32 t大軸重交流傳動機車轉向架方案探討

王坤全

(中國南車集團 資陽機車有限公司,四川資陽641300)

我國在大秦鐵路先后開行了2萬t運煤列車[1],運輸效率顯著,因此,加快對于重載機車的研究,特別是對于轉向架的研究應該是主要研究方向之一。

1 大軸重交流傳動機車轉向架結構方案

大軸重交流傳動機車轉向架在車體和轉向架之間仍然采用二系彈性懸掛裝置,二系懸掛裝置布置4組橡膠堆加左右兩個橫向減振器。考慮到機車的長交路運行在內(nèi)燃機車方案中設置了一個16 000 dm3的油箱,導致了較長的機車牽引中心距。構架采用目字形箱型焊接結構。構架和輪對之間由金屬螺旋彈簧、軸箱拉桿和垂向減振器(端軸)組成。在軸箱定位方式上,分別采用了單拉桿加圓錐滾子軸承(φ 177.787×301.701)和雙拉桿加圓柱滾子軸承(φ 180×320)的定位結構。在牽引方式上,一是采用美洲鐵路習慣采用的八字形彈性拉桿加中心銷牽引方式,二是采用低位單拉桿牽引的方式。牽引電動機與輪對通過抱軸承連接,另一端通過一根彈性吊桿懸掛在構架上,形成彈性半懸掛結構。

由于巴西鐵路公司曾經(jīng)向南車資陽有限公司表達過購買大軸重機車的意向,因此,在轉向架的結構方案中,軌距主要是以巴西鐵路1 600 mm寬軌兼顧我國標準軌距而進行的。以下是轉向架結構方案的技術參數(shù):

圖1、圖2顯示的是兩個不同牽引方式的結構方案圖。

圖1 八字形彈性拉桿加中心銷牽引方式

圖2 低位單拉桿牽引方式

2 動力學性能分析

計算模型共23個剛體,總計75個自由度。采用AAR-RP-633 MSRP G-Ⅱ76 2004標準機車踏面與UIC 60 kg/m鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關系,線路條件:軌道不平順采用按較差功率譜轉換的時域隨機不平順線路(考慮了巴西礦山鐵路的線路條件和運行現(xiàn)狀)。用數(shù)值積分方法求解,考慮了輪軌接觸幾何和蠕滑關系的非線性、輪對自由橫動量和軸箱橫向止擋的非線性、二系橫向彈性和剛性止擋的非線性以及各減振器的非線性特性。評定標準為TB/T 2360—93;UIC 518;GB 5599—85。計算得出以下結論。

2.1 機車的整車動力學性能

(1)理論上,機車新輪的準線性臨界速度大于200 km/h,非線性臨界速度為180 km/h,滿足穩(wěn)定性要求。當車輪踏面磨耗以后,準線性臨界速度降低,可以滿足常用速度60 km/h的要求。

(2)機車的橫向平穩(wěn)性要視線路的情況而定,機車具有優(yōu)良的橫向平穩(wěn)性。在計算的中等、中差和差線路(相當于美國客運速度 128～48 km/h的 AAR4到AAR2之間的不平順)上,運行速度在80 km/h以下,橫向平穩(wěn)性指標和加速度均是優(yōu)良。輪軸橫向力都遠遠小于規(guī)定的極限值。

(3)機車的垂向平穩(wěn)性要視線路的實際情況而定,在計算的中等、中差和差線路上,運行速度在70 km/h以下,垂向平穩(wěn)性指標和加速度均是優(yōu)良,垂向力都小于規(guī)定的極限值。

(4)機車可以安全通過100 m曲線半徑,但是當曲線半徑小于100 m以后,各項指標迅速增大。

2.2 一系軸箱單拉桿和雙拉桿方案比較

(1)兩種軸箱拉桿方案32 t軸重機車的準線性臨界速度都大于200 km/h。理論上單拉桿方案機車的非線性臨界速度為180 km/h,雙拉桿方案為160 km/h,都可以滿足機車最大運用速度100 km/h的要求。

(2)雙拉桿方案直線運行橫向平穩(wěn)性指標和加速度略優(yōu)于單拉桿方案,尤其在運行速度超過60 km/h以上;但是輪軸橫向力略大于單拉桿方案。

(3)理論上單拉桿方案機車可以通過的最小曲線半徑為121 m,雙拉桿方案可以通過的最小曲線半徑為129 m。降低二系橡膠堆縱、橫向剛度,或者減小內(nèi)、外橡膠堆縱向間距都可以有效地改善機車最小曲線半徑通過性能。

(4)單拉桿方案在小半徑曲線通過時,性能略優(yōu)于雙拉桿方案;雙拉桿方案在曲線通過速度提高時和曲線半徑增大時,又比單拉桿方案略具有優(yōu)勢。

(5)單軸箱拉桿與雙軸箱拉桿方案對機車的軸重轉移沒有影響。

2.3 單牽引桿和中心銷牽引方案比較

(1)單牽引桿可以實現(xiàn)最佳黏著利用率94.12%,但是采用中心銷牽引方式,機車的黏著利用率也達到92%以上。

(2)兩種牽引方案機車直線和曲線通過動力學性能差別甚微[2]。

3 構架結構強度分析

構架采用ANSYS軟件,對大軸重2C0機車轉向架構架的靜強度和疲勞強度進行了分析計算。由于構架承受的載荷在機車運行過程中不斷變化,計算參照UIC 615-4標準選取各工況,構架的板材采用Q345-E既可保證有良好的焊接性能,又具有較高的屈服強度,并具有-40℃良好的抗低溫沖擊性能。側梁和橫梁的上下蓋板分別采用20 mm和25 mm的板厚,立板采用16 mm的板厚,在各受力部位均加有補強板。側梁高度為340 mm,寬度為220 mm。經(jīng)過分析計算,大軸重2C0機車轉向架構架的靜強度滿足設計要求,對局部進行優(yōu)化后,疲勞強度也滿足設計要求。見圖3、圖4。

圖3 構架頂面部分樣點的G OODMAN圖

圖4 構架底面部分樣點的GOODMAN圖

4 輪對結構強度和輪軌接觸應力

輪對由車軸、從動齒輪、整體車輪組成。車軸在機車運行中承受較大的交變復雜載荷,對車軸的要求非常高。車軸的材料初步選定為代號 HJZ3,牌號為35CrMoA合金鋼鍛制而成,車軸的抗拉強度可以達到≥680 MPa,抗拉強度比JZ45車軸鋼提高9.7%。車軸結構尺寸:軸徑分別為177.787 mm或180 mm(兩種結構的軸承)、輪座直徑確定為252 mm、齒輪座直徑為258 mm、抱軸徑非驅(qū)動端直徑為255.6 mm、驅(qū)動端直徑為257.175 mm。經(jīng)過計算車軸滿足軸重32 t的靜載荷和動載荷以及交變載荷強度的需要。車軸最大等效應力位置位于輪座與齒輪座之間的溝槽位置,其次是齒輪座與抱軸箱軸承座之間溝槽位置。輪座與齒輪座之間的溝槽處的最大等效應力為113.2 MPa,小于最大許用應力,滿足設計要求。

由于車軸材料的冶煉和車軸的熱處理以及裝配工藝的差異,國內(nèi)同等軸重機車的輪座直徑都大于美國和日本等國家的機車。美國EMD192 t機車,軸徑177.778 mm,輪座直徑234.442 mm,抱軸直徑小端234.798 mm,抱軸直徑大端234.798 mm。

對于整體車輪,國外根據(jù)軸重和制動條件分為不同的含碳量和硬度,AAR標準從強度到硬度將車輪分為L、A、B、C 4個級別,大軸重機車車輪都采用B級或 C級。根據(jù)對EMD公司32 t軸重機車車輪的調(diào)查,他們也有采用B級車輪的,但將車輪的硬度控制在HB302～HB341的硬度范圍內(nèi),取了標準的上半段。

由于軸重較大,輪軌接觸應力也較大,接觸應力是隨著軸重的增加而增加。根據(jù)計算32 t軸重時,車輪與鋼軌在某接觸位置時其車輪的接觸應力最大已達到1 810 MPa,這在國內(nèi)鐵路機車上是比較少見的(圖5)。

圖5 輪軌各接觸位置的接觸應力分布

過大的接觸應力會導致踏面的早期剝離,踏面剝離又會嚴重惡化機車的運行品質(zhì),并帶來安全問題,同時加速轉向架上零部件的破壞。柳州機務段對車輪踏面剝離的研究也得出:“應根據(jù)機車實際運用區(qū)域不同的踏面形狀和不同的鋼軌斷面形狀進行匹配,來適當降低輪軌接觸應力。而且機車運行的速度和線路的曲線分布也與此相關,還應根據(jù)機車實際運行的線路、運行速度進行輪軌接觸應力的分析研究”[3]?！败囕喗佑|應力導致的原因遠不是那么簡單。它不僅和軸重、車輪直徑、踏面形狀、鋼軌斷面形狀、車輪側壓力、輪緣根部圓弧半徑、輪緣1點接觸、踏面1點接觸、輪軌接觸狀態(tài)等很多因數(shù)有關”[4]。

從上述分析可知,輪軌接觸應力與車輪直徑、軸重、踏面形狀、側壓力、輪緣根部半徑、一點接觸或2點接觸直接相關,其中影響最明顯的是軸重、車輪直徑、磨耗半徑和車輪側壓力。因此,大軸重交流傳動機車輪軌接觸應力,需引起高度重視。

5 大軸重機車轉向架牽引電機的轉矩與懸掛結構

大軸重機車雖然運行速度不高,軸功率也沒有電力機車大,但大都工作在低轉速大轉矩條件下。對于機車的牽引性能相對要求較高,在轉向架的結構、參數(shù)設計時應重點考慮。為了充分利用黏著以及滿足大軸重機車工作的牽引特點,巴西鐵路曾提出電機的啟動轉矩和持續(xù)轉矩分別為15 970 N?m和13 744 N?m。從目前所知的情況看,這種大轉矩的電機國際上只有美國GE公司以及EMD公司生產(chǎn),并且不能單獨出售。從某種意義上說電機和轉向架必須同步進行研究。

表1是目前國內(nèi)南車成都機車車輛有限公司和永濟新時速電機電器有限責任公司引進的美國GE和EMD兩家公司交流牽引電動機的型號和參數(shù)表。

表1 交流牽引電動機型號與參數(shù)

從表1電機參數(shù)表中啟動轉矩也不能滿足巴西鐵路要求,而EMD公司生產(chǎn)的1BT2630電機啟動轉矩為13 300 N?m;持續(xù)轉矩10 037 N?m;額定功率只有433 kW,最大轉速3 220 r/min。而國內(nèi) HXD1C電力機車牽引電機雖然軸功率達到1 224 kW,但啟動轉矩也只有9 717 N?m,HXD1B電力機車牽引電機軸功率達到1 633 kW,則啟動轉矩也只有9 240 N?m。

上述電機如果用于標準軌距的機車,電機需要增大轉矩,在無法加長電樞長度的情況下,只有增加電樞直徑,但受到驅(qū)動系統(tǒng)傳動中心距和機車下部限界的限制,同時也給齒輪的結構參數(shù)和強度設計帶來很大難度,因為內(nèi)燃機車的車輪遠小于電力機車。如果機車用于寬軌鐵路1 520 mm或1 600 mm軌距,電樞長度可分別增長85 mm和160 mm,可否用此辦法來增大轉矩。

考慮到將來機車大都使用在礦山、石油和運煤專線等鐵路,線路條件都比較差,基本屬于低速重載,驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性是第一位的。目前歐洲鐵路的滾動抱軸箱,都采用360°全封閉抱軸箱,材料大多采用球墨鑄鐵(如7 200 kW電力機車就采用了DIN 1693-1977標準規(guī)定的GGG40.3球墨鑄鐵)。這種結構增加了抱軸箱的強度,提高了抗沖擊的能力,減少了鑄件的收縮變形和應力集中,也提高了車軸防銹蝕的能力,延長了使用壽命。因此,在轉向架結構空間允許的情況下,可以嘗試采用360°全封閉抱軸箱結構,來提高驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

電機抱軸承選用FAG公司的FAG547734A和FAG547733A兩種單列圓錐滾子軸承。軸承內(nèi)徑、外徑和總寬度分別為:255.6,342.9,63.5 mm和257.175,358.775,76.2 mm。如果國產(chǎn)化,可以采用大連軸承公司的DZ701和DZ703圓錐滾子軸承并可以和上述兩種產(chǎn)品完全互換。

6 結束語

發(fā)展重載運輸必須發(fā)展大軸重機車,只有達到合適的黏著力才能最大程度的發(fā)揮機車的功率和牽引能力,從目前看世界上的重載機車軸重都在30 t以上。大軸重機車應采用合理的牽引方式和最佳的懸掛參數(shù)配置,讓重載機車達到最佳的黏著利用率。重載機車運行速度一般都不高,特別是礦山鐵路運行條件也較差,應優(yōu)先考慮機車的牽引性能和曲線通過性能,滿足可靠性要求。發(fā)展大軸重機車的同時,應同步發(fā)展大功率、大轉矩的牽引電機和可靠的驅(qū)動系統(tǒng)以滿足重載機車的運輸要求。

[1] 錢立新.世界重載鐵路運輸技術的最新進展[J].機車電傳動,2010,(1):3-7.

[2] 王坤全,羅 赟,張紅軍.32 t機車轉向架設計方案及動力學性能分析[J].鐵道機車車輛,2010,30(1)1-5.

[3] 王家玉,王福順.機車輪對JM、JM2、JM3磨耗型踏面及其剝離[J].內(nèi)燃機車,2009,(5):35-36.

[4] 俞展猷.輪軌接觸應力的研究[J].鐵道機車車輛,2000,(6):1-8.

[5] TB/T 2360-93.鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準[S].

[6] UIC 518鐵道車輛的動力性能—安全性—線路疲勞—乘坐質(zhì)量試驗和認證方法[S].

[7] GB 5599-85.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范[S].