八軸內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)型式研究

江利國，彭 涌

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.株洲華云智仿信息科技有限公司，湖南 株洲 412007）

引言

研發(fā)能牽引5 000 t 級重載列車的大功率八軸內(nèi)燃機車，是原鐵道部“八五”科技發(fā)展計劃項目之一。2008 年鐵道部歸納主要解決兩個運輸問題，一是高速，二是重載。由于受人力、物力、財力、精力的限制，重載問題當(dāng)務(wù)之急主要是解決京滬、京廣、京哈、大秦、京秦、豐沙大、神朔石等主要干線的貨物運輸問題，但我國有1/3 的山區(qū)鐵路，這些鐵路都是依地形而建，起伏坡度大、曲線半徑小，又暫時無條件改造成電氣化鐵路。有些山區(qū)線路仍使用陳舊的C0-C0軸列式的東風(fēng)4 型機車來牽引列車，不僅無法滿足不斷增長的運量需要，而且在曲線上運行的輪、軌磨耗嚴(yán)重的問題長期得不到解決[1-2]。目前急需對內(nèi)燃機車更新?lián)Q代，需要曲線通過性能更好、功率更大、黏著質(zhì)量也更大的新型八軸內(nèi)燃機車來牽引，經(jīng)過多方案對比分析認(rèn)為采用B0-B0＋B0-B0軸列式就是一種較好的方案。

即使采用單節(jié)六軸交流傳動內(nèi)燃機車柴油機功率達(dá)到2 427 kW（3 300 馬力）或以上，在長大坡道上也不能牽引更重的貨物列車，會出現(xiàn)一臺內(nèi)燃機車牽引力不夠、兩臺內(nèi)燃機車牽引力過剩的清況。雙節(jié)機車重聯(lián)雖然可以大幅提升在長大坡道上的牽引力，但用戶需采購更多機車、消耗更多燃油，增加了機車的購置成本和維護(hù)成本。

初期采購成本會直接影響用戶的采購意愿，尤其對地方鐵路更是如此。其次，機車的維護(hù)成本及技術(shù)要求也影響用戶對車型的選擇?，F(xiàn)將預(yù)研的單節(jié)八軸機車與大量使用的六軸內(nèi)燃機車3 種車型的采購成本列舉如下：雙節(jié)六軸直流傳動內(nèi)燃機車約1 700 萬元、單節(jié)六軸交流傳動內(nèi)燃機車約1 500 萬元、單節(jié)八軸直流傳動機車約950 萬元。機車檢修技術(shù)難度為交流傳動內(nèi)燃機車的主傳動系統(tǒng)對檢修水平要求高，普通機務(wù)段不能檢修，且電氣零部件不能與現(xiàn)有成熟車型互換[3]。

在這樣的背景條件下，本文介紹一些國外應(yīng)用比較成功的單節(jié)八軸機車幾種典型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和性能，并對我國國產(chǎn)化的單節(jié)八軸內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式作了分析研究。

1 國外單節(jié)八軸機車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式

貨運采用八軸機車牽引的國家有前蘇聯(lián)、捷克和斯洛伐克、美國、法國、俄羅斯。所有這些八軸機車轉(zhuǎn)向架歸納起來也只有三種結(jié)構(gòu)型式，分別介紹如下：

1.1 D0-D0 軸列式

只有美國采用這種軸列式的單節(jié)八軸內(nèi)燃機車。單節(jié)八軸內(nèi)燃機車由GM 公司生產(chǎn)，有DD35 和DD40-X 兩種型號，其裝車功率分別為3 675 kW、4 850 kW。美國轉(zhuǎn)向架軸列式DD 就相當(dāng)于我國D0-D0軸列式，每個輪對都由一個電機單獨驅(qū)動。DD35 機車的四軸轉(zhuǎn)向架，四根軸都安放在一個鑄鋼構(gòu)架中，電動機為軸懸式，采用順置式排列，且朝向機車中央，以車體橫向中心線呈斜對稱布置。二系懸掛設(shè)在兩個側(cè)梁的中部，每個二系懸掛都由三個圓彈簧組成，圓彈簧的橫向彈性可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架相對于車體的橫向位移，并起復(fù)原裝置的作用。一系懸掛每軸箱采用兩組圓彈簧，軸箱上無均衡梁。這種形式的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單，僅僅是在普通的C0轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上增加一根動軸，但缺點是其固定軸距較大，如DD35、DD40-X 機車軸距分別為5 200 mm、5 219 mm，這使機車通過曲線產(chǎn)生困難，尤其增加了輪軌磨耗[4-5]，也與研發(fā)八軸機車的運用條件和目的不一致。

C0-C0機車比B0-B0-B0機車曲線性能要差很多，主要體現(xiàn)在C0-C0機車輪軌作用力大，尤其是輪緣磨耗要增加25%左右；曲線半徑越小，輪緣磨耗還會增加更多，因此，山區(qū)鐵路采用B0-B0-B0機車比較合適。以此推斷，轉(zhuǎn)向架采用D0-D0軸列式，上述兩方面性能指標(biāo)會比C0-C0機車更差，山區(qū)鐵路采用八軸機車的優(yōu)勢將坦然無存。更重要的是軸距增加會直接導(dǎo)致車體前后兩車鉤中心距加長，如DD35、DD40-X 機車前后兩車鉤中心距分別為26 797 mm、30 143 mm，顯而易見已超過GB 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機車車輛限界》所規(guī)定的我國機車長度限制標(biāo)準(zhǔn)，影響行車安全，即使研制出來也不允許上線運行。正因為如此，D0-D0軸列式的機車美國后來再也沒有生產(chǎn)過。

1.2 B0-B0-B0-B0 軸列式

B0-B0-B0-B0（為書寫方便，簡記為“4B0”，下同）軸列式機車其想法起源于B0-B0-B0（簡記為“3B0”）機車，中間轉(zhuǎn)向架相對車體在橫向比較自由，而縱向和垂向受到較強的限制以傳遞牽引力（或制動力）和車體質(zhì)量。如前所述，這種3B0軸列式機車的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在通過曲線時性能優(yōu)異，尤其適合于在山區(qū)小半徑曲線線路上運用，但也有兩個明顯的缺點，一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，增加了維護(hù)成本；同時中間轉(zhuǎn)向架與兩端轉(zhuǎn)向架不能互換，也直接增加了制造和維保成本。二是車體對中間轉(zhuǎn)向架的橫向運動約束很弱，中間轉(zhuǎn)向架幾乎不能承擔(dān)通過曲線時車體的未平衡離心力（或向心力），它只承擔(dān)轉(zhuǎn)向架本身的未平衡離心力（或向心力）。采用這種3B0軸列式的機車有我國SS7 系列電力機車、從日本進(jìn)口的6K 電力機車、瑞士的Re6/6 電力機車以及我國出口緬甸的CKD7 內(nèi)燃機車等。此外，意大利、南斯拉夫、美國、法國、瑞典、英國和前蘇聯(lián)等均制造了3B0機車，目前世界上投入使用的3B0機車有3 000 臺左右。

機車若采用4B0軸列式，可以預(yù)測該機車通過曲線時轉(zhuǎn)向架軸距短、轉(zhuǎn)向容易，輪對沖角小，但由于中間兩個轉(zhuǎn)向架都幾乎不能承擔(dān)車體的未平衡離心力（或向心力），導(dǎo)致車體未平衡力將幾乎全部由兩個端轉(zhuǎn)向架承擔(dān)，會導(dǎo)致兩個端轉(zhuǎn)向架橫向輪軌力增加，因而仍然不能很好地解決曲線上輪、軌磨耗問題。同時，對于內(nèi)燃機車而言，也會使油箱布置困難，車體也得加長。正因為如此，目前世界上還沒有哪個國家的鐵路真正采用4B0軸列式機車。

1.3 B0-B0＋B0-B0 軸列式

正因為單節(jié)八軸機車采用上述兩種轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式均不太理想，若將這兩種結(jié)構(gòu)形式綜合考慮就產(chǎn)生了B0-B0＋B0-B0軸列式機車方案。即先由兩個二軸轉(zhuǎn)向架聯(lián)接而成一個四軸轉(zhuǎn)向架，而車體通過三系懸掛位于兩個四軸轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，這樣既能保證機車具有良好的曲線通過性能和較好的運行平穩(wěn)性，又能借鑒國外許多單節(jié)八軸機車的運用情況和實踐經(jīng)驗，如前蘇聯(lián)的T3M7[6]、T3 136、2Т3126、Т3Π80、T3PA1機車，美國的U50B、世紀(jì)855 機車，法國的BBBB3600、AD64-4B、B0B0B0B06300 機車以及捷克生產(chǎn)的Ч3М25 機車等。根據(jù)目前所檢索的資料來看，這類機車運用情況良好。

值得注意的是，1997 年2 月，俄羅斯科洛姆納工廠生產(chǎn)了該國首臺三相交流傳動同步電機牽引的高速干線電力機車。機車型號命名為З200，采用B0B0-B0B0軸列式，最高運行速度達(dá)到250 km/h，單節(jié)機車功率為8 000 kW，軸重21.5t，兩車鉤中心距長度為25 m。這種軸列式的機車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與普通意義上的B0B0-B0B0軸列式及D0-D0軸列式轉(zhuǎn)向架都不完全相同，基本上介于這兩者之間，是一種新型軸列式轉(zhuǎn)向架，按照教科書[7]中轉(zhuǎn)向架軸列式的分類方法，還沒有合適的型號。這種軸列式機車曲線通過性能比B0-B0軸列式略差，但高速穩(wěn)定性及舒適性都很好，因此，非常適合于高速列車的牽引，換言之，適合于牽引高速客運或貨運列車，而國產(chǎn)化方案目前要著重考慮解決曲線上輪、軌磨耗大的問題，而不是高速運輸問題，尤其現(xiàn)在我國高速動車組技術(shù)、制造、維保及運用經(jīng)驗都達(dá)到世界先進(jìn)水平，一般的高速運輸問題都已解決，因此，本文對這種結(jié)構(gòu)型式的機車不作具體介紹。

2 國產(chǎn)化單節(jié)八軸內(nèi)燃機車的結(jié)構(gòu)型式

目前我國鐵路既沒有進(jìn)口，也沒有生產(chǎn)單節(jié)八軸機車。要解決重載貨運列車的牽引和小半徑曲線上運行時輪、軌磨耗嚴(yán)重的問題，必須加快八軸機車國產(chǎn)化的研究和試制。如前所述機車采用B0-B0＋B0-B0軸列式比較適宜。但與傳統(tǒng)四軸、六軸機車結(jié)構(gòu)有所不同，即在轉(zhuǎn)向架與車體之間多了一個部件——過渡構(gòu)架，因此，為了使過渡構(gòu)架也成為機車有機整體的一部分，機車采用三系懸掛。每臺機車有2 個四軸轉(zhuǎn)向架單元，每個四軸轉(zhuǎn)向架單元又主要由2 個二軸的B0 轉(zhuǎn)向架、1 個過渡構(gòu)架、1 組牽引裝置和三系懸掛系統(tǒng)構(gòu)成。

車體通過三系懸掛裝置落在過渡構(gòu)架上，三系懸掛裝置由圓彈簧和垂向減振器、橫向減振器組成，過渡構(gòu)架通過二系懸掛裝置落在兩個構(gòu)架上，將兩個構(gòu)架組成一個單元。二系懸掛裝置為橡膠堆。每構(gòu)架通過一系懸掛裝置和轉(zhuǎn)臂式軸箱體連接，一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器和轉(zhuǎn)臂橡膠關(guān)節(jié)組成。轉(zhuǎn)臂式軸箱體通過滾動軸承與車軸連接。牽引電機一端通過抱軸箱抱在車軸上，另一端通過橡膠塊與構(gòu)架相連。在二系懸掛中設(shè)有橫向止擋，三系懸掛中設(shè)有搖頭止擋和橫向止擋。牽引裝置通過車體牽引座、轉(zhuǎn)向架牽引座，直接將轉(zhuǎn)向架與車體連接起來，傳遞縱向牽引力和制動力，因此，機車牽引力和制動力的傳遞與過渡構(gòu)架無關(guān)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 B0-B0＋B0-B0 八軸機車結(jié)構(gòu)簡圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真計算和分析，著重進(jìn)行了機車曲線通過時的性能分析，計算模型見圖2，計算結(jié)果見表1。表1 中導(dǎo)向力和橫向力為負(fù)，說明力的方向指向鋼軌外軌。由表1 可知：B0-B0＋B0-B0軸列式機車確實具有良好的動力學(xué)性能，尤其具有優(yōu)良的曲線通過性能。

表1 機車以70 km/h 通過300 m 半徑圓曲線時第一輪對的動力學(xué)指標(biāo)（均值）

圖2 單節(jié)八軸機車的計算模型

計算時曲線設(shè)置情況為：30 m 直線-120 m 緩和曲線-200 m 圓曲線-120 m 緩和曲線-30 m 直線組成的一段完整的曲線，曲線半徑是300 m，線路無軌距加寬。機車曲線通過時按美國5 級線路不平順的軌道譜施加激擾，與平穩(wěn)性計算中考慮的軌道不平順一樣，它包括左、右軌的橫向不平順和垂向不平順，并同時考慮了不平順的位移、速度和加速度激擾。當(dāng)機車通過速度為70 km/h 時，外軌超高分別取60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 進(jìn)行計算。

3 在方案設(shè)計過程中存在的問題和困難

雖然對單節(jié)八軸機車結(jié)構(gòu)原理的理解已經(jīng)很深入了，但使八軸機車真正要滿足我國GB 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機車車輛限界》的限界要求卻很難，難點在于：

1）機車長度限界。要發(fā)揮八軸貨運機車的牽引能力，牽引電機功率要大，才能滿足牽引5 000 t 列車的要求。采用直流牽引電機雖然功率大，但質(zhì)量大、尺寸也大，使得轉(zhuǎn)向架的長度增加，車體長度也隨之加長。

2）機車高度限界?，F(xiàn)有設(shè)計方案二軸轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架與中間過渡構(gòu)架在垂向即使錯開布置，以盡量降低車體的總高度，在保證兩種構(gòu)架和車體強度及剛度的情況下，車體的總高度也滿足不了我國現(xiàn)有的高度限界。

3）機車寬度限界。若將二軸構(gòu)架與中間過渡構(gòu)架在同一個水平內(nèi)錯開布置，寬度限界要求會給這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案帶來很大困難。因為兩種構(gòu)架既要滿足各自的強度要求，又要滿足各種運動關(guān)系的要求，尤其通過的曲線半徑越小，此關(guān)系要求更高。

4）牽引機構(gòu)限界。單節(jié)八軸機車的牽引機構(gòu)既要使機車的黏著質(zhì)量利用率高，充分發(fā)揮機車大功率的作用，以滿足牽引重載列車的要求，又要結(jié)構(gòu)簡單、可靠，還要滿足轉(zhuǎn)向架與車體之間的各種運動關(guān)系的要求，更要兼顧車體限界要求，難度非常之大。

4 單節(jié)八軸內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架的發(fā)展趨勢

隨著重載鐵路運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，要求對機車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，以增強機車的牽引動力和確保運車安全。轉(zhuǎn)向架要逐步實現(xiàn)軸重大、自重輕、動作用力低的技術(shù)進(jìn)步，采用自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架或?qū)虮凼睫D(zhuǎn)向架，可緩沖輪軌之間的橫向作用力，減少摩擦程度。另外，將計算機信息技術(shù)應(yīng)用到機車制動系統(tǒng)中，在機車制動過程中發(fā)揮較大的智能控制作用，實現(xiàn)制動方式的重大飛躍。

為滿足我國繁忙干線開展重載運輸、山區(qū)鐵路提高運能以及抗災(zāi)、救災(zāi)的需要，應(yīng)盡速研制大功率的B0-B0＋B0-B0軸列式單節(jié)八軸內(nèi)燃機車，同時也會填補我國內(nèi)燃機車型譜中的空白。由于八軸機車本質(zhì)上是采用了兩軸轉(zhuǎn)向架，可大大降低輪軌磨損及鋼軌更換頻率，提高列車運行的安全度，同時減小車輪和鋼軌的維修工作量及維保成本。

現(xiàn)有牽引方案雖然達(dá)到了同類機車的世界先進(jìn)水平，但機車黏著質(zhì)量利用率還是稍低，啟動工況最低利用率僅為87.80%，比DF4 系列機車還略低，比較理想的情形是黏著質(zhì)量利用率要能達(dá)到90%以上。