新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)

楊勇軍， 魏春陽(yáng)

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司 產(chǎn)品設(shè)計(jì)部， 江蘇常州 213011)

機(jī)車轉(zhuǎn)向架作為鐵路機(jī)車的關(guān)鍵部件，其技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)型式直接決定了機(jī)車走行性能的優(yōu)劣，機(jī)車彈簧懸掛系統(tǒng)則對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的好壞有根本性的影響?？偨Y(jié)了當(dāng)前機(jī)車常見懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式和常見軸箱定位結(jié)構(gòu)型式，分析了導(dǎo)框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的特點(diǎn)。

1 常見機(jī)車懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)代機(jī)車走行部基本上都采用轉(zhuǎn)向架的形式[1]。轉(zhuǎn)向架的任務(wù)是承受機(jī)車上部重力，將驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)化成輪軌牽引力傳遞給機(jī)車，確保機(jī)車沿著軌道前進(jìn)，緩和線路不平順對(duì)機(jī)車的沖擊，根據(jù)機(jī)車制動(dòng)指令產(chǎn)生必要的制動(dòng)力確保減速或停車等。為實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)，并提供良好的走行性能，鐵路機(jī)車必須配置彈簧緩沖減振裝置來緩和線路不平順產(chǎn)生的沖擊。早期機(jī)車只有一系懸掛，如DF型機(jī)車，只在轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)之間布置有彈簧裝置。后來，由于機(jī)車運(yùn)行速度的提高，為進(jìn)一步提高緩沖性能，除在轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)之間布置有彈簧減振裝置以外，還在轉(zhuǎn)向架和車體架之間布置了彈簧減振裝置，也稱為二系懸掛。DF4、DF8、DF11、HXN5、HXD1等目前國(guó)內(nèi)在用機(jī)車基本都是兩系懸掛的結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)機(jī)車結(jié)構(gòu)空間和性能的需要，兩系懸掛又可分成“一系軟、二系硬”和“一系的硬、二系軟”兩類，如DF4、DF8、HXN5等屬于前者，而DF11、SS9、HXD1等則屬于后者。

2 常見機(jī)車軸箱定位結(jié)構(gòu)型式

機(jī)車行進(jìn)中，輪對(duì)在鋼軌上主要以滾動(dòng)的形式移動(dòng)，它與轉(zhuǎn)向架之間，需要用活動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，確保將輪對(duì)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架進(jìn)行相對(duì)位置的定位、傳遞鋼軌與車輪之間的牽引或制動(dòng)力、沿著鋼軌前進(jìn)的導(dǎo)向力，并承受機(jī)車的質(zhì)量。這些就是軸箱定位的主要功能。

軸箱定位有兩大類，分別是導(dǎo)框式定位和無導(dǎo)框定位。DF、ND5、NJ2、HXN5原型機(jī)車采用了導(dǎo)框式定位，如圖1所示。其他在役的鐵路機(jī)車則大都采用了軸箱拉桿形式的無導(dǎo)框式定位結(jié)構(gòu)，圖2給出了兩種常見無導(dǎo)框定位的軸箱結(jié)構(gòu)(雙軸箱拉桿定位和單軸箱拉桿定位)。

1-軸箱體；2-磨耗板；3-構(gòu)架導(dǎo)框。圖1 導(dǎo)框式定位軸箱示例(東風(fēng)型)

圖2 無導(dǎo)框定位軸箱示例

3 導(dǎo)框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的特點(diǎn)

導(dǎo)框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架，軸箱與構(gòu)架之間縱向定位和橫向定位由軸箱體與構(gòu)架導(dǎo)框的互相限位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。與無框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架相比，零部件數(shù)量相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔；轉(zhuǎn)向架整體高度相對(duì)較低，為機(jī)車總體布置、尤其是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在空間上提供了便利條件。這些是導(dǎo)框式定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的缺點(diǎn)是，軸箱與構(gòu)架之間的導(dǎo)向功能及載荷傳遞，由兩者之間的摩擦副實(shí)現(xiàn)。而摩擦副的存在，必然導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)用過程中的磨損磨耗、進(jìn)而由于間隙的擴(kuò)大產(chǎn)生性能上的差異；機(jī)車運(yùn)行過程中，構(gòu)架相對(duì)于軸箱之間的上下沉浮運(yùn)動(dòng)和左右橫向運(yùn)動(dòng)是必然存在的，而相對(duì)運(yùn)動(dòng)需要克服摩擦副的摩擦阻力，因此，摩擦副摩擦性能的不穩(wěn)定性將會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)，以及非預(yù)期的故障。例如，NJ2型機(jī)車初期性能試驗(yàn)中表現(xiàn)垂向性能差，據(jù)分析認(rèn)為是由于導(dǎo)框間隙過小導(dǎo)致的構(gòu)架相對(duì)軸箱之間的垂向運(yùn)動(dòng)卡滯而造成的。再如，裝用導(dǎo)框式轉(zhuǎn)向架的HXN5型機(jī)車早期在哈爾濱鐵路局運(yùn)用過程中，非導(dǎo)向車輪出現(xiàn)了踏面凹陷現(xiàn)象，導(dǎo)框定位以及機(jī)車單方向行駛是出現(xiàn)這種非導(dǎo)向車輪踏面異常磨耗的主要原因。

4 新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)概況

為解決早期HXN5型機(jī)車導(dǎo)框定位轉(zhuǎn)向架運(yùn)用中出現(xiàn)的問題，提出了一種新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)，其兩側(cè)的彈簧座面很低，從而可以在使用較大撓度的一系彈簧時(shí)，仍然實(shí)現(xiàn)上彈簧支承面有較低的高度以及軸箱拉桿聯(lián)接接口，這樣在既能獲得良好的機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架整體較低的高度。這是該轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)的顯著特點(diǎn)，同時(shí)也是該轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)，它充分借鑒了導(dǎo)框定位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架整體高度低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了導(dǎo)框定位轉(zhuǎn)向架的不足，適用于最高運(yùn)行速度120 km/h以內(nèi)的干線貨運(yùn)或調(diào)車機(jī)車用三軸機(jī)車轉(zhuǎn)向架。

5 新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架主要部件結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)

5.1 軸箱及一系懸掛

本轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)采用了如圖3所示的新型軸箱，它主要由軸箱體、2個(gè)一系彈簧、1根軸箱拉桿、支架、側(cè)擋、減振器、軸承保持座等組成。

該型軸箱典型特征是兩側(cè)的彈簧座面很低，實(shí)現(xiàn)了具有較大靜撓度的同時(shí)，上彈簧座與構(gòu)架的安裝面高度較低。另外，該型軸箱因配套使用了預(yù)潤(rùn)滑全密封單元軸承，軸箱體的軸承腔設(shè)計(jì)為開放式的，大大方便了檢修時(shí)的組裝與拆卸，如圖4所示，正常工作時(shí)，軸承下方設(shè)置有軸承保持座，它將軸承限定在開放式軸承腔中；當(dāng)需要拆卸時(shí)，先拆軸承保持座，即可方便地將軸箱體從軸頸軸承上移出。這是該型軸箱的又一顯著特點(diǎn)。根據(jù)配合軸頸軸承的需要，本平臺(tái)目前為止開發(fā)有兩種規(guī)格的軸箱體。

1-軸箱；2-一系彈簧；3-軸箱拉桿；4-支架；5-側(cè)擋；6-減振器；7-軸承保持座。圖3 軸箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 軸承保持座布置

目前為止，本平臺(tái)為適合國(guó)內(nèi)及出口各種機(jī)車產(chǎn)品的不同參數(shù)要求，開發(fā)了多種規(guī)格的一系彈簧。主要參數(shù)見表1。

表1 一系彈簧主要參數(shù)

軸箱拉桿主體為鑄鋼件，兩端配有橡膠關(guān)節(jié)。組裝時(shí)，兩裝分別通過兩根螺栓與軸箱體和構(gòu)架相連。目前為止，本轉(zhuǎn)向架平臺(tái)所使用的軸箱拉桿均相同，即只有一種規(guī)格。

為限制軸箱相對(duì)于構(gòu)架的橫向位移，支架與安裝在構(gòu)架上的側(cè)擋相配合，承擔(dān)了限位功能。另外，支架上部左右兩側(cè)各有一耳形凸起，與構(gòu)架的L形支架相配合，一方面承擔(dān)輪對(duì)整體起吊的功能，另一方面還承擔(dān)了垂向限位功能。

5.2 構(gòu)架

構(gòu)架采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接形成轉(zhuǎn)向架的骨架，具體結(jié)構(gòu)及尺寸根據(jù)轉(zhuǎn)向架整體布置需要設(shè)計(jì)。其中，根據(jù)軸箱拉桿連接的需要，每軸箱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有一拉桿座以及上彈簧座安裝接口、軸箱側(cè)擋安裝接口等；根據(jù)牽引裝置安裝需要，每構(gòu)架設(shè)置有一根牽引梁，其上有與牽引裝置相對(duì)應(yīng)的安裝接口。此外，構(gòu)架上設(shè)置有制動(dòng)單元安裝接口、電機(jī)吊掛接口、二系懸掛接口等。

5.3 輪軸驅(qū)動(dòng)裝置

輪軸驅(qū)動(dòng)裝置由輪對(duì)(車輪-牽引從動(dòng)齒輪-車軸)、驅(qū)動(dòng)軸承與抱軸箱及密封件、軸頸軸承等構(gòu)成。輪軸驅(qū)動(dòng)裝置是鐵路機(jī)車的核心關(guān)鍵部件，它直接決定了轉(zhuǎn)向架的可靠性，在很大程度上決定了轉(zhuǎn)向架的技術(shù)水平，對(duì)轉(zhuǎn)向架的走行性能有重大影響。本平臺(tái)已開發(fā)有適用于1 435 mm和1 676 mm兩種軌距的輪軸驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)品，其主要零部件結(jié)構(gòu)形式如下。

(1)驅(qū)動(dòng)軸承選型驅(qū)動(dòng)軸承是輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響了輪軸驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性。本技術(shù)平臺(tái)開發(fā)有兩套驅(qū)動(dòng)軸承方案，其主要規(guī)格尺寸和性能參數(shù)見表2。

表2 驅(qū)動(dòng)軸承主要參數(shù)

(2)軸頸軸承選型

車軸兩端的軸頸上壓裝有兩個(gè)自潤(rùn)滑全密封式雙列圓錐滾子軸承，從而實(shí)現(xiàn)輪對(duì)與軸箱之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前為止，該平臺(tái)開發(fā)了兩種規(guī)格的軸頸軸承，規(guī)格尺寸分別為AAR G級(jí)(7×12″)和AAR K級(jí)(6.5×9″)。

(3)車輪結(jié)構(gòu)形式

車輪根據(jù)用戶需求，可以采用整體式車輪，也可采用套箍式車輪。車輪直徑，根據(jù)用戶要求確定。本平臺(tái)目前開發(fā)有1 050 mm和1 250 mm兩種規(guī)格的車輪。

5.4 電機(jī)懸掛裝置

本平臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)采用滾動(dòng)軸承抱軸懸掛方式，其一端通過齒側(cè)和非齒側(cè)的驅(qū)動(dòng)軸承支承在車軸上，另一端通過吊桿懸掛到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。根據(jù)用戶要求，牽引電動(dòng)機(jī)可采用直流電機(jī)或交流電機(jī)。主動(dòng)齒輪則根據(jù)牽引性能的需要以及結(jié)構(gòu)布置空間，可采用套裝或內(nèi)插過盈壓裝，或采用與牽引電動(dòng)機(jī)樞軸加工成一起的整體齒軸結(jié)構(gòu)。為保護(hù)齒輪副、實(shí)現(xiàn)良好潤(rùn)滑，產(chǎn)品配套有用薄板焊接制成的齒輪罩，用作潤(rùn)滑劑容器，并使齒輪副處于相對(duì)密封的工作空間中。

5.5 二系懸掛

二系懸掛采用橡膠堆作為主承載件，并配置有橫向減振器用于衰減振動(dòng)。根據(jù)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能的需要，可能會(huì)配置抗蛇行減振器。

5.6 牽引裝置

牽引裝置采用了中心銷結(jié)構(gòu)型式，如圖5所示。其中中心銷焊裝于車架牽引梁上，與牽引梁形成一整體焊接結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)向架上，以牽引座為中心，前后兩側(cè)各設(shè)置有一牽引緩沖墊，并用牽引箱蓋壓裝在構(gòu)架的牽引梁上，從而形成完整的牽引緩沖結(jié)構(gòu)。在牽引座左右兩側(cè)各設(shè)置有一橫向止擋，在轉(zhuǎn)向架相對(duì)于機(jī)車車體橫向位移超過自由橫動(dòng)量后將起緩沖作用。牽引座的下方，設(shè)置有托架，通過螺栓安裝在中心銷下端面。托架承擔(dān)了機(jī)車連同轉(zhuǎn)向架整車起吊時(shí)抬升轉(zhuǎn)向架的功能。在牽引座內(nèi)孔與中心銷之間，設(shè)置有尼龍襯套，充分利用尼龍的耐磨特性，極大減緩了中心銷與牽引座在相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂向滑動(dòng)時(shí)的磨損磨耗。

1-構(gòu)架牽引梁；2-牽引緩沖墊；3-橫向止擋；4-托架；5-牽引箱蓋；6-牽引緩沖墊；7-牽引座；8-尼龍襯套；9-壓板；10-中心銷。圖5 牽引裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5.7 基礎(chǔ)制動(dòng)

基礎(chǔ)制動(dòng)采用了踏面制動(dòng)結(jié)構(gòu)型式。制動(dòng)器為具有閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整功能的制動(dòng)單元。制動(dòng)單元的具體型號(hào)或結(jié)構(gòu)尺寸等，根據(jù)轉(zhuǎn)向架整體布置需要設(shè)計(jì)。

6 技術(shù)平臺(tái)應(yīng)用

6.1 首款轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品

新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)下首款轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品，是為HXN5型交流傳動(dòng)機(jī)車配套研發(fā)的轉(zhuǎn)向架，生產(chǎn)了50臺(tái)機(jī)車，全部在沈陽(yáng)鐵路局投入運(yùn)營(yíng)。首臺(tái)機(jī)車(HXN5-2001號(hào)機(jī)車)研制過程中，轉(zhuǎn)向架零部件及裝用該型轉(zhuǎn)向架的整車按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了型式試驗(yàn)及線路運(yùn)用考核試驗(yàn)。運(yùn)用考核期間轉(zhuǎn)向架未發(fā)生故障，狀況良好[2]。

線路運(yùn)用考核表明，與原HXN5型機(jī)車相比，雙司機(jī)室HXN5-2001號(hào)機(jī)車各軸位輪緣和踏面磨耗趨于均勻，整車輪緣和踏面平均磨耗比原HXN5型機(jī)車分別改善了49%和 17%；未出現(xiàn)原HXN5型機(jī)車非導(dǎo)向輪中間的凹陷現(xiàn)象，通過曲線時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)原HXN5型機(jī)車早期出現(xiàn)的異常垂向振動(dòng)現(xiàn)象。

6.2 其余轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品

首款新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架研制成功后，根據(jù)相關(guān)機(jī)車采購(gòu)合同要求，又開發(fā)出口伊朗適用于小限界線路的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品、適用于大功率調(diào)車機(jī)車運(yùn)用的HXN5B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品、出口阿根廷用于貝爾格拉諾線的寬軌和準(zhǔn)軌轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。這3種轉(zhuǎn)向架均已投入實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)，運(yùn)用效果良好。

7 結(jié)束語(yǔ)

在回顧現(xiàn)有常見鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架懸掛結(jié)構(gòu)型式、軸箱定位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型單軸箱拉桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)、及其結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)特點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合平臺(tái)下已研發(fā)產(chǎn)品實(shí)際情況介紹了主要零部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最后介紹了轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用情況。

從該平臺(tái)下已有研發(fā)產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行情況來看，該技術(shù)平臺(tái)是成功的，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果、較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。