jié)構(gòu),由于牽引電機(jī)功率較小和轉(zhuǎn)速較低,實踐證明懸臂結(jié)構(gòu)也能夠滿足這些機(jī)車的使用。隨著交流傳動技術(shù)的發(fā)展和鐵路高速重載的發(fā)展需求,由于交流電機(jī)具有功率大轉(zhuǎn)速高的特點,使得交流牽引電機(jī)被更多地運(yùn)用于新型鐵道車輛上。大功率的交流牽引電機(jī)若采用懸臂結(jié)構(gòu),因輸出端的軸承載荷較大而需選用較大尺寸的軸承,但尺寸大的軸承高速性能較差,不能充分發(fā)揮交流電機(jī)的主要優(yōu)點;同時由于采用懸臂結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸在較大的彎曲載荷作用下產(chǎn)生較大的彎曲彈性變形,影響到傳動齒輪的正確嚙合;為解決懸臂結(jié)構(gòu)存在的上述問題,出現(xiàn)了主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上簡支布置結(jié)構(gòu),如和諧2電力機(jī)車齒輪傳動裝置,該齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu)也已成功地應(yīng)用于和諧2系列的HXD2B和HXD2C機(jī)車。

1 結(jié)構(gòu)

和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主、從動齒輪分別安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和車軸上,兩齒輪安裝軸的中心距由電機(jī)殼體和安裝在車軸上的抱軸箱體用螺栓固定連接后確定。

和諧2型機(jī)車齒輪傳動裝置中的主動齒輪與牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子軸采用過盈連接,主動齒輪位于電機(jī)轉(zhuǎn)子支承的兩組軸承之間,主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的安裝屬于簡支結(jié)構(gòu)安裝,具體結(jié)構(gòu)如圖2,主動齒輪側(cè)的軸承安裝在電機(jī)端蓋上。

和諧2型機(jī)車齒輪傳動裝置中的從動齒輪與車軸采用過盈連接,具體安裝結(jié)構(gòu)如圖3。

圖1 和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 主動齒輪在電機(jī)軸上的安裝

圖3 從動齒輪在車軸上的安裝

2 技術(shù)參數(shù)

牽引電機(jī)機(jī)械特性相關(guān)數(shù)據(jù)如下:

傳動齒輪數(shù)據(jù)如下:

3 結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示,和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置中的主動齒輪布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子兩個軸承之間,主動齒輪是安裝在一個簡支結(jié)構(gòu)上。

主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的簡支結(jié)構(gòu)布置是和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置的主要結(jié)構(gòu)特點。主動齒輪在上述兩種不同的安裝結(jié)構(gòu)下,在傳遞動力時對電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承作用力和轉(zhuǎn)子軸變形的作用效果不同。為合理地對兩種結(jié)構(gòu)的作用效果進(jìn)行比較,設(shè)定以上兩種結(jié)構(gòu)中主動齒輪及其安裝軸向位置、非驅(qū)動端軸承及其安裝軸向位置和傳遞功率完全一樣。

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與主動齒輪位置關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 懸臂結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子支承示意圖

圖5 簡支結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子支承示意圖

3.1 對軸承作用力的影響

假定在某線路其中一個運(yùn)行工況:牽引電機(jī)當(dāng)量平均扭矩為Ceq=7 600 N?m。

軸承受力情況:在Ceq=7 600 N?m時,作用在轉(zhuǎn)子軸上的徑向力F=88 kN;轉(zhuǎn)子質(zhì)量1 000 kg,按重心位置重力由兩軸承共同承擔(dān),軸承受力情況列入表1。

對表1的結(jié)果比較可知,兩種結(jié)構(gòu)軸承的受力有較大的差異。采用簡支結(jié)構(gòu)時,與懸臂結(jié)構(gòu)的軸承受力相比,軸承A作用力降低約28%,軸承B作用力降低約25%。

表1 軸承受力情況

通過對表1數(shù)據(jù)分析可以得出結(jié)論:采用和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu),可以降低對軸承的作用力。

3.2 對電機(jī)轉(zhuǎn)子軸變形的影響

在傳遞動力時,兩種支承結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸彈性變形情況如圖6、圖7所示。

圖6 懸臂結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸彈性變形

圖7 簡支結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸彈性變形

圖6、圖7反映了電機(jī)啟動時轉(zhuǎn)子軸在啟動轉(zhuǎn)矩作用下的彎曲變形,懸臂結(jié)構(gòu)的最大變形位于轉(zhuǎn)子軸末端,最大變形量為0.175 mm。簡支結(jié)構(gòu)的最大變形位于主動齒輪左端,處于兩軸承安裝位之間,最大變形量為0.085 mm。

電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的變形,反映出對傳動齒輪齒向修形量的要求。在齒輪傳動過程中,安裝主動齒輪的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、安裝大齒輪的車軸或其他部件都會有相對位移或彈性變形。為保證輪齒的正確嚙合,在齒輪設(shè)計時必須對齒輪參數(shù)和齒形(包括齒廓修形與齒向修形)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,綜合考慮各工況時的變形,對輪齒合理修形,但僅能對一種主要工況進(jìn)行修形設(shè)計,很難保證每個工況牽引齒輪嚙合完全理想,電機(jī)轉(zhuǎn)子軸較大的變形給牽引齒輪的設(shè)計和制造帶來了很大的困難。

通過對圖6、圖7對比,采用和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu),由于轉(zhuǎn)子軸彎曲變形量減少約50%,有利于主動齒輪的設(shè)計和制造,能夠保證每個工況牽引齒輪嚙合更趨于合理。

4 結(jié)束語

主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的簡支布置是和諧2型電力機(jī)車齒輪傳動裝置的主要結(jié)構(gòu)特點,是一種使作用力影響更為合理的結(jié)構(gòu),能夠降低電機(jī)轉(zhuǎn)子端軸承作用力約25%,有利于高轉(zhuǎn)速性能軸承的選用;同時轉(zhuǎn)子軸彎曲變形降低約50%,有利于主動齒輪的設(shè)計和制造。

主動齒輪在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的簡支布置更適宜于大功率牽引電機(jī)的使用。

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