大功率機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

李茂春,李冠軍

(中國(guó)南車(chē)集團(tuán) 株洲電力機(jī)車(chē)有限公司,湖南株洲412001)

南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司先后研制了HXD1、HXD1B和HXD1C 3種大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)車(chē)型。其中,HXD1型機(jī)車(chē)是8軸大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē),HXD1B型和HXD1C型則是南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司完全自主研制的6軸大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)。

在轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)方面HXD1B和HXD1C很好的繼承并發(fā)展了HXD1型機(jī)車(chē)的懸掛系統(tǒng),成功的將一些先進(jìn)技術(shù)從2軸轉(zhuǎn)向架移植到了3軸轉(zhuǎn)向架上。本文所指的懸掛系統(tǒng)主要包含一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、電機(jī)懸掛裝置及牽引裝置。

以HXD1C型大功率機(jī)車(chē)的懸掛系統(tǒng)為例,對(duì)懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 一系懸掛裝置

HXD1C型大功率機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架一系懸掛結(jié)構(gòu)借鑒了高速動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的懸掛結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1),采用單軸箱拉桿結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,且在我國(guó)已有較廣泛的運(yùn)用。

圖1 一系懸掛裝置

單軸箱拉桿定位的一系懸掛裝置,縱向剛度主要由軸箱拉桿提供,垂向和橫向剛度主要有一系鋼彈簧提供,其縱橫向剛度相對(duì)獨(dú)立。由于橫向剛度基本由一系鋼彈簧提供,為達(dá)到預(yù)定橫向剛度,一系鋼彈簧有效圈數(shù)一般較少,且簧圈中徑較大?；扇χ袕降脑龃髮?dǎo)致彈簧工作應(yīng)力也較大,這對(duì)一系鋼彈簧提出了較高的要求,不過(guò)現(xiàn)在的彈簧材料和制造工藝能使彈簧滿(mǎn)足要求,因此這種結(jié)構(gòu)得以廣泛應(yīng)用。

單軸箱拉桿結(jié)構(gòu)解決了一系縱、橫向剛度匹配難的問(wèn)題,保證機(jī)車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能。這種定位方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、獨(dú)立性強(qiáng)、維修方便、無(wú)磨耗且調(diào)整方便,符合我國(guó)乃至當(dāng)今世界交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)一系懸掛裝置的發(fā)展方向。

在大功率機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的研制中,一系懸掛裝置曾探討第2方案,即三角形軸箱拉桿定位方案。如圖2所示,三角形軸箱拉桿一角安裝在軸箱上,另兩角安裝在構(gòu)架拉桿座上,3個(gè)安裝點(diǎn)均安裝有橡膠關(guān)節(jié)。

該方案主要特點(diǎn)是垂向剛度主要由一系鋼彈簧提供,縱向剛度主要由軸箱拉桿提供,橫向剛度則由一系鋼彈簧和軸箱拉桿共同提供。通過(guò)調(diào)整軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)的徑向剛度可調(diào)整軸箱定位的橫向剛度和縱向剛度。采用三角形軸箱拉桿,使得一系橫向和縱向剛度可方便的調(diào)整,且一系鋼彈簧垂向剛度的選擇也可以擺脫整車(chē)對(duì)橫向剛度要求的限制,從而滿(mǎn)足不同線(xiàn)路條件和用戶(hù)對(duì)機(jī)車(chē)性能及參數(shù)的要求。

該方案在西門(mén)子公司機(jī)車(chē)上有廣泛運(yùn)用,但在國(guó)內(nèi)尚未有運(yùn)用案例。目前我們對(duì)該方案的原理和實(shí)現(xiàn)方式研究不夠深入,為了提高可靠性在HXD1C型機(jī)車(chē)上我們最終選擇了單軸箱拉桿結(jié)構(gòu)形式。

2 二系懸掛裝置

HXD1C機(jī)車(chē)二系懸掛裝置由加橡膠墊的高圓彈簧和各向減振器組成,如圖3所示,構(gòu)架每側(cè)設(shè)置3組高圓彈簧,二系垂向減振器對(duì)稱(chēng)布置在構(gòu)架兩側(cè),二系橫向減振器斜對(duì)稱(chēng)布置在構(gòu)架兩端。

圖2 三角形軸箱拉桿方案

圖3 二系懸掛裝置

一般轉(zhuǎn)向架的橫向減振器布置在構(gòu)架中間的兩側(cè),由于力臂較小,無(wú)法產(chǎn)生足夠的抗蛇行回轉(zhuǎn)阻力矩,因而一般都會(huì)另外加裝抗蛇行減振器。HXD1C機(jī)車(chē)沒(méi)有采用傳統(tǒng)的橫向減振器加抗蛇行減振器結(jié)構(gòu),而是將橫向減振器呈斜對(duì)稱(chēng)布置在構(gòu)架端梁上,橫向減振器一方面起到吸收和衰減橫向振動(dòng)的作用,另一方面形成一個(gè)較大的回轉(zhuǎn)阻力矩,抑制轉(zhuǎn)向架相對(duì)車(chē)體之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),起到抗蛇行減振器的作用。

這種布置方式有以下優(yōu)點(diǎn):(1)減少了部件的種類(lèi)和數(shù)量;(2)減振器的布置不再受二系彈簧周?chē)鷧^(qū)域的結(jié)構(gòu)和空間限制,尤其是3軸轉(zhuǎn)向架;(3)改善了二系橫向減振器的可接近性,便于組裝和維護(hù)。

這種布置方式對(duì)于二系橫向減振器的要求相當(dāng)高,由于減振器安裝在端部,而且是3軸轉(zhuǎn)向架,其行程需要非常大。HXD1C型二系橫向減振器行程為 510 mm,而SS9機(jī)車(chē)抗蛇行減振器的行程為235 mm,其行程是原抗蛇行減振器的兩倍多,這對(duì)于油壓減振器在機(jī)車(chē)上的運(yùn)用提出了新的要求和新的課題。

3 牽引裝置

HXD1C機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引裝置如圖4所示,采用推挽式雙桿低位牽引方式。牽引桿1水平布置,一端與構(gòu)架牽引橫梁相連,另一端通過(guò)兩根擺桿吊掛于構(gòu)架端梁,同時(shí),這一端還通過(guò)銷(xiāo)關(guān)節(jié)與牽引桿2相連,牽引桿3的另一端與車(chē)體相連。

目前,我國(guó)貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)正在向高速、重載的方向發(fā)展,而重載貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)對(duì)機(jī)車(chē)的起動(dòng)和制動(dòng)黏著力利用率提出了更高的要求。

影響?zhàn)ぶ玫囊蛩赜袪恳b置結(jié)構(gòu)型式、牽引裝置布置方式、懸掛系統(tǒng)剛度、轉(zhuǎn)向架軸距、車(chē)鉤中心距軌面高度以及轉(zhuǎn)向架中心距等。而其中牽引裝置結(jié)構(gòu)型式和牽引裝置布置方式是影響?zhàn)ぶ寐实闹饕蛩亍?/p>

為了比較各結(jié)構(gòu)型式牽引裝置對(duì)機(jī)車(chē)黏著力利用率的影響,對(duì)推挽式單牽引桿、雙牽引桿以及平拉桿(類(lèi)似SS9機(jī)車(chē)牽引裝置結(jié)構(gòu)型式)牽引裝置在采用不同布置方式情況下的黏著力利用率進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以得到如下結(jié)論:(1)推挽式單、雙桿低位牽引裝置采用中置比端置的最低黏著質(zhì)量利用率高;(2)相同布置方式下,推挽式雙牽引桿方案比單牽引桿方案的最低黏著質(zhì)量利用率高;(3)平拉桿方案的最低黏著質(zhì)量利用率比單牽引桿和雙牽引桿都低。

受設(shè)備布置影響,牽引裝置采用中置方案的車(chē)體長(zhǎng)度比端置要長(zhǎng)700 mm,且車(chē)體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。因此,最終將牽引方式鎖定在牽引裝置端置的兩個(gè)方案上(推挽式單桿低位牽引和推挽式雙桿低位牽引),表2為兩個(gè)方案的對(duì)比結(jié)果。

表1 黏著質(zhì)量利用率計(jì)算

表2 兩種牽引方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較

圖4 牽引裝置

圖5 電機(jī)懸掛裝置1

圖6 電機(jī)懸掛裝置2

從總體看,兩種牽引方式均能滿(mǎn)足使用要求,推挽式雙桿低位牽引的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且黏著力利用率高,缺點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本相對(duì)較高。HXD1C交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)是重載貨運(yùn)機(jī)車(chē),在設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮提高機(jī)車(chē)黏著質(zhì)量利用率和牽引裝置可靠性,因此HXD1C型電力機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架選用了推挽式雙桿低位牽引裝置,并采用了端部布置方式。

4 電機(jī)懸掛

HXD1C機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)采用抱軸懸掛方式,如圖5所示,一端通過(guò)滾動(dòng)軸承支承在輪對(duì)車(chē)軸上,另一端通過(guò)吊桿彈性懸掛于構(gòu)架橫梁。在構(gòu)架與牽引電機(jī)之間裝有安全托(如圖6),它通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)軸固定于構(gòu)架上,防止吊桿失效時(shí)電機(jī)掉落,從而保證機(jī)車(chē)運(yùn)行的安全。

電機(jī)吊桿是電機(jī)懸掛裝置的關(guān)鍵部件之一,吊桿的擺動(dòng)使電機(jī)能適應(yīng)輪對(duì)與構(gòu)架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),兩端安裝的橡膠關(guān)節(jié)可緩沖牽引電機(jī)在運(yùn)行中的振動(dòng)。橡膠關(guān)節(jié)在此承受較大的來(lái)自電機(jī)的垂向靜、動(dòng)載以及橫向沖擊載荷,因此在橡膠關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須注意校核其在垂向載荷和橫向沖擊載荷(尤其是2、5位)綜合作用下的應(yīng)力水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

HXD1C機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)采用了HXD1機(jī)車(chē)的很多先進(jìn)結(jié)構(gòu),如單軸箱拉桿定位、高撓圓彈簧加橡膠墊、構(gòu)架端部布置橫向減振器、推挽式雙桿低位牽引以及電機(jī)彈性吊掛等,成熟的技術(shù)和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)保證了大功率機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全和動(dòng)力學(xué)性能。HXD1C型大功率機(jī)車(chē)的大量使用和安全可靠運(yùn)行,充分驗(yàn)證了大功率機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

[1] 傅成俊.牽引裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置對(duì)重載貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)黏著質(zhì)量利用率的影響[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2009,32(2),1-4.