姚 銀 馬呈祥 張志和 李 華
中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心,山西 大同 037038
近年來,我國鐵路隨著交流傳動(dòng)機(jī)車技術(shù)不斷成熟和推廣,以 “客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載”為主題的鐵路機(jī)車技術(shù)也得到了快速發(fā)展。如今客運(yùn)高速機(jī)車主要以軸重小、輕量化為方向,而貨運(yùn)重載機(jī)車主要以軸重大、牽引力大為方向。與此同時(shí),客運(yùn)、貨運(yùn)和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用也得到了巨大的發(fā)展[1]。
轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)車傳遞牽引電機(jī)扭矩至輪軸的核心部件,對機(jī)車牽引力的發(fā)揮起至關(guān)重要的作用。鑒于機(jī)車軸重、速度等級、單軸功率及扭矩的不同,機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)須采用不同的結(jié)構(gòu)形式。為確保機(jī)車牽引力的發(fā)揮,對于轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。
本文對和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件,必須采用成熟可靠的結(jié)構(gòu),以保證系統(tǒng)的可靠性,這關(guān)系到轉(zhuǎn)向架乃至整個(gè)機(jī)車的運(yùn)行安全,因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案論證與選擇是至關(guān)重要的。近年來通過技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)合作和自主化研制,我國和諧機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)在消化、吸收、再創(chuàng)新上已步入了較高臺階[2]。
目前和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有3 種典型結(jié)構(gòu),其中牽引電機(jī)懸掛方式有2 種。通過對比分析,按已裝車型、軸式及最大運(yùn)行速度進(jìn)行了歸類總結(jié),如表1 所示。
表1 和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)
和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)齒輪支承方式按照支承主動(dòng)齒輪支承布置位置的不同,可劃分為三類:主動(dòng)齒輪外端支承、主動(dòng)齒輪懸臂支承和主動(dòng)齒輪兩端支承,結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3 所示。
圖1 主動(dòng)齒輪外端支承
圖2 主動(dòng)齒輪懸臂支承
圖3 主動(dòng)齒輪兩端支承
圖1 所示主動(dòng)齒輪外端支承結(jié)構(gòu),主動(dòng)齒輪通過錐孔注油壓裝在牽引電機(jī)軸上的兩個(gè)軸承之間,主動(dòng)齒輪位于牽引電機(jī)的輸出端軸承內(nèi)側(cè)。這種結(jié)構(gòu)以一種簡單的布置方式實(shí)現(xiàn)了小齒輪軸的非懸臂結(jié)構(gòu),改善了主動(dòng)齒輪及電機(jī)輸出端軸承的工作條件和齒輪的嚙合,可在一定程度上提高齒輪的使用壽命;另外采用此結(jié)構(gòu)時(shí),齒輪箱為非承載式,改善了齒輪箱受力狀況,提高了齒輪箱的使用壽命。
圖2 所示主動(dòng)齒輪懸臂支承結(jié)構(gòu),目前已成熟應(yīng)用有兩種典型結(jié)構(gòu),一種是主動(dòng)齒輪軸外錐與牽引電機(jī)軸內(nèi)錐過盈配合(主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅰ,如圖4A),另一種是主動(dòng)齒輪內(nèi)錐與牽引電機(jī)軸外錐過盈配合(主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅱ,如圖4B),傳動(dòng)端軸承都布置主動(dòng)齒輪內(nèi)側(cè)。另外,該兩種結(jié)構(gòu)已成熟應(yīng)用的車型見表3。這兩種結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)為傳動(dòng)端軸承都布置在主動(dòng)齒輪內(nèi)側(cè),且軸承外圈由牽引電機(jī)端蓋支撐,齒輪箱為非承載式,改善了齒輪箱受力狀況和提高了其使用壽命;不同點(diǎn)為主動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)及主動(dòng)齒輪與牽引電機(jī)軸配合方式有明顯差異,如圖4 所示。采用主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅰ時(shí)受結(jié)構(gòu)的限制使得齒輪嚙合狀態(tài)在一定程度上不太好外,但有利于主動(dòng)齒輪參數(shù)設(shè)計(jì),彎曲和接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可以做得相對較大。另外,該結(jié)構(gòu)主動(dòng)齒輪軸與牽引電機(jī)軸連接位置處的強(qiáng)度是薄弱點(diǎn),需重點(diǎn)關(guān)注,且傳動(dòng)端軸承的安裝尺寸設(shè)計(jì)、游隙設(shè)計(jì)、組裝等的要求較高,需要較高的制造精度和豐富的成熟經(jīng)驗(yàn);采用主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅱ時(shí)主動(dòng)齒輪沿齒寬方向應(yīng)力變化較大,齒輪嚙合狀態(tài)不太好,齒面接觸和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度可靠度不高,導(dǎo)致主動(dòng)齒輪使用壽命相比有一定程度的降低,所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)優(yōu)化處理。
圖3 所示主動(dòng)齒輪兩端支承結(jié)構(gòu),主動(dòng)齒輪兩端通過兩個(gè)圓柱滾子軸承布置在齒輪箱內(nèi),電機(jī)軸通過柔性聯(lián)軸器與主動(dòng)齒輪連接。聯(lián)軸器一般采用電子束焊接整體式和薄板式聯(lián)軸器。這種結(jié)構(gòu)可有效提高傳動(dòng)端軸承的承載能力;改善了牽引齒輪的嚙合,延長了牽引齒輪的使用壽命。齒輪箱為承載式,與牽引殼體剛性連接,成“一體化”結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜,制造精度和組裝要求高[3-4]。
和諧型機(jī)車根據(jù)軸重、速度等級、單軸功率和牽引電機(jī)扭矩的不同,轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)選用了不同的主動(dòng)齒輪支承方式,如表2 所示。
表2 主動(dòng)齒輪支承方式
圖4A 主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅰ
圖4B 主動(dòng)齒輪懸臂支承Ⅱ
隨著貨運(yùn)機(jī)車牽引力及機(jī)車車輛軸重的提高,目前我國貨運(yùn)機(jī)車在完全掌握并成功應(yīng)用重載25 t 軸重機(jī)車的基礎(chǔ)上,又成功研制了30 t 軸重機(jī)車。與此同時(shí),我國客運(yùn)機(jī)車在最高速度160 km/h、軸重21 t 機(jī)車的基礎(chǔ)上,正在研制最高速度200 km/h 、軸重18/19.5 t 機(jī)車,具有牽引力大、輕量化、節(jié)能、高效等特點(diǎn)。為此,對轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)[5]。
目前通過技術(shù)引進(jìn)及自主化研制的和諧型機(jī)車典型的轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5A、圖5B、圖6A、圖6B 所示。
圖5A 滾動(dòng)抱軸承式半懸掛(Ⅰ)
圖5B 滾動(dòng)抱軸承式半懸掛(Ⅱ)
圖6A 架懸式(Ⅰ)
圖6B 架懸式(Ⅱ)
滾動(dòng)抱軸承式半懸掛結(jié)構(gòu)是牽引電機(jī)一端通過滾動(dòng)抱軸承箱裝配支撐在車軸上,另一端通過一根帶橡膠墊的吊桿彈性懸掛在構(gòu)架橫梁上。由于該結(jié)構(gòu)從動(dòng)齒輪的全部重量和牽引電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪箱、抱軸箱等組件的部分重量均為死重量。機(jī)車速度越高,軌道所受動(dòng)載荷的反作用力對牽引齒輪等驅(qū)動(dòng)部件的沖擊和振動(dòng)也明顯加劇,所以當(dāng)機(jī)車最大運(yùn)行速度在120 km/h以下時(shí),通常選用此懸掛方式。
4.1.1 滾動(dòng)抱軸承式半懸掛(Ⅰ)
該結(jié)構(gòu)牽引電機(jī)采用抱軸式半架懸方式,抱軸承箱兩端通過兩個(gè)滾動(dòng)軸承與車軸連接;牽引電機(jī)一端通過抱軸承箱懸掛在車軸上,另一端通過帶橡膠彈性元件的吊桿彈性地懸掛在構(gòu)架上;從動(dòng)齒輪壓裝在車軸上;主動(dòng)齒輪支承方式如圖1、圖2、圖3 所示[6-8]。該結(jié)構(gòu)已在我國120 km/h 機(jī)車上成熟應(yīng)用,本文不再詳細(xì)敘述。
該結(jié)構(gòu)應(yīng)用車型:(1)如圖1、圖5A 所示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),已成熟應(yīng)用于HXD2(HXD2_1000)、HXD2B、HXD2C 型機(jī)車;(2)如圖2、圖5A 所示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),已成熟應(yīng)用于HXD1、HXD1C、HXD3、HXD3C 型機(jī)車;(3)如圖3、圖5A 所示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),已成熟應(yīng)用于HXD2F、HXD3A、HXD3B 型機(jī)車。
4.1.2 滾動(dòng)抱軸承式半懸掛(Ⅱ)
該結(jié)構(gòu)牽引電機(jī)懸掛方式同滾動(dòng)抱軸承式半懸掛(Ⅰ)相比,僅是與車軸連接軸承布置點(diǎn)的位置不同。其中非齒側(cè)軸承靠分體單抱軸箱與車軸連接,齒側(cè)軸承靠齒輪箱領(lǐng)圈與車軸連接,如圖5B 所示。該結(jié)構(gòu)已在我國最高運(yùn)營速度為120 km/h 機(jī)車上成熟應(yīng)用,本文也不再詳細(xì)敘述。
該結(jié)構(gòu)應(yīng)用車型:如圖3、圖5B 所示,已成熟應(yīng)用于HXD1B、HXD1F 型機(jī)車。
架懸式結(jié)構(gòu)是牽引電機(jī)的兩端通過帶橡膠關(guān)節(jié)組件吊掛在構(gòu)架橫梁上,以適應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件與輪對之間各向的相對運(yùn)動(dòng)。目前已成熟應(yīng)用的主要有六連桿空心軸結(jié)構(gòu)和新型車軸齒輪箱+主動(dòng)齒輪空心軸+撓性板聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)牽引電機(jī)及部分組件重量屬于簧上重量,可有效減小輪軌作用力,所以當(dāng)機(jī)車最大運(yùn)行速度為大于120 km/h 時(shí),通常選用此懸掛方式[9]。
4.2.1 架懸式(Ⅰ)
該結(jié)構(gòu)牽引電機(jī)一端通過帶橡膠關(guān)節(jié)的2 根吊桿彈性地吊掛在構(gòu)架上,另一端通過帶橡膠關(guān)節(jié)的懸掛臂安裝在構(gòu)架上。牽引齒輪的扭矩傳遞采用六連桿空心軸結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)已在我國最高運(yùn)營速度為160 km/h 客運(yùn)機(jī)車上成熟應(yīng)用,本文不再詳細(xì)敘述。
該結(jié)構(gòu)應(yīng)用車型:(1)如圖1、圖6A 所示,已成熟應(yīng)用于HXD2D 型機(jī)車;(2)如圖2、圖6A 所示,已成熟應(yīng)用于HXD1D、HXD1G 型機(jī)車;(3)如圖3、圖6A 所示,已應(yīng)用于HXD3D、HXD3G 型機(jī)車。
4.2.2 架懸式(Ⅱ)
該結(jié)構(gòu)為新型車軸齒輪箱+主動(dòng)齒輪空心軸+撓性板聯(lián)軸器結(jié)構(gòu),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪對空心軸六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可以大幅度降低傳動(dòng)系統(tǒng)的重量,滿足小軸重機(jī)車輕量化轉(zhuǎn)向架的需求。牽引電機(jī)一側(cè)通過懸掛座與構(gòu)架橫梁連接,另一側(cè)通過懸掛臂與構(gòu)架端梁連接。傳動(dòng)齒輪箱采用半架懸方式,即一端通過齒輪箱軸承支撐在車軸上,另一端通過帶橡膠關(guān)節(jié)的吊桿彈性地懸掛于構(gòu)架上。
撓性板聯(lián)軸器由連接軸和左右連接法蘭及膜片組成,其中一個(gè)法蘭與電機(jī)軸連接,另一個(gè)法蘭與主動(dòng)齒輪連接,主動(dòng)齒輪為空心結(jié)構(gòu),連接軸貫穿主動(dòng)齒輪空心軸。其特點(diǎn)主要有:傳遞轉(zhuǎn)矩大、補(bǔ)償能力高、結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性高、機(jī)械接口裝拆方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。如圖7 所示。
圖7 新型車軸齒輪箱+主動(dòng)齒輪空心軸+撓性板聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖
該結(jié)構(gòu)應(yīng)用車型:如圖3、圖6B 所示,已應(yīng)用于HXD2G 型機(jī)車。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)車轉(zhuǎn)向架的核心部件,它將直接影響轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及性能,也是機(jī)車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)時(shí)考慮其選型與初步強(qiáng)度校核分析的首要工作。本文主要從牽引電機(jī)懸掛方式、主動(dòng)齒輪支承方式方面對現(xiàn)有和諧型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸類總結(jié)、對比分析及目前應(yīng)用裝車車型所采用的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的列舉與說明,希望對從事機(jī)車轉(zhuǎn)向架研究人員有一定的參考和引導(dǎo)作用,從而結(jié)合現(xiàn)有機(jī)車運(yùn)營情況及中國國情,研制具有自主特色、安全、高效、可靠的機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。