電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)懸掛方式選擇研究

蔡嘉鑫

（國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司機(jī)務(wù)分公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)以及人民生活水平的提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物為代表的新型商務(wù)模式興起，家電、農(nóng)副產(chǎn)品、鮮活易腐貨物、精密儀器、醫(yī)療衛(wèi)生用品等高附加值產(chǎn)品的運(yùn)輸需求迅猛增長(zhǎng)。以價(jià)值高、批量小、時(shí)間緊、個(gè)性化為特征的快捷貨物運(yùn)輸產(chǎn)品具有存儲(chǔ)時(shí)間短、小批量、多批次等特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)輸?shù)谋憬菪?、時(shí)效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等要求越來(lái)越高。因此提升鐵路貨運(yùn)速度，開(kāi)發(fā)我國(guó)快速貨運(yùn)鐵路運(yùn)輸用機(jī)車車輛具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、牽引電機(jī)懸掛方式

通常情況下，對(duì)牽引電機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)就是選取適當(dāng)?shù)姆绞綄㈦姍C(jī)懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。保持電機(jī)軸和輪對(duì)車軸間正確的幾何布置，以保證在各種運(yùn)用條件下，電機(jī)軸和車軸之間的傳動(dòng)效率和傳輸系統(tǒng)的潤(rùn)滑。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速齒輪傳輸?shù)杰囕S。從牽引電機(jī)到小齒輪的整套傳動(dòng)裝置被稱為驅(qū)動(dòng)裝置，牽引電機(jī)是驅(qū)動(dòng)部件?；跔恳姍C(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置在轉(zhuǎn)向架上如何安裝，通常有軸懸式牽引電機(jī)；軸懸式驅(qū)動(dòng)。然而，也存在其他類型的牽引電機(jī)安裝方式，例如底架安裝牽引電機(jī)方式，即牽引電機(jī)安裝在車輛底架上，通過(guò)柔性驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)一根或者數(shù)根車軸。無(wú)齒驅(qū)動(dòng)方式，即利用輪對(duì)車軸作為電機(jī)軸，而定子則剛性安裝在車體上。安裝方式并不是很通用，因此，軸懸式牽引電機(jī)和軸懸式驅(qū)動(dòng)這是在轉(zhuǎn)向架上安裝牽引電機(jī)最為常用的方式，通常也被稱為軸懸式牽引電機(jī)系統(tǒng)。在這種電機(jī)布置方式下，牽引電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，其電樞軸與車軸平行。電機(jī)一端通過(guò)安裝在電機(jī)懸掛系統(tǒng)中的一對(duì)懸掛軸承支持，車軸繞此軸承旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的另一端通過(guò)鼻型結(jié)懸掛在位于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上的支架上。這種類型的電機(jī)安裝方式，由于電機(jī)幾乎近一半的質(zhì)量被剛性安裝在車軸上，故抵抗沖擊的能力差。但這種安裝方式允許電機(jī)座相對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有足夠的移動(dòng)空間，以適應(yīng)車軸在軸箱內(nèi)的移動(dòng)量。因?yàn)殡姍C(jī)軸一直平行于車軸，這是最簡(jiǎn)單、魯棒性最好的傳動(dòng)方式，即只需采用單級(jí)減速直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。這就保證了能夠在最小的可能空間內(nèi)安裝牽引電機(jī)，允許最小的齒輪中心距。設(shè)計(jì)此種布置方式的轉(zhuǎn)向架時(shí)，需要合適地考慮位于橫梁中間的懸掛電機(jī)的質(zhì)量。在既有列車中，鐵路大多數(shù)轉(zhuǎn)向架都是按此布置方式設(shè)計(jì)的。齒輪中心距是最重要的設(shè)計(jì)因素，因?yàn)樗绊懴旅嬉恍┲匾獏?shù)的設(shè)計(jì)：齒輪傳動(dòng)比的最大化；車輪直徑可能的最小化；懸掛軸承處軸頸直徑的最大化。

軸懸式牽引電機(jī)系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于齒輪中心距最小化，在給定的空間情況下能夠使電機(jī)尺寸最大化，可以盡可能地利用空間；相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠，也最為經(jīng)濟(jì)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)幾何外形與轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置無(wú)關(guān)。此種布置方式主要的缺點(diǎn)和不足如下：由于牽引電機(jī)支承處缺少?gòu)椥宰杂啥?，電機(jī)會(huì)直接承受因軌道不平順導(dǎo)致的車輪踏面處的很大沖擊。設(shè)計(jì)電機(jī)懸掛單元和電機(jī)座時(shí)必須考慮它們能承受電機(jī)齒輪支反力。同樣，牽引電機(jī)軸承和電機(jī)懸掛裝置軸承的設(shè)計(jì)對(duì)于牽引電機(jī)的性能至關(guān)重要。直斜齒輪的安裝受電樞軸和車軸之間距離以及兩套軸承間隙的影響，可能存在齒端載荷。為了減小齒端載荷，小齒輪牙型需要特別注意，例如在齒端進(jìn)行錐化處理。由于采用懸突小齒輪，電樞軸的彎曲會(huì)引起電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承不對(duì)中，這就使得驅(qū)動(dòng)端小齒輪內(nèi)部軌道設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的不對(duì)中，要把驅(qū)動(dòng)端軸承內(nèi)滾道包覆起來(lái)。由于牽引電機(jī)簧下質(zhì)量偏大，轉(zhuǎn)向架輪對(duì)對(duì)軌道產(chǎn)生沖擊載荷，導(dǎo)致線路維護(hù)費(fèi)用提高。

龐巴迪公司和西門子公司供應(yīng)的電力和內(nèi)燃機(jī)車牽引電機(jī)，在運(yùn)用幾年后，電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，特別是在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)車輪打滑，情況惡劣，牽引電機(jī)都采用鼻式懸掛，龐巴迪公司在調(diào)查轉(zhuǎn)子銅條失效的原因時(shí)，對(duì) WAG9 型機(jī)車進(jìn)行了振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，以測(cè)量牽引電機(jī)承受的最大沖擊。此試驗(yàn)分別采用新、舊大小齒輪，除了測(cè)量沖擊和振動(dòng)外，還進(jìn)行了各種轉(zhuǎn)子性能比較試驗(yàn)。試驗(yàn)記錄了采用新齒輪時(shí)轉(zhuǎn)子的沖擊和振動(dòng)值為30g，但在各速度下，齒輪磨損后，電機(jī)承受沖擊加速度非常高(6～10 倍系數(shù))。由磨損齒輪導(dǎo)致的沖擊和振動(dòng)，記錄加速度值可達(dá)300g 分別采用新、舊齒輪時(shí)，記錄的電機(jī)轉(zhuǎn)子沖擊加速度值。國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034—14 建議測(cè)量車軸部位安裝的設(shè)備垂向振動(dòng)加速度測(cè)量值為30g，但是，各機(jī)車和電動(dòng)車組制造商記錄測(cè)量的振動(dòng)和沖擊數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IEC的推薦值。剝落使得電機(jī)直接暴露于沖擊與振動(dòng)中，導(dǎo)致軸承保持架產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅條破損、電機(jī)軸承固死。這些現(xiàn)象在鼻式懸掛牽引電機(jī)中非常突出，齒輪磨損后，電機(jī)轉(zhuǎn)子的沖擊會(huì)增長(zhǎng)數(shù)倍。

軸懸式牽引電機(jī)布置方式（即軸懸式牽引電機(jī)系統(tǒng)）最根本的不足之處在于，牽引電機(jī)和傳輸系統(tǒng)的大部分質(zhì)量（大約60%）為簧下質(zhì)量。由于簧下質(zhì)量大，對(duì)軌道的作用力大，這種布置方式不適用于速度160 km／h及以上速度級(jí)的機(jī)車車輛。對(duì)于高速和地鐵來(lái)說(shuō)，為了利用高速電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，所有的機(jī)車和動(dòng)車組制造商都采用牽引電機(jī)全懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。在電機(jī)軸和車軸之間采用柔性驅(qū)動(dòng)，以允許轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在一系懸掛變形范圍內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)被稱為軸懸式驅(qū)動(dòng)，因?yàn)閭鲃?dòng)裝置或者說(shuō)由齒輪、柔性聯(lián)軸節(jié)等組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸掛直接懸掛在轉(zhuǎn)向架上。上述形式的懸掛方式又稱為架懸電機(jī)或者全懸掛電機(jī)布置方式，在這種布置方式中，整個(gè)電機(jī)質(zhì)量都由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承擔(dān)，而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量又由一系懸掛承擔(dān)。故這種布置方式降低了對(duì)軌道的沖擊，由于車軸和電機(jī)軸之間采用柔性連接并且電機(jī)質(zhì)量由轉(zhuǎn)向架一系懸掛承擔(dān)，由于軌道不平順和惡劣的運(yùn)用條件車輪空轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的沖擊和振動(dòng)響應(yīng)，要比軸懸式牽引電機(jī)布置方式小得多。對(duì)采用軸懸式驅(qū)動(dòng)的情形，需要對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

在牽引電機(jī)全懸掛的布置方式下，牽引電機(jī)要么掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，要么掛在車體底架上，而不是直接安裝在車軸上。其中，牽引電機(jī)小齒輪與齒輪軸通過(guò)中間齒輪柔性連接，這與軸懸式布置方式相比，可以大大減小牽引電機(jī)對(duì)軌道不平順的敏感程度。在印度鐵路上，一些列車的牽引機(jī)車以130km/h、150km/h的速度運(yùn)行沒(méi)有發(fā)生電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條破損的案例。故電機(jī)懸掛方式是決定轉(zhuǎn)子壽命的一個(gè)重要影響因素，這在世界各地其他鐵路系統(tǒng)中也得到了印證。在過(guò)去的數(shù)十年中，基于此種軸懸式驅(qū)動(dòng)的多種懸掛方式得到了廣泛應(yīng)用，它們擁有毋庸置疑的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也存在其不足之處。

二、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速及其安裝方式

電機(jī)轉(zhuǎn)速與其外形尺寸之間的基本關(guān)系：電機(jī)輸出功率與D2LN成正比。其中：D直徑；L電機(jī)長(zhǎng)度；N轉(zhuǎn)速。對(duì)于給定額定功率的牽引電機(jī)，轉(zhuǎn)速越高，尺寸越小，反之亦然。在給定的額定功率下，小電機(jī)與尺寸較大的電機(jī)相比具有自身優(yōu)勢(shì)，例如由于使用了較少銅導(dǎo)線，其損耗也少，只需較小的懸掛布置空間、較低的簧下質(zhì)量等。由于電機(jī)較小，牽引電機(jī)所采用的軸承尺寸也比較小。通常情況下電機(jī)只能采用客戶定制設(shè)計(jì)的軸承，這要考慮到它們的特殊運(yùn)行環(huán)境。由于軸承較小，相應(yīng)地保持架、滾子和內(nèi)圈尺寸也較小。例如，軸懸式牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min，劇烈的沖擊和振動(dòng)會(huì)傳輸?shù)綘恳姍C(jī)和軸承部件中，軸承中最薄弱的環(huán)節(jié)是保持架，首當(dāng)其沖成為劇烈沖擊和振動(dòng)的犧牲品。高轉(zhuǎn)速的軸承保持架有很多疲勞斷裂的實(shí)例。印度鐵路公司就有轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承失效的例子。曾經(jīng)測(cè)試過(guò)孟買郊區(qū)電動(dòng)車組的牽引電機(jī)所承受的沖擊和振動(dòng)最大加速度為35 g。其電機(jī)轉(zhuǎn)速為3452r/min，裝用磨耗輪時(shí)，運(yùn)行速度為110km/h，投入運(yùn)行6 個(gè)月之內(nèi)，就發(fā)生了一系列的電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承抱死事件。電動(dòng)車組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制造商與軸承制造商一起進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研。軸承失效的原因是由于軸承保持架過(guò)早地產(chǎn)生裂紋以及保持架和滾子的間隙過(guò)大（達(dá)到1.4mm，設(shè)計(jì)值僅為0.7mm）。所采用的軸承型號(hào)為NU2228，保持架無(wú)鉚接。軸承的所有參數(shù)，例如動(dòng)態(tài)載荷、靜態(tài)載荷和極限轉(zhuǎn)速等，均在軸承設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)。軸承制造商已針對(duì)大沖擊和振動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境定制標(biāo)準(zhǔn)軸承，即去掉一個(gè)滾子，強(qiáng)化保持架，但保持架和滾子之間的間隙仍保持1.4mm。軌道不平順產(chǎn)生的沖擊直接傳輸?shù)綘恳姍C(jī)，導(dǎo)致軸承保持架產(chǎn)生裂紋。作為補(bǔ)救措施，軸承制造商將保持架與滾子之間的間隙減少到0.7mm，這樣就進(jìn)一步增強(qiáng)了保持架的強(qiáng)度。有限元分析結(jié)果表明改進(jìn)措施降低了保持架的應(yīng)力水平，但是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò)加速老化試驗(yàn)驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。印度鐵路對(duì)軸承布置所做的改進(jìn)只能靠運(yùn)用實(shí)際來(lái)檢驗(yàn)。另一方面，由于前述懸掛布置方式的原因，在全懸掛布置方式中，傳遞到電機(jī)元件的沖擊和振動(dòng)幾乎可以忽略，軸承及其零件僅承受很小的機(jī)械振動(dòng)。

三、牽引電機(jī)軸承的潤(rùn)滑

軸承制造商通常通過(guò)以下公式來(lái)選擇軸承潤(rùn)滑方式，確定軸承是脂潤(rùn)滑還是油潤(rùn)滑。采用脂潤(rùn)滑，要滿足如下公式:max(Dm·N)≤60×104 式中:Dm 是軸承內(nèi)外半徑的平均值，mm;N 是旋轉(zhuǎn)速度，r/min。軸承內(nèi)徑取決于電機(jī)軸外徑，電機(jī)軸外徑又由其傳輸?shù)墓β屎娃D(zhuǎn)矩決定，功率越高，電機(jī)軸外徑越粗，為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于脂潤(rùn)滑軸承來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速必然降低。油潤(rùn)滑，就是采用齒輪箱油進(jìn)行潤(rùn)滑，在大齒輪的幫助下，潤(rùn)滑油通過(guò)旋轉(zhuǎn)被提升，通過(guò)飛濺方式對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。飛濺的潤(rùn)滑油會(huì)重新流回到齒輪箱。油潤(rùn)滑時(shí)，油位超過(guò)最低水平，油才可以被提升，如果齒輪箱泄漏或損壞導(dǎo)致潤(rùn)滑油不足或者油位低于最低刻度時(shí)，齒輪就不能對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，會(huì)導(dǎo)致軸承抱軸固死。此外，運(yùn)用過(guò)程中，無(wú)論何種原因，如果油位低于最小值，軸承潤(rùn)滑不足，軸承就會(huì)產(chǎn)生損傷。各種材料對(duì)齒輪箱頻繁地造成損傷，導(dǎo)致潤(rùn)滑油耗盡或滲漏發(fā)生，最終電機(jī)軸承抱死。除泄漏外，工作溫度較高時(shí)，齒輪也會(huì)磨損，產(chǎn)生磨損顆粒。這些相當(dāng)于研磨材料的有色金屬顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑油中，當(dāng)與潤(rùn)滑油同時(shí)接觸軸承保持架由黃銅制造時(shí)，會(huì)磨損保持架上的黃銅。雖然齒輪箱上安裝了吸收磨損顆粒的磁性排油堵，但幾乎不起任何作用。研究表明，潤(rùn)滑油中鐵的含量越高、銅的含量也越高，這種現(xiàn)象會(huì)降低軸承壽命。齒輪要正常工作，齒輪箱油黏度指數(shù)要低，也就是在所有運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，齒輪箱潤(rùn)滑油黏度應(yīng)處于合理水平，以避免金屬與金屬接觸。一旦確定驅(qū)動(dòng)端軸承要用齒輪油進(jìn)行潤(rùn)滑，那么高黏度的潤(rùn)滑油是不能用于齒輪箱飛濺潤(rùn)滑的，這是使用油潤(rùn)滑來(lái)潤(rùn)滑電機(jī)軸承時(shí)，需要特別注意的問(wèn)題。

通常高速列車為減少輪軌作用力，采用架懸式牽引電機(jī)最合適;對(duì)于低速的電力機(jī)車，采用鼻式懸掛比較合適;對(duì)于同樣的額定功率，為了獲得較低的重量、較小的尺寸等優(yōu)勢(shì)，采用高轉(zhuǎn)速的牽引電機(jī)時(shí)，需要對(duì)安裝全懸掛電機(jī)的轉(zhuǎn)向架合理設(shè)計(jì)。泄漏和齒輪材料的快速磨損都會(huì)導(dǎo)致齒輪油中鐵元素含量增加，因此，電機(jī)軸承必須使用脂潤(rùn)滑。

通常情況下，客運(yùn)列車運(yùn)行速度高。為了降低軌道作用力，采用全懸掛牽引電機(jī)是合適的。全懸掛電機(jī)軸懸式驅(qū)動(dòng)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速高。由于采用全懸掛牽引電機(jī)，因軌道不平順或者車輪空轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的沖擊力對(duì)電機(jī)部件的影響是最小的。這也是在所有高速運(yùn)用條件下，小尺寸元件電機(jī)仍能取得成功應(yīng)用的原因。除此之外，在電機(jī)和車軸之間采用柔性聯(lián)軸節(jié)也是原因之一。由于轉(zhuǎn)向架留給電機(jī)的空間是非常有限的，所以小尺寸的牽引電機(jī)是很受歡迎的。

軸懸式牽引電機(jī)懸掛方式 下，牽引電機(jī)直接暴露于軌道不平順、車輪空轉(zhuǎn)和齒輪磨耗產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)環(huán)境中，為了獲得滿意的牽引電機(jī)性能，其元件必須可靠，當(dāng)然只有大尺寸的電機(jī)才可能做到這一點(diǎn)。與全懸掛布置方式相比，由于電機(jī)和車軸直接耦合，對(duì)牽引電機(jī)來(lái)說(shuō)有足夠大的空間可用。牽引電機(jī)制造商可以充分利用轉(zhuǎn)向架給電機(jī)預(yù)留空間大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)低轉(zhuǎn)速的牽引電機(jī)，這樣電機(jī)元件尺寸可以比較大，從而提高元件的可靠性。正如上文所述，只有大尺寸、高可靠性的電機(jī)，才能夠承受劇烈的沖擊和振動(dòng)。因此，對(duì)于軸懸式電機(jī)懸掛方式來(lái)說(shuō)，低轉(zhuǎn)速的電機(jī)更為合適?？梢悦黠@看出，對(duì)于額定功率相同的電機(jī)而言，為了獲得諸如質(zhì)量輕、尺寸小等優(yōu)勢(shì)，采用高轉(zhuǎn)速牽引電機(jī)時(shí)，需要對(duì)安裝軸懸式驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在印度鐵路界機(jī)車外，其他所有機(jī)車、電動(dòng)車組等全部采用軸懸式牽引電機(jī)懸掛方式。為了充分利用既有列車的殘余壽命，一度想對(duì)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向架采用交流牽引電機(jī)進(jìn)行改造。在目前所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架上采用軸懸式驅(qū)動(dòng)布置方式是不可能的，故唯一的選擇仍是軸懸式牽引電機(jī)布置方式。采用軸懸式牽引電機(jī)布置方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速低3000r/min，對(duì)印度鐵路系統(tǒng)苛刻的運(yùn)行條件來(lái)說(shuō)是最合適的選擇。由于泄漏和齒輪材料的快速磨損，導(dǎo)致齒輪油中鐵元素含量增加，故一般推薦使用脂潤(rùn)滑軸承。除了一兩家制造商外，其余制造商都對(duì)齒輪箱和驅(qū)動(dòng)端軸承單獨(dú)潤(rùn)滑，這就給設(shè)計(jì)師選擇齒輪箱潤(rùn)滑油提供了便利，便于做出最適合特定運(yùn)行狀況的選擇。