采用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置的三軸轉(zhuǎn)向架技術(shù)方案研究

曲 松，曲天威，徐成帥，王嘉文

（中車大連機車車輛有限公司 機車開發(fā)部，遼寧大連 116022）

運用速度為160 km/h 及以上速度等級的機車轉(zhuǎn)向架，從驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)和制動方式上一般具備2個條件：一是采用牽引電機架懸，降低簧下重量，滿足高速運行的要求；二是采用盤式制動，降低車輪損傷，優(yōu)化制動性能，對于機車來說通常為輪盤制動。目前國內(nèi)運用的機車基本采用輪對空心軸六連桿驅(qū)動的全懸掛結(jié)構(gòu)，為了避免六連桿傳動機構(gòu)與制動盤發(fā)生運動干涉，采用1 250 mm 輪 徑 的 輪 盤 制 動 方 式，如HXD1D型、HXD3D型 機車等。該驅(qū)動結(jié)構(gòu)成熟可靠穩(wěn)定，但缺點是1 250 mm 輪徑的車輪重量較大［1-2］。為了適應(yīng)機車發(fā)展趨勢，滿足輕量化的需求，通過減小輪徑來降低重量是最直接有效的措施，而應(yīng)用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置可以減小輪徑［3-4］。該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)尚沒有成熟運用，但國外已有應(yīng)用案例，如西門子Vectron平臺系列機車、福斯羅（Vossloh）公司Class 68 機車等。此外，該驅(qū)動裝置基本應(yīng)用于兩軸轉(zhuǎn)向架，在三軸轉(zhuǎn)向架上應(yīng)用極為少見。文中將主要介紹一種采用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置的三軸轉(zhuǎn)向架技術(shù)方案。

1 轉(zhuǎn)向架設(shè)計目標(biāo)

小齒輪空心軸驅(qū)動裝置的三軸轉(zhuǎn)向架設(shè)計基于某集成式雙源機車的運用需求，技術(shù)方案綜合考慮了機車的性能指標(biāo)、運用工況以及驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)特點，尤其在驅(qū)動裝置聯(lián)軸器的選型上，對三軸轉(zhuǎn)向架中間輪對橫動量較大的特點進行針對性設(shè)計。轉(zhuǎn)向架主要設(shè)計目標(biāo)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向架設(shè)計目標(biāo)

2 驅(qū)動裝置

轉(zhuǎn)向架技術(shù)方案研究的關(guān)鍵在于驅(qū)動裝置的設(shè)計。小齒輪空心軸驅(qū)動裝置主要特點是將主動齒輪設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，采用膜片式撓性聯(lián)軸器穿過主動齒輪布置在齒輪兩側(cè)，可以最大限度減少聯(lián)軸器的橫向占用空間，以提供大功率牽引電機的安裝空間。驅(qū)動裝置主要包含傳動齒輪箱、聯(lián)軸器和牽引電機，總體結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。齒輪箱采用抱軸的方式，牽引電機采用架懸式降低簧下重量，聯(lián)軸器通常采用膜片式撓性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，可以傳遞較大扭矩并具備一定的位移補償能力，使得牽引電機和齒輪箱之間運動解耦。

小齒輪空心軸驅(qū)動裝置主要有以下特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適用于兩軸或三軸轉(zhuǎn)向架。

（2）驅(qū)動裝置重量輕，減重效果明顯。

（3）主動齒輪采用空心結(jié)構(gòu)，增大了主動齒輪的直徑，因此傳動比通常相對較小，牽引電機扭矩相應(yīng)增大。

2.1 齒輪箱裝配

齒輪箱裝配如圖2 所示，由承載式齒輪箱體、主從動齒輪、軸承及各密封機構(gòu)組成。

圖2 齒輪箱截面圖

為有更好的減重效果，齒輪箱體采用材質(zhì)為AlSi7Mg0.3 的高強度鑄造鋁合金，符合TJ/JW 064—2015《交流傳動機車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的要求，齒輪箱體采用抱軸處斜面分箱的兩體式設(shè)計，上下箱體通過螺栓連接，箱體上設(shè)置有軸承潤滑集油槽和回油孔。

傳動齒輪采用斜齒輪設(shè)計，為減小橫向力，齒輪螺旋角設(shè)置為6°。綜合考慮限界、中心距、牽引力等邊界條件傳動比設(shè)置為3.65。

主動齒輪兩側(cè)采用NU+NUP 圓柱滾子軸承的布置方式，軸向力由帶有擋邊的NUP 軸承承載，從動齒輪軸承為一對圓錐滾子軸承對稱分布。經(jīng)計算，各軸承基本額定壽命均大于300 萬km。軸承通過齒輪箱內(nèi)的潤滑油飛濺潤滑，并通過齒輪箱內(nèi)集油槽流入軸承內(nèi)部。軸承處設(shè)置了多道迷宮密封結(jié)構(gòu)，防止齒輪油外泄。

2.2 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)布置對驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)以及輪對橫動量有較大影響，是小齒輪空心軸驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向架設(shè)計的關(guān)鍵。當(dāng)前國內(nèi)外對于該種驅(qū)動裝置聯(lián)軸器的選型均為雙側(cè)膜片結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。該種結(jié)構(gòu)運用成熟且可免維護，但變位能力有限，一般橫向位移不超過±10 mm，通常可以滿足兩軸或三軸轉(zhuǎn)向架端軸輪對的運用需求。對于三軸轉(zhuǎn)向架的中間輪對，必須有較大自由位移量，否則在通過曲線時易產(chǎn)生非正常的磨耗。因此，雙側(cè)膜片聯(lián)軸器并不完全適合于三軸轉(zhuǎn)向架的中間輪對。

圖3 雙側(cè)膜片式聯(lián)軸器

為了提高聯(lián)軸器的軸向變位能力，中間輪對聯(lián)軸器可采用一側(cè)膜片+一側(cè)鼓形齒聯(lián)軸節(jié)的形式，通過鼓形齒較大的軸向變位能力滿足聯(lián)軸器總體軸向變位需求。鼓型齒聯(lián)軸節(jié)在高速動車組轉(zhuǎn)向架上有廣泛應(yīng)用，主要由帶有外齒的軸套和帶有內(nèi)齒的套筒組成，其齒頂和齒面都是圓弧形的，可以實現(xiàn)橫動和偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)較大的位移補償，而且結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞運動準(zhǔn)確、可靠等特點［5］。如圖4 所示，將鼓形齒布置于齒輪箱和電機之間，主要有以下優(yōu)勢：

圖4 雙側(cè)膜片聯(lián)軸器與膜片+鼓形齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

（1）減少聯(lián)軸器橫向空間尺寸，與雙側(cè)膜片聯(lián)軸器保持接口一致，提高了驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)的一致性。

（2）鼓形齒結(jié)構(gòu)避開車輪側(cè)，增加維護和拆卸空間，不拆卸車輪便可進行檢修維護，提高了驅(qū)動裝置的可維護性。

聯(lián)軸器的主要技術(shù)參數(shù)見表2。雙側(cè)聯(lián)軸器和一側(cè)膜片+一側(cè)鼓形齒聯(lián)軸節(jié)的聯(lián)軸器除位移補償能力外，其他參數(shù)基本一致，均能滿足設(shè)計要求。

表2 聯(lián)軸器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 牽引電機

牽引電機采用六極交流異步電機，相較于四級電機，具有重量輕、功率密度高和效率高的特點［6］，經(jīng)設(shè)計牽引電機約為1.8 t。采用強迫通風(fēng)冷卻，轉(zhuǎn)子采用雙端脂潤滑軸承支撐形式。電機輸出軸采用1∶50 錐度過盈配合與聯(lián)軸器的電機側(cè)連接，實現(xiàn)扭矩的傳遞。

2.4 電機懸掛裝置

電機懸掛采用剛性架懸方式。牽引電機通過三點支撐于構(gòu)架，驅(qū)動裝置通過非電機端的1 個前吊點和電機端的2 個后吊點吊掛在構(gòu)架上，前、后吊掛點均采用橡膠關(guān)節(jié)，優(yōu)化受力狀態(tài)。齒輪箱一端抱在車軸上，另一端通過吊桿支撐于構(gòu)架，吊桿兩端均采用橡膠關(guān)節(jié)。同時設(shè)置了電機安全托，防止出現(xiàn)異常脫落時電機直接掉在軌道上引起安全事故。

3 轉(zhuǎn)向架電機布置形式

轉(zhuǎn)向架牽引電機布置形式常用的是內(nèi)順置或端軸對置的方式，主要影響因素有轉(zhuǎn)向架的重量分配、機車軸重轉(zhuǎn)移和動力學(xué)性能等。采用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)向架的電機布置形式通過上述主要因素進行確定。

3.1 重量分配

小齒輪空心軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)特點是，由于聯(lián)軸器的運動空間導(dǎo)致牽引電機偏向于一側(cè)，驅(qū)動裝置總體的重心偏向電機的一側(cè)，當(dāng)牽引電機重量越大時重心偏離越嚴(yán)重。采用端軸對置的方式通常可以較好解決重量偏差問題。本次設(shè)計牽引電機重量小于1.8 t，經(jīng)核算驅(qū)動重心偏離引起的轉(zhuǎn)向架左右輪重偏差見表3。計算結(jié)果表明2 種方案都能滿足重量偏差小于1.5%的要求。

表3 驅(qū)動重心偏離引起的轉(zhuǎn)向架左右輪重差

3.2 軸重轉(zhuǎn)移

電機布置方式影響機車啟動時各軸的軸重轉(zhuǎn)移和黏著利用率。在轉(zhuǎn)向架軸重22 t、啟動牽引力53.33 kN 的設(shè)計參數(shù)下計算2 種布置方案的軸重轉(zhuǎn)移和黏著利用率情況見表4，計算結(jié)果表明電機順置時黏著利用率為93.12%，明顯優(yōu)于電機對置時的86.31%。需要指出的是，在設(shè)計參數(shù)下電機對置時的啟動黏著系數(shù)為0.28，通常能夠滿足牽引要求。

表4 軸重轉(zhuǎn)移和黏著利用率計算結(jié)果

3.3 動力學(xué)性能

針對電機順置和電機對置2 種轉(zhuǎn)向架方案進行動力學(xué)性能分析，重點對比轉(zhuǎn)向架的臨界速度、平穩(wěn)性和曲線通過情況。

3.3.1 臨界速度

轉(zhuǎn)向架非線性臨界速度計算結(jié)果如圖5 所示。從計算結(jié)果看出，電機順置非線性臨界速度均為295 km/h，電機對置時非線性臨界速度均為360 km/h，2 種方案均滿足設(shè)計要求。

圖5 輪對橫向振動極限環(huán)幅值

3.3.2 平穩(wěn)性

以AAR6 級線路譜作為輸入，計算機車最大運行速度200 km/h 下的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，計算結(jié)果如圖6、圖7 所示。從計算結(jié)果看出，運行速度200 km/h 以內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)最大值均小于2.75，指標(biāo)優(yōu)秀。2 種布置方式對平穩(wěn)性的影響并不顯著。

圖6 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖7 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

3.3.3 曲線通過

考察機車動態(tài)通過R300 m 曲線時的各項指標(biāo)情況。第一輪對的輪軸橫向力、輪軸減載率和脫軌系數(shù)如圖8、圖9 所示。從計算結(jié)果來看，2 種方案輪軸橫向力和輪重減載率基本相當(dāng)，電機對置時略大，脫軌系數(shù)相當(dāng)，各項指標(biāo)均滿足要求。

圖8 R300 m 曲線動態(tài)通過時輪軸橫向力

圖9 R300 m 曲線動態(tài)通過時輪重減載率和脫軌系數(shù)

4 轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，考慮電機順置在軸重轉(zhuǎn)移上有一定優(yōu)勢，而其他因素基本相當(dāng)?shù)那闆r，轉(zhuǎn)向架方案確定采用電機順置的布置方式，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖10 所示。轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)除驅(qū)動裝置和電機懸掛裝置外，還包括構(gòu)架、一系懸掛、輪對裝配、二系懸掛、牽引桿、基礎(chǔ)制動、電機懸掛等［7］。該轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)特點：

圖10 轉(zhuǎn)向架裝配

（1）驅(qū)動裝置采用小齒輪空心軸結(jié)構(gòu)、端軸為雙側(cè)膜片式聯(lián)軸器，中間軸為膜片+鼓形齒式聯(lián)軸器，車輪直徑為1 050 mm。

（2）牽引電機采用剛性架懸、內(nèi)順置布置方式。

（3）軸箱軸承采用免維護的雙列圓柱滾子軸承單元。

（4）一系懸掛裝置采用單拉桿軸箱定位+螺旋彈簧結(jié)構(gòu)，一、三軸安裝垂向減振器。二系懸掛裝置采用高圓彈簧+橡膠墊結(jié)構(gòu)，輔以各向減振器。

（5）牽引裝置采用低位推挽式牽引桿。

（6）基礎(chǔ)制動采用輪盤制動方式。

4.1 構(gòu)架

構(gòu)架采用“目”字形結(jié)構(gòu)，各梁均為薄板焊接箱形梁結(jié)構(gòu)。各梁連接處采用圓弧過渡，減少應(yīng)力集中。通過優(yōu)化筋板布置，使構(gòu)架在傳遞各向力時受力更加合理。焊縫符合EN 15085 焊接標(biāo)準(zhǔn)要求。構(gòu)架在焊接完成后，進行整體退火處理和整體機加工。按TB/T 3549.1-2019 標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)架結(jié)構(gòu)進行了靜強度和疲勞強度分析，計算結(jié)果表明構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、變形協(xié)調(diào)。

4.2 一系懸掛裝置

一系懸掛裝置采用了較大剛度的鋼彈簧、單側(cè)水平軸箱拉桿和垂向減振器結(jié)構(gòu)，軸箱彈簧按照EN 13906 進行校核，整個一系懸掛的合成剛度及阻尼力滿足機車的動力學(xué)要求。軸箱軸承采用圓柱滾子自密封軸承，其中端軸橫動量為0.3~0.7 mm，中間軸橫動量為19~20 mm。在每軸的軸端根據(jù)需要安裝接地裝置、空氣防滑齒輪及速度傳感器。

4.3 輪對裝配

車輪為整體輾鋼車輪，輪徑為1 050 mm，材料采用ER9 級車輪鋼，踏面為JM3 型。車軸采用EA4T 材質(zhì)。車輪與車軸采用注油壓裝配合，滿足TB/T 1463-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 二系懸掛裝置

每轉(zhuǎn)向架通過6 個高圓彈簧（左右側(cè)各3 個）與車體連接，彈簧安置在構(gòu)架側(cè)梁上。每轉(zhuǎn)向架布置2 個橫向減振器、2 個垂向減振器以及2 個抗蛇行減振器。二系懸掛裝置具有較小的橫向剛度，以保證機車具備良好的平穩(wěn)性。

4.5 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動采用輪盤制動，每個車輪安裝一套獨立的三點吊掛式制動夾鉗單元，制動倍率為2.4，采用鑄鋼盤及粉末冶金閘片。每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置2 個帶彈簧停車的制動夾鉗單元，以滿足在30‰坡道停車的要求，且為了進一步平衡驅(qū)動裝置重心引起轉(zhuǎn)向架左右側(cè)重量的偏差，帶彈停的制動單元均布置在齒輪箱側(cè)。

4.6 牽引裝置

牽引裝置結(jié)構(gòu)借鑒了HXD3C型電力機車，采用低位推挽式結(jié)構(gòu)。構(gòu)架端連接在一二軸之間的構(gòu)架橫梁下方，通過一軸牽引電機下方連接車體牽引座上。為保證車體和轉(zhuǎn)向架之間的相對運動，牽引桿兩端的連接部位均采用了橡膠關(guān)節(jié)，保證了轉(zhuǎn)向架和車體之間各個方向力的傳遞。牽引裝置具有足夠的強度，計算表明，滿足承受轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乘30 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生永久變形、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乘50 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生損壞的要求。

4.7 附屬裝置

附屬裝置主要包括撒沙管 、掃石器、輪緣潤滑裝置、轉(zhuǎn)向架配管、軸溫監(jiān)測、進風(fēng)道等。

5 結(jié) 論

通過采用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置減小輪徑后，每條輪對驅(qū)動裝置總重約為4.6 t，相較于采用1 250 mm 輪徑、輪對空心軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)的HXD3D型輪對驅(qū)動裝置的6.8 t，每條輪驅(qū)減重約2.2 t，輕量化效果非常明顯。轉(zhuǎn)向架減輕可為機車增加電池或其他設(shè)備提供空間，使得機車進一步優(yōu)化性能成為可能。因此，采用小齒輪空心軸驅(qū)動裝置可以成為下一代高速機車轉(zhuǎn)向架的主要選擇。