出口阿根廷米軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)

陳清建， 任時(shí)國， 李廉楓， 彭長福， 葉頂康

(中車資陽機(jī)車有限公司 研發(fā)部， 四川資陽 641300)

2015年中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司(CMEC)與阿根廷鐵路運(yùn)用部門簽訂了100臺(tái)交直流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的采購合同，其中40臺(tái)為米軌機(jī)車，由中車資陽公司負(fù)責(zé)研制。合同主要技術(shù)要求：裝車功率2 200 kW，最大運(yùn)行速度為80 km/h，軌距為1 000 mm，軸式為C0-C0軸式，軸重不大于17 t，輪徑為1 016 mm(新輪)。

該米軌機(jī)車主要運(yùn)用于貝爾格拉諾線路，需穿越平原和山區(qū)。通過當(dāng)?shù)鼐€路考察發(fā)現(xiàn)，線路質(zhì)量整體較差，道路養(yǎng)護(hù)簡單，檢修基地檢修能力較弱。針對(duì)這些不利因素，項(xiàng)目組充分借鑒了中車資陽公司出口越南、泰國等多款米軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)前和諧機(jī)車轉(zhuǎn)向架先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使阿根廷米軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架具有較高的可靠性和先進(jìn)性。

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)向架總體布置

轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱與一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置、電機(jī)懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和手制動(dòng)組成，還包括沙箱、輪緣潤滑裝置、轉(zhuǎn)向架管路和整體起吊裝置等附屬裝置，見圖1。

1-構(gòu)架；2-輪對(duì)軸箱；3-二系懸掛；4-牽引裝置；5-基礎(chǔ)制動(dòng)裝置；6-附屬裝置；7-電機(jī)懸掛裝置；8-一系懸掛。圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù):

軸式 C0-C0

軸距/mm 1 700+1 700

軸重/t 17

軌距/mm 1 000

最大運(yùn)用速度/(km·h-1) 80

車輪直徑/mm 1 016(新輪)/945(全磨耗)

機(jī)車通過最小曲線半徑/m 80

牽引方式 中心銷+八字型拉桿

電機(jī)懸掛方式 滾動(dòng)抱軸鼻式懸掛

制動(dòng)裝置型式 踏面單元制動(dòng)+手制動(dòng)

該轉(zhuǎn)向架具有以下特點(diǎn)：

(1) 各零部件采用了輕量化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向架總質(zhì)量低于16 t。

(2) 米軌輪對(duì)內(nèi)側(cè)距空間狹小，機(jī)車牽引功率需求高，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)難度大。

(3) 構(gòu)架、輪軸主要承載部件均采用了低應(yīng)力設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)受力均勻。

(4) 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)采用順置排列，轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)布置緊湊，軸重轉(zhuǎn)移量較小[1]。

(5) 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)采用模塊化設(shè)計(jì)，同型號(hào)的轉(zhuǎn)向架間能夠互換。

1.2 主要部件設(shè)計(jì)

(1) 構(gòu)架設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用“目”字型結(jié)構(gòu)，由側(cè)梁、牽引橫梁、橫梁和兩根端梁構(gòu)成，各梁均為高強(qiáng)度低合金鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架上還設(shè)有牽引座、拉桿座、制動(dòng)器安裝座、橫向止擋座和電機(jī)吊座等部件，如圖2所示。

構(gòu)架整體按照輕量化、低應(yīng)力和應(yīng)力分布均勻原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為增強(qiáng)構(gòu)架的抗扭剛度和整體變形能力，構(gòu)架橫梁進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)。為減少構(gòu)架的應(yīng)力集中，各梁連接處均采用大圓弧過渡。構(gòu)架焊接采用EN 15085 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，焊接接頭設(shè)計(jì)、焊縫標(biāo)注和檢驗(yàn)等符合EN 15085標(biāo)準(zhǔn)要求。構(gòu)架組焊后進(jìn)行了整體去應(yīng)力退火處理，消除構(gòu)架焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，之后由數(shù)控加工中心進(jìn)行整體機(jī)械加工，以保證轉(zhuǎn)向架各組成部件的安裝接口精度。

圖2 構(gòu)架

(2) 輪對(duì)與一系懸掛設(shè)計(jì)

輪對(duì)包括整體車輪、車軸和軸箱組成等基本部件，還包括安裝在車軸上的從動(dòng)齒輪和抱軸箱等部件。一系懸掛采用Z字型雙拉桿軸箱體定位，包括螺旋鋼圓簧、橡膠減振墊和垂向液壓減振器等部件，見圖3。

圖3 輪對(duì)軸箱及一系懸掛

車輪為整體輾鋼車輪，采用了國內(nèi)成熟的車輪鋼材料，踏面為客戶線路成熟結(jié)構(gòu)，與線路具有良好的匹配關(guān)系。車軸采用符合北美標(biāo)準(zhǔn)的F級(jí)車軸鋼材料，按照EN 13104標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軸箱拉桿兩端設(shè)有彈性橡膠關(guān)節(jié)，上、下軸箱拉桿裝配后，共同實(shí)現(xiàn)一系傳遞牽引、制動(dòng)力的功能，且拉桿結(jié)構(gòu)互為安全冗余。螺旋鋼彈簧安裝在軸箱兩側(cè)，軸箱彈簧按照EN 10089標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，彈簧材料為常用的51CrV4，彈簧組底部設(shè)置了橡膠減振墊，用于隔離輪對(duì)上的高頻振動(dòng)沖擊傳入簧上設(shè)備。軸箱軸承采用了成熟的整體式自密封結(jié)構(gòu)的雙列圓錐滾子軸承，具有安裝拆卸方便，免維護(hù)周期長的優(yōu)點(diǎn)，其L10計(jì)算壽命大于300萬km。

(3) 二系懸掛設(shè)計(jì)

二系懸掛設(shè)置在構(gòu)架與車體之間，由橡膠堆和橫向液壓減振器等組成，見圖4。為改善橡膠堆在較大橫向位移時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，采用了橢圓形疊層低應(yīng)力橡膠堆結(jié)構(gòu)。為衰減車體和構(gòu)架之間的橫向振動(dòng)，在構(gòu)架中部兩側(cè)對(duì)稱布置了2個(gè)橫向液壓減振器。另外，車體與構(gòu)架之間還布置了合適的橫向止擋。

圖4 二系懸掛

(4) 牽引裝置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架采用中心銷+八字型拉桿牽引方式，見圖5。中心銷焊接在車架主梁上，下端通過橡膠關(guān)節(jié)和銷套與八字型拉桿聯(lián)接，拉桿兩端設(shè)有彈性橡膠關(guān)節(jié)，保證牽引裝置具有較大的縱向剛度和較小的橫向剛度，實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引和制動(dòng)功能。通過對(duì)牽引裝置拉桿和牽引銷進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，在承受轉(zhuǎn)向架質(zhì)量×3g(g取9.81 m/s2)沖擊工況下，拉桿和牽引銷計(jì)算應(yīng)力小于材料屈服極限，在承受轉(zhuǎn)向架質(zhì)量×5g(g取9.81 m/s2)沖擊工況下，拉桿和牽引銷計(jì)算應(yīng)力小于材料強(qiáng)度極限。

圖5 牽引裝置

(5) 電機(jī)懸掛裝置設(shè)計(jì)

牽引電機(jī)采用滾動(dòng)抱軸+電機(jī)半懸掛于構(gòu)架方式，主動(dòng)齒輪為懸臂布置，根據(jù)機(jī)車牽引性能配置了合適的齒輪傳動(dòng)比。由于米軌軌距小，輪對(duì)內(nèi)側(cè)空間狹窄，該轉(zhuǎn)向架采用了小體積和輕量化的ZD126G型牽引電機(jī)，匹配窄軌用抱軸箱、牽引齒輪、抱軸承和齒輪罩等零部件組成，見圖6。經(jīng)牽引齒輪強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算接觸強(qiáng)度安全系數(shù)SHmin=1.96，計(jì)算彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SFmin=2.39，均具有較高可靠度[2]等級(jí)要求。抱軸承采用分體式圓錐滾子軸承，安裝于抱軸箱內(nèi)，使抱軸箱具有抱車軸和橫向定位功能，其L10計(jì)算壽命均大于300萬km。因機(jī)車牽引功率需求大，車輪內(nèi)側(cè)空間小，各部件的設(shè)計(jì)難度較大。

圖6 電機(jī)懸掛裝置

(6) 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用單側(cè)踏面制動(dòng)式單元制動(dòng)器，每轉(zhuǎn)向架設(shè)置6個(gè)單元制動(dòng)器，采用符合TB/T 3196標(biāo)準(zhǔn)的合成閘瓦，與單元制動(dòng)器匹配后具有良好的制動(dòng)性能。其中，機(jī)車前端轉(zhuǎn)向架設(shè)有手制動(dòng)裝置，與單元制動(dòng)器匹配后實(shí)現(xiàn)手制動(dòng)功能，防滑動(dòng)安全系數(shù)S1和防滾動(dòng)安全系數(shù)S2均大于1，能夠滿足機(jī)車在20‰坡道上實(shí)施停放制動(dòng)的要求。

2 主要零部件強(qiáng)度分析

2.1 構(gòu)架強(qiáng)度校核

根據(jù)UIC 615-4動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，出口阿根廷米軌機(jī)車構(gòu)架在常用工況和極限工況下的應(yīng)力水平均較低，且分布均勻，尤其橫梁與側(cè)梁連接處采用的大圓弧過渡結(jié)構(gòu)對(duì)降低應(yīng)力具有較好效果，如圖7所示，構(gòu)架的靜強(qiáng)度具有足夠的安全裕量。將各節(jié)點(diǎn)等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅值點(diǎn)導(dǎo)入Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，由圖8可見，出口阿根廷米軌機(jī)車構(gòu)架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值均在Goodman母材及焊縫疲勞極限曲線內(nèi)，分布均勻。

圖7 構(gòu)架最大載荷工況Top面von Miss應(yīng)力值

圖8 構(gòu)架疲勞極限圖

根據(jù)UIC 615-4對(duì)首個(gè)構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證(見圖9)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，構(gòu)架在各超常載荷工況下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均未超過材料的許用應(yīng)力，各模擬運(yùn)用載荷工況下，構(gòu)架測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力情況符合相應(yīng)材料疲勞極限圖的要求。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)載荷工況對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了1.0×107次疲勞試驗(yàn)后，進(jìn)行磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)任何形式的裂紋。構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2 車軸強(qiáng)度校核

車軸作為關(guān)鍵承載部件，在機(jī)車運(yùn)行過程中承受著周期性而又復(fù)雜的荷載，包括機(jī)車的質(zhì)量、制動(dòng)力、輪軸力等，為確保機(jī)車車輛的運(yùn)行安全，車軸須具有足夠的強(qiáng)度。按照EN 13104標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)車軸各截面幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，最終得出了優(yōu)化后的車軸結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1，車軸各危險(xiǎn)截面計(jì)算應(yīng)力均小于疲勞許用應(yīng)力，滿足EN 13104標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 車軸各截面計(jì)算應(yīng)力

2.3 車輪強(qiáng)度校核

車輪在使用過程中始終處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，參照UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果主要對(duì)腹板和輪轂進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的車輪靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 各工況下車輪的最大等效應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，車輪靜強(qiáng)度符合UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定規(guī)則，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 各工況下車輪的極限應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，車輪疲勞強(qiáng)度符合UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定規(guī)則，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 各工況最大等效應(yīng)力

圖10 直線運(yùn)行工況等效應(yīng)力云圖

圖11 曲線運(yùn)行工況等效應(yīng)力云圖

圖12 通過道岔工況等效應(yīng)力云圖

2.4 一系鋼彈簧強(qiáng)度校核

將多組一系螺旋鋼彈簧參數(shù)按EN 13906-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度對(duì)比分析計(jì)算，確定了一系彈簧最優(yōu)結(jié)構(gòu)和剛度參數(shù)，計(jì)算結(jié)果分別見表4和圖13。計(jì)算結(jié)果表明：各工況下，彈簧的應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，彈簧的極限應(yīng)力均落在彈簧材料的Goodman疲勞曲線區(qū)域內(nèi)，靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，并預(yù)留了合適的強(qiáng)度安全冗余。

表3 各工況下極限應(yīng)力較大部分節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

注：取σmax=σ1max，σmin=σ3min，則Δσ=σ1max-σ3min

表4 一系螺旋鋼彈簧靜強(qiáng)度計(jì)算 MPa

圖13 彈簧疲勞曲線(Goodman圖)

3 動(dòng)力學(xué)性能分析與優(yōu)化

因客戶沒有線路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)，通過對(duì)客戶部分線路的考察，可以借鑒美國FRA軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中的AAR4或AAR5級(jí)線路譜進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能校核分析。

圖14 機(jī)車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

通過反復(fù)對(duì)比幾組轉(zhuǎn)向架的懸掛和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，建立機(jī)車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型(見圖14)，根據(jù)TB/T 2360-1993[3]和GB/T 5599-1985[4]、UIC 518-2009[5]規(guī)定，對(duì)機(jī)車的軸重轉(zhuǎn)移、臨界速度、運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性、曲線通過性能等進(jìn)行計(jì)算校核，最終確定了轉(zhuǎn)向架最優(yōu)的懸掛和結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要計(jì)算結(jié)論如下：

(1) 機(jī)車的黏著利用率[5]達(dá)到91%，滿足機(jī)車牽引性能要求。

(2) 車輪踏面等效錐度在0.1～0.3范圍時(shí)，機(jī)車的線性臨界速度大于130 km/h，滿足80 km/h的最高運(yùn)用速度要求。

(3) 機(jī)車的非線性臨界速度介于160～165 km/h之間，滿足80 km/h的最高運(yùn)用速度要求。

(4) 通過導(dǎo)入FRA軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中的AAR5級(jí)線路譜線路條件，機(jī)車運(yùn)行速度≤80 km/h范圍內(nèi)，機(jī)車的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.75，達(dá)到優(yōu)良等級(jí)；通過導(dǎo)入FRA軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中的AAR4級(jí)線路譜線路條件，機(jī)車運(yùn)行速度≤80 km/h范圍內(nèi)，機(jī)車的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于3.10，達(dá)到良好等級(jí)，見表5。

表5 機(jī)車在不同速度下的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wz和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wy

(6) 機(jī)車以15 km/h的速度通過80 m半徑的曲線軌道，當(dāng)軌距加寬達(dá)到20 mm時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，見表7。在軌距不加寬的條件下，當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)小于等于0.25時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，見表8。

表6 美國四級(jí)線路譜下機(jī)車動(dòng)態(tài)曲線運(yùn)行安全性指標(biāo)

表7 軌距加寬對(duì)機(jī)車曲線通過性能的影響

表8 輪軌摩擦系數(shù)對(duì)機(jī)車曲線通過性能的影響

4 結(jié)束語

該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，通過對(duì)主要承載部件的強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能校核分析及參數(shù)優(yōu)化，使該米軌轉(zhuǎn)向架具有足夠的使用強(qiáng)度，合理的結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)，良好的輪軌匹配關(guān)系，較高的線性和非線性臨界速度，良好的垂向和橫向動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，良好的曲線通過性能及實(shí)現(xiàn)了較小的軸重轉(zhuǎn)移等。

目前該批機(jī)車已交付用戶運(yùn)用運(yùn)營萬余公里，各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，運(yùn)用狀態(tài)良好。

[1] 鮑維千.機(jī)車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] TB/T 2360-1993鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB/T 5599-1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].

[5] UIC518-2009 Testing and approval of railway vehicles fom the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Running behaviour[S].