32 t大轴重交流传动机车转向架方案探讨

王坤全

(中国南车集团 资阳机车有限公司,四川资阳641300)

我国在大秦铁路先后开行了2万t运煤列车[1],运输效率显著,因此,加快对于重载机车的研究,特别是对于转向架的研究应该是主要研究方向之一。

1 大轴重交流传动机车转向架结构方案

大轴重交流传动机车转向架在车体和转向架之间仍然采用二系弹性悬挂装置,二系悬挂装置布置4组橡胶堆加左右两个横向减振器。考虑到机车的长交路运行在内燃机车方案中设置了一个16 000 dm3的油箱,导致了较长的机车牵引中心距。构架采用目字形箱型焊接结构。构架和轮对之间由金属螺旋弹簧、轴箱拉杆和垂向减振器(端轴)组成。在轴箱定位方式上,分别采用了单拉杆加圆锥滚子轴承(φ 177.787×301.701)和双拉杆加圆柱滚子轴承(φ 180×320)的定位结构。在牵引方式上,一是采用美洲铁路习惯采用的八字形弹性拉杆加中心销牵引方式,二是采用低位单拉杆牵引的方式。牵引电动机与轮对通过抱轴承连接,另一端通过一根弹性吊杆悬挂在构架上,形成弹性半悬挂结构。

由于巴西铁路公司曾经向南车资阳有限公司表达过购买大轴重机车的意向,因此,在转向架的结构方案中,轨距主要是以巴西铁路1 600 mm宽轨兼顾我国标准轨距而进行的。以下是转向架结构方案的技术参数:

图1、图2显示的是两个不同牵引方式的结构方案图。

图1 八字形弹性拉杆加中心销牵引方式

图2 低位单拉杆牵引方式

2 动力学性能分析

计算模型共23个刚体,总计75个自由度。采用AAR-RP-633 MSRP G-Ⅱ76 2004标准机车踏面与UIC 60 kg/m钢轨匹配的轮轨接触几何关系,线路条件:轨道不平顺采用按较差功率谱转换的时域随机不平顺线路(考虑了巴西矿山铁路的线路条件和运行现状)。用数值积分方法求解,考虑了轮轨接触几何和蠕滑关系的非线性、轮对自由横动量和轴箱横向止挡的非线性、二系横向弹性和刚性止挡的非线性以及各减振器的非线性特性。评定标准为TB/T 2360—93;UIC 518;GB 5599—85。计算得出以下结论。

2.1 机车的整车动力学性能

(1)理论上,机车新轮的准线性临界速度大于200 km/h,非线性临界速度为180 km/h,满足稳定性要求。当车轮踏面磨耗以后,准线性临界速度降低,可以满足常用速度60 km/h的要求。

(2)机车的横向平稳性要视线路的情况而定,机车具有优良的横向平稳性。在计算的中等、中差和差线路(相当于美国客运速度 128～48 km/h的 AAR4到AAR2之间的不平顺)上,运行速度在80 km/h以下,横向平稳性指标和加速度均是优良。轮轴横向力都远远小于规定的极限值。

(3)机车的垂向平稳性要视线路的实际情况而定,在计算的中等、中差和差线路上,运行速度在70 km/h以下,垂向平稳性指标和加速度均是优良,垂向力都小于规定的极限值。

(4)机车可以安全通过100 m曲线半径,但是当曲线半径小于100 m以后,各项指标迅速增大。

2.2 一系轴箱单拉杆和双拉杆方案比较

(1)两种轴箱拉杆方案32 t轴重机车的准线性临界速度都大于200 km/h。理论上单拉杆方案机车的非线性临界速度为180 km/h,双拉杆方案为160 km/h,都可以满足机车最大运用速度100 km/h的要求。

(2)双拉杆方案直线运行横向平稳性指标和加速度略优于单拉杆方案,尤其在运行速度超过60 km/h以上;但是轮轴横向力略大于单拉杆方案。

(3)理论上单拉杆方案机车可以通过的最小曲线半径为121 m,双拉杆方案可以通过的最小曲线半径为129 m。降低二系橡胶堆纵、横向刚度,或者减小内、外橡胶堆纵向间距都可以有效地改善机车最小曲线半径通过性能。

(4)单拉杆方案在小半径曲线通过时,性能略优于双拉杆方案;双拉杆方案在曲线通过速度提高时和曲线半径增大时,又比单拉杆方案略具有优势。

(5)单轴箱拉杆与双轴箱拉杆方案对机车的轴重转移没有影响。

2.3 单牵引杆和中心销牵引方案比较

(1)单牵引杆可以实现最佳黏着利用率94.12%,但是采用中心销牵引方式,机车的黏着利用率也达到92%以上。

(2)两种牵引方案机车直线和曲线通过动力学性能差别甚微[2]。

3 构架结构强度分析

构架采用ANSYS软件,对大轴重2C0机车转向架构架的静强度和疲劳强度进行了分析计算。由于构架承受的载荷在机车运行过程中不断变化,计算参照UIC 615-4标准选取各工况,构架的板材采用Q345-E既可保证有良好的焊接性能,又具有较高的屈服强度,并具有-40℃良好的抗低温冲击性能。侧梁和横梁的上下盖板分别采用20 mm和25 mm的板厚,立板采用16 mm的板厚,在各受力部位均加有补强板。侧梁高度为340 mm,宽度为220 mm。经过分析计算,大轴重2C0机车转向架构架的静强度满足设计要求,对局部进行优化后,疲劳强度也满足设计要求。见图3、图4。

图3 构架顶面部分样点的G OODMAN图

图4 构架底面部分样点的GOODMAN图

4 轮对结构强度和轮轨接触应力

轮对由车轴、从动齿轮、整体车轮组成。车轴在机车运行中承受较大的交变复杂载荷,对车轴的要求非常高。车轴的材料初步选定为代号 HJZ3,牌号为35CrMoA合金钢锻制而成,车轴的抗拉强度可以达到≥680 MPa,抗拉强度比JZ45车轴钢提高9.7%。车轴结构尺寸:轴径分别为177.787 mm或180 mm(两种结构的轴承)、轮座直径确定为252 mm、齿轮座直径为258 mm、抱轴径非驱动端直径为255.6 mm、驱动端直径为257.175 mm。经过计算车轴满足轴重32 t的静载荷和动载荷以及交变载荷强度的需要。车轴最大等效应力位置位于轮座与齿轮座之间的沟槽位置,其次是齿轮座与抱轴箱轴承座之间沟槽位置。轮座与齿轮座之间的沟槽处的最大等效应力为113.2 MPa,小于最大许用应力,满足设计要求。

由于车轴材料的冶炼和车轴的热处理以及装配工艺的差异,国内同等轴重机车的轮座直径都大于美国和日本等国家的机车。美国EMD192 t机车,轴径177.778 mm,轮座直径234.442 mm,抱轴直径小端234.798 mm,抱轴直径大端234.798 mm。

对于整体车轮,国外根据轴重和制动条件分为不同的含碳量和硬度,AAR标准从强度到硬度将车轮分为L、A、B、C 4个级别,大轴重机车车轮都采用B级或 C级。根据对EMD公司32 t轴重机车车轮的调查,他们也有采用B级车轮的,但将车轮的硬度控制在HB302～HB341的硬度范围内,取了标准的上半段。

由于轴重较大,轮轨接触应力也较大,接触应力是随着轴重的增加而增加。根据计算32 t轴重时,车轮与钢轨在某接触位置时其车轮的接触应力最大已达到1 810 MPa,这在国内铁路机车上是比较少见的(图5)。

图5 轮轨各接触位置的接触应力分布

过大的接触应力会导致踏面的早期剥离,踏面剥离又会严重恶化机车的运行品质,并带来安全问题,同时加速转向架上零部件的破坏。柳州机务段对车轮踏面剥离的研究也得出:“应根据机车实际运用区域不同的踏面形状和不同的钢轨断面形状进行匹配,来适当降低轮轨接触应力。而且机车运行的速度和线路的曲线分布也与此相关,还应根据机车实际运行的线路、运行速度进行轮轨接触应力的分析研究”[3]。“车轮接触应力导致的原因远不是那么简单。它不仅和轴重、车轮直径、踏面形状、钢轨断面形状、车轮侧压力、轮缘根部圆弧半径、轮缘1点接触、踏面1点接触、轮轨接触状态等很多因数有关”[4]。

从上述分析可知,轮轨接触应力与车轮直径、轴重、踏面形状、侧压力、轮缘根部半径、一点接触或2点接触直接相关,其中影响最明显的是轴重、车轮直径、磨耗半径和车轮侧压力。因此,大轴重交流传动机车轮轨接触应力,需引起高度重视。

5 大轴重机车转向架牵引电机的转矩与悬挂结构

大轴重机车虽然运行速度不高,轴功率也没有电力机车大,但大都工作在低转速大转矩条件下。对于机车的牵引性能相对要求较高,在转向架的结构、参数设计时应重点考虑。为了充分利用黏着以及满足大轴重机车工作的牵引特点,巴西铁路曾提出电机的启动转矩和持续转矩分别为15 970 N◦m和13 744 N◦m。从目前所知的情况看,这种大转矩的电机国际上只有美国GE公司以及EMD公司生产,并且不能单独出售。从某种意义上说电机和转向架必须同步进行研究。

表1是目前国内南车成都机车车辆有限公司和永济新时速电机电器有限责任公司引进的美国GE和EMD两家公司交流牵引电动机的型号和参数表。

表1 交流牵引电动机型号与参数

从表1电机参数表中启动转矩也不能满足巴西铁路要求,而EMD公司生产的1BT2630电机启动转矩为13 300 N◦m;持续转矩10 037 N◦m;额定功率只有433 kW,最大转速3 220 r/min。而国内 HXD1C电力机车牵引电机虽然轴功率达到1 224 kW,但启动转矩也只有9 717 N◦m,HXD1B电力机车牵引电机轴功率达到1 633 kW,则启动转矩也只有9 240 N◦m。

上述电机如果用于标准轨距的机车,电机需要增大转矩,在无法加长电枢长度的情况下,只有增加电枢直径,但受到驱动系统传动中心距和机车下部限界的限制,同时也给齿轮的结构参数和强度设计带来很大难度,因为内燃机车的车轮远小于电力机车。如果机车用于宽轨铁路1 520 mm或1 600 mm轨距,电枢长度可分别增长85 mm和160 mm,可否用此办法来增大转矩。

考虑到将来机车大都使用在矿山、石油和运煤专线等铁路,线路条件都比较差,基本属于低速重载,驱动系统的可靠性是第一位的。目前欧洲铁路的滚动抱轴箱,都采用360°全封闭抱轴箱,材料大多采用球墨铸铁(如7 200 kW电力机车就采用了DIN 1693-1977标准规定的GGG40.3球墨铸铁)。这种结构增加了抱轴箱的强度,提高了抗冲击的能力,减少了铸件的收缩变形和应力集中,也提高了车轴防锈蚀的能力,延长了使用寿命。因此,在转向架结构空间允许的情况下,可以尝试采用360°全封闭抱轴箱结构,来提高驱动系统的可靠性。

电机抱轴承选用FAG公司的FAG547734A和FAG547733A两种单列圆锥滚子轴承。轴承内径、外径和总宽度分别为:255.6,342.9,63.5 mm和257.175,358.775,76.2 mm。如果国产化,可以采用大连轴承公司的DZ701和DZ703圆锥滚子轴承并可以和上述两种产品完全互换。

6 结束语

发展重载运输必须发展大轴重机车,只有达到合适的黏着力才能最大程度的发挥机车的功率和牵引能力,从目前看世界上的重载机车轴重都在30 t以上。大轴重机车应采用合理的牵引方式和最佳的悬挂参数配置,让重载机车达到最佳的黏着利用率。重载机车运行速度一般都不高,特别是矿山铁路运行条件也较差,应优先考虑机车的牵引性能和曲线通过性能,满足可靠性要求。发展大轴重机车的同时,应同步发展大功率、大转矩的牵引电机和可靠的驱动系统以满足重载机车的运输要求。

[1] 钱立新.世界重载铁路运输技术的最新进展[J].机车电传动,2010,(1):3-7.

[2] 王坤全,罗 赟,张红军.32 t机车转向架设计方案及动力学性能分析[J].铁道机车车辆,2010,30(1)1-5.

[3] 王家玉,王福顺.机车轮对JM、JM2、JM3磨耗型踏面及其剥离[J].内燃机车,2009,(5):35-36.

[4] 俞展猷.轮轨接触应力的研究[J].铁道机车车辆,2000,(6):1-8.

[5] TB/T 2360-93.铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].

[6] UIC 518铁道车辆的动力性能—安全性—线路疲劳—乘坐质量试验和认证方法[S].

[7] GB 5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].