適用于中亞鐵路的機(jī)車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)

張鴻濤

(南車集團(tuán)公司資陽機(jī)車有限公司 機(jī)車研發(fā)部,四川資陽641301)

進(jìn)入21世紀(jì)后,中亞地區(qū)隨著石油、天然氣等能源以及有色金屬礦產(chǎn)資源的大量開采,上述地區(qū)國家的經(jīng)濟(jì)也迅速攀升。鐵路貨運(yùn)作為主要運(yùn)輸方式,貨運(yùn)能力出現(xiàn)嚴(yán)重不足,迫切要求提升。

中亞國家現(xiàn)有機(jī)車多為上世紀(jì)中下葉前蘇聯(lián)生產(chǎn)的機(jī)車,備件缺乏,而且由于技術(shù)人員的大量流失,所以機(jī)車維護(hù)能力較差。這些國家鐵路線路狀況也普遍較差,軌道橫向和垂向扭曲嚴(yán)重,存在很大的隱患。

近年來中亞國家大量引進(jìn)中國制造的機(jī)車,截止到2009年6月僅資陽機(jī)車有限公司就向上述地區(qū)的國家出口包括客運(yùn)、貨運(yùn)、調(diào)車3種車型的內(nèi)燃機(jī)車超過了100臺(tái),成功完成了適用中亞鐵路的機(jī)車型譜。

1 設(shè)計(jì)思路

上世紀(jì)通過歐亞大陸橋建設(shè),中國鐵路在阿拉山口與中亞國家的鐵路實(shí)現(xiàn)了連接,但中國軌距為 1 435 mm,而中亞國家鐵路軌距為1 520 mm,因此中亞鐵路機(jī)車需滿足以下4個(gè)原則:(1)通用性;(2)最小的改動(dòng)量;(3)成熟可靠的部件;(4)經(jīng)濟(jì)的過軌方式。

客運(yùn)、貨運(yùn)、調(diào)車3種車型的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)理念是主要部件通用,根據(jù)運(yùn)用需要進(jìn)行特性配置。為此我們選取自己的成熟產(chǎn)品DF8B機(jī)車轉(zhuǎn)向架為客、貨運(yùn)機(jī)車設(shè)計(jì)原型;選取GKD3B機(jī)車為調(diào)車設(shè)計(jì)原型,按中亞地區(qū)國家鐵路的運(yùn)用習(xí)慣要求,將原方案中的單元制動(dòng)器改為與DF4B機(jī)車相同的帶閘瓦調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的桿系制動(dòng)裝置,同時(shí)根據(jù)運(yùn)用速度對(duì)一系懸掛參數(shù)進(jìn)行重新選取,并根據(jù)機(jī)車不同的功率等級(jí)選取相應(yīng)的牽引電動(dòng)機(jī)。以下著重說明與原型車不同之處,以及根據(jù)DF4B、DF8B機(jī)車在運(yùn)用中出現(xiàn)的問題后而采取的改進(jìn)措施。

轉(zhuǎn)向架采用C0-C0軸式,轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成

轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)架

結(jié)構(gòu)形式為目字形,只是根據(jù)軌距變化,構(gòu)架側(cè)梁中心距由2 050 mm改為2 135 mm,相應(yīng)橫梁需加長85 mm。各梁仍為箱型結(jié)構(gòu),為避免焊接應(yīng)力集中,在設(shè)計(jì)中將梁內(nèi)部筋板形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)側(cè)梁下蓋板采用整板結(jié)構(gòu),將與橫梁下蓋板連接的筋板取消,避免產(chǎn)生交叉焊縫。鑒于中亞地區(qū)國家的線路狀況很差,軌道橫向和垂向扭曲嚴(yán)重,為保證構(gòu)架具有足夠的強(qiáng)度裕量,鋼板采用Q345C,同時(shí)要求側(cè)梁和橫梁的主要焊縫采取超探檢查,確保焊接質(zhì)量。

2.2 輪對(duì)軸箱

輪對(duì)由車軸、從動(dòng)齒輪、輪芯和輪箍組成,車輪踏面形狀按用戶推薦形式制造。牽引齒輪采用25°壓力角結(jié)構(gòu),同時(shí)根據(jù)承載情況確定齒向修形。

為兼顧120 km/h和100 km/h兩種速度的要求,對(duì)一系懸掛進(jìn)行重新設(shè)計(jì),將彈簧靜撓度由95 mm改為122 mm,彈簧采用大、中、小3圈組合的結(jié)構(gòu)方式,彈簧材質(zhì)采用60Si2CrVAT。軸箱體材質(zhì)采用C級(jí)鋼。材料的具體性能如表1所示。

2.3 旁承裝置

旁承采用橡膠堆旁承結(jié)構(gòu)。為衰減機(jī)車的橫向振動(dòng)和抑制蛇行運(yùn)動(dòng),布置有橫向油壓減振器。客、貨運(yùn)機(jī)車的橡膠堆與橫向減振器位置與DF8B機(jī)車一致,調(diào)車機(jī)車的橡膠堆位置與GKD3B機(jī)車一致,以滿足利用現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

表1 材料的機(jī)械性能

2.4 牽引裝置

由于側(cè)梁中心距增加85 mm,因此將兩個(gè)拐臂分別減少42.5 mm,連接桿長度相應(yīng)增加85 mm,牽引桿與國內(nèi)現(xiàn)車保持一致,采用此方案使得新設(shè)計(jì)的機(jī)車與現(xiàn)有供國內(nèi)機(jī)車轉(zhuǎn)向架的接口一致,有利于新設(shè)計(jì)的機(jī)車車體在國內(nèi)線路上運(yùn)輸。

2.5 電動(dòng)機(jī)懸掛裝置

電動(dòng)機(jī)懸掛裝置采用鼻式彈性懸掛,滑動(dòng)抱軸承結(jié)構(gòu);客運(yùn)機(jī)車采用ZD109C牽引電動(dòng)機(jī),貨運(yùn)機(jī)車采用ZQDR-410牽引電動(dòng)機(jī)。兩種轉(zhuǎn)向架齒輪罩的主體結(jié)構(gòu)相同,僅是由于安裝位置的變化需設(shè)置相應(yīng)的安裝座,齒輪為飛濺式潤滑,采用8K電力機(jī)車牽引齒輪油。

2.6 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)應(yīng)用戶要求采用帶閘瓦間隙調(diào)節(jié)器的單側(cè)制動(dòng),每個(gè)轉(zhuǎn)向架由6個(gè)制動(dòng)缸獨(dú)立帶動(dòng)各自的桿系及閘瓦,結(jié)構(gòu)型式同DF4B型機(jī)車。

3 分析及試驗(yàn)

3.1 動(dòng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)向架物理模型由西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,結(jié)果分析如下。

(1)臨界速度

客貨運(yùn)機(jī)車的非線性臨界速度為150 km/h,滿足設(shè)計(jì)要求;

(2)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

在4級(jí)線路上的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)良好,在5級(jí)線路上的垂向平穩(wěn)性指標(biāo),當(dāng)運(yùn)行速度為70 km/h以下時(shí)為優(yōu)良,80～100 km/h時(shí)為良好,110、120 km/h時(shí)為合格;

(3)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

在4級(jí)線路上能達(dá)到良好標(biāo)準(zhǔn),在5級(jí)線路上達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)車在4、5級(jí)線路上的橫向輪軌動(dòng)作用力的統(tǒng)計(jì)最大值均未超過極限值。

(4)曲線通過

客貨運(yùn)機(jī)車能以5 km/h的速度安全通過80 m半徑曲線的光滑軌道,能以小于50 km/h的速度安全通過具有4級(jí)線路不平順的300 m半徑曲線,能以小于57 km/h的速度安全通過具有5級(jí)線路不平順的300 m半徑曲線。

3.2 動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證機(jī)車的各項(xiàng)性能指標(biāo),在西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的6軸滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)客運(yùn)機(jī)車進(jìn)行了為期1個(gè)月的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)機(jī)車具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性能,平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.10,達(dá)到良好級(jí)。

(2)機(jī)車具有良好的穩(wěn)定性,在一系垂向減振全部失效后,機(jī)車在90 km/h加激擾后出現(xiàn)失穩(wěn),但停止激擾后,失穩(wěn)很快消失。二系橫向減振器全部失效后,機(jī)車橫向運(yùn)動(dòng)特性變差,但在120 km/h范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)未出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)。

(3)機(jī)車主動(dòng)帶功試驗(yàn)時(shí),軸箱溫度最高為66℃。

4 結(jié)束語

首批出口土庫曼斯坦的客運(yùn)機(jī)車到機(jī)務(wù)段后,我們深入展開了對(duì)用戶的培訓(xùn),我方售后服務(wù)人員也積極對(duì)機(jī)車進(jìn)行維護(hù),機(jī)車運(yùn)用狀態(tài)一直保持良好。

[1] 西南交通大學(xué)機(jī)車車輛研究所,資陽機(jī)車廠.出口土庫曼斯坦客貨運(yùn)機(jī)車的動(dòng)力學(xué)分析[R].成都:西南交通大學(xué),2005.

[2] 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.土庫曼6軸內(nèi)燃機(jī)車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研究報(bào)告[R].成都:西南交通大學(xué),2005.

[3] 孫竹生.內(nèi)燃機(jī)車總體及走行部[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

[4] 戚墅堰機(jī)車車輛工廠.東風(fēng)8B型內(nèi)燃機(jī)車[M].北京:中國鐵道出版社,1999.