电力机车转向架牵引电机悬挂方式选择研究

蔡嘉鑫

（国能新朔铁路有限责任公司机务分公司生产技术部，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

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一、牵引电机悬挂方式

通常情况下，对牵引电机设计师来说，最大的挑战就是选取适当的方式将电机悬挂在转向架构架上。保持电机轴和轮对车轴间正确的几何布置，以保证在各种运用条件下，电机轴和车轴之间的传动效率和传输系统的润滑。电机输出转矩通过减速齿轮传输到车轴。从牵引电机到小齿轮的整套传动装置被称为驱动装置，牵引电机是驱动部件。基于牵引电机和驱动装置在转向架上如何安装，通常有轴悬式牵引电机；轴悬式驱动。然而，也存在其他类型的牵引电机安装方式，例如底架安装牵引电机方式，即牵引电机安装在车辆底架上，通过柔性驱动来驱动一根或者数根车轴。无齿驱动方式，即利用轮对车轴作为电机轴，而定子则刚性安装在车体上。安装方式并不是很通用，因此，轴悬式牵引电机和轴悬式驱动这是在转向架上安装牵引电机最为常用的方式，通常也被称为轴悬式牵引电机系统。在这种电机布置方式下，牵引电机安装在转向架构架上，其电枢轴与车轴平行。电机一端通过安装在电机悬挂系统中的一对悬挂轴承支持，车轴绕此轴承旋转。电机的另一端通过鼻型结悬挂在位于转向架构架横梁上的支架上。这种类型的电机安装方式，由于电机几乎近一半的质量被刚性安装在车轴上，故抵抗冲击的能力差。但这种安装方式允许电机座相对于转向架构架有足够的移动空间，以适应车轴在轴箱内的移动量。因为电机轴一直平行于车轴，这是最简单、鲁棒性最好的传动方式，即只需采用单级减速直齿圆柱齿轮传动。这就保证了能够在最小的可能空间内安装牵引电机，允许最小的齿轮中心距。设计此种布置方式的转向架时，需要合适地考虑位于横梁中间的悬挂电机的质量。在既有列车中，铁路大多数转向架都是按此布置方式设计的。齿轮中心距是最重要的设计因素，因为它影响下面一些重要参数的设计：齿轮传动比的最大化；车轮直径可能的最小化；悬挂轴承处轴颈直径的最大化。

轴悬式牵引电机系统还具有以下优点：由于齿轮中心距最小化，在给定的空间情况下能够使电机尺寸最大化，可以尽可能地利用空间；相对简单、可靠，也最为经济；驱动系统几何外形与转向架一系悬挂装置无关。此种布置方式主要的缺点和不足如下：由于牵引电机支承处缺少弹性自由度，电机会直接承受因轨道不平顺导致的车轮踏面处的很大冲击。设计电机悬挂单元和电机座时必须考虑它们能承受电机齿轮支反力。同样，牵引电机轴承和电机悬挂装置轴承的设计对于牵引电机的性能至关重要。直斜齿轮的安装受电枢轴和车轴之间距离以及两套轴承间隙的影响，可能存在齿端载荷。为了减小齿端载荷，小齿轮牙型需要特别注意，例如在齿端进行锥化处理。由于采用悬突小齿轮，电枢轴的弯曲会引起电机驱动端轴承不对中，这就使得驱动端小齿轮内部轨道设计变得复杂。为了应对可能出现的不对中，要把驱动端轴承内滚道包覆起来。由于牵引电机簧下质量偏大，转向架轮对对轨道产生冲击载荷，导致线路维护费用提高。

庞巴迪公司和西门子公司供应的电力和内燃机车牵引电机，在运用几年后，电机转子铜条开始出现裂纹，特别是在运行过程中出现车轮打滑，情况恶劣，牵引电机都采用鼻式悬挂，庞巴迪公司在调查转子铜条失效的原因时，对 WAG9 型机车进行了振动和冲击试验，以测量牵引电机承受的最大冲击。此试验分别采用新、旧大小齿轮，除了测量冲击和振动外，还进行了各种转子性能比较试验。试验记录了采用新齿轮时转子的冲击和振动值为30g，但在各速度下，齿轮磨损后，电机承受冲击加速度非常高(6～10 倍系数)。由磨损齿轮导致的冲击和振动，记录加速度值可达300g 分别采用新、旧齿轮时，记录的电机转子冲击加速度值。国际电工委员会标准IEC 60034—14 建议测量车轴部位安装的设备垂向振动加速度测量值为30g，但是，各机车和电动车组制造商记录测量的振动和冲击数值要远远高于IEC的推荐值。剥落使得电机直接暴露于冲击与振动中，导致轴承保持架产生裂纹，最终导致转子铜条破损、电机轴承固死。这些现象在鼻式悬挂牵引电机中非常突出，齿轮磨损后，电机转子的冲击会增长数倍。

轴悬式牵引电机布置方式（即轴悬式牵引电机系统）最根本的不足之处在于，牵引电机和传输系统的大部分质量（大约60%）为簧下质量。由于簧下质量大，对轨道的作用力大，这种布置方式不适用于速度160 km／h及以上速度级的机车车辆。对于高速和地铁来说，为了利用高速电机的优势，所有的机车和动车组制造商都采用牵引电机全悬挂在转向架构架上。在电机轴和车轴之间采用柔性驱动，以允许转向架构架在一系悬挂变形范围内的相对运动。这种系统被称为轴悬式驱动，因为传动装置或者说由齿轮、柔性联轴节等组成的驱动系统悬挂直接悬挂在转向架上。上述形式的悬挂方式又称为架悬电机或者全悬挂电机布置方式，在这种布置方式中，整个电机质量都由转向架构架承担，而转向架构架质量又由一系悬挂承担。故这种布置方式降低了对轨道的冲击，由于车轴和电机轴之间采用柔性连接并且电机质量由转向架一系悬挂承担，由于轨道不平顺和恶劣的运用条件车轮空转所导致的冲击和振动响应，要比轴悬式牵引电机布置方式小得多。对采用轴悬式驱动的情形，需要对转向架进行特殊设计。

在牵引电机全悬挂的布置方式下，牵引电机要么挂在转向架构架上，要么挂在车体底架上，而不是直接安装在车轴上。其中，牵引电机小齿轮与齿轮轴通过中间齿轮柔性连接，这与轴悬式布置方式相比，可以大大减小牵引电机对轨道不平顺的敏感程度。在印度铁路上，一些列车的牵引机车以130km/h、150km/h的速度运行没有发生电机转子铜条破损的案例。故电机悬挂方式是决定转子寿命的一个重要影响因素，这在世界各地其他铁路系统中也得到了印证。在过去的数十年中，基于此种轴悬式驱动的多种悬挂方式得到了广泛应用，它们拥有毋庸置疑的优势，当然也存在其不足之处。

二、牵引电机转速及其安装方式

电机转速与其外形尺寸之间的基本关系：电机输出功率与D2LN成正比。其中：D直径；L电机长度；N转速。对于给定额定功率的牵引电机，转速越高，尺寸越小，反之亦然。在给定的额定功率下，小电机与尺寸较大的电机相比具有自身优势，例如由于使用了较少铜导线，其损耗也少，只需较小的悬挂布置空间、较低的簧下质量等。由于电机较小，牵引电机所采用的轴承尺寸也比较小。通常情况下电机只能采用客户定制设计的轴承，这要考虑到它们的特殊运行环境。由于轴承较小，相应地保持架、滚子和内圈尺寸也较小。例如，轴悬式牵引电机的转速超过3000r/min，剧烈的冲击和振动会传输到牵引电机和轴承部件中，轴承中最薄弱的环节是保持架，首当其冲成为剧烈冲击和振动的牺牲品。高转速的轴承保持架有很多疲劳断裂的实例。印度铁路公司就有转速超过3000r/min的电机驱动端轴承失效的例子。曾经测试过孟买郊区电动车组的牵引电机所承受的冲击和振动最大加速度为35 g。其电机转速为3452r/min，装用磨耗轮时，运行速度为110km/h，投入运行6 个月之内，就发生了一系列的电机驱动端轴承抱死事件。电动车组驱动系统的制造商与轴承制造商一起进行了详细的调研。轴承失效的原因是由于轴承保持架过早地产生裂纹以及保持架和滚子的间隙过大（达到1.4mm，设计值仅为0.7mm）。所采用的轴承型号为NU2228，保持架无铆接。轴承的所有参数，例如动态载荷、静态载荷和极限转速等，均在轴承设计技术参数设定范围内。轴承制造商已针对大冲击和振动的应用环境定制标准轴承，即去掉一个滚子，强化保持架，但保持架和滚子之间的间隙仍保持1.4mm。轨道不平顺产生的冲击直接传输到牵引电机，导致轴承保持架产生裂纹。作为补救措施，轴承制造商将保持架与滚子之间的间隙减少到0.7mm，这样就进一步增强了保持架的强度。有限元分析结果表明改进措施降低了保持架的应力水平，但是没有标准可通过加速老化试验验证有限元计算结果的准确性。印度铁路对轴承布置所做的改进只能靠运用实际来检验。另一方面，由于前述悬挂布置方式的原因，在全悬挂布置方式中，传递到电机元件的冲击和振动几乎可以忽略，轴承及其零件仅承受很小的机械振动。

三、牵引电机轴承的润滑

轴承制造商通常通过以下公式来选择轴承润滑方式，确定轴承是脂润滑还是油润滑。采用脂润滑，要满足如下公式:max(Dm·N)≤60×104 式中:Dm 是轴承内外半径的平均值，mm;N 是旋转速度，r/min。轴承内径取决于电机轴外径，电机轴外径又由其传输的功率和转矩决定，功率越高，电机轴外径越粗，为了满足上述标准，对于脂润滑轴承来说，转速必然降低。油润滑，就是采用齿轮箱油进行润滑，在大齿轮的帮助下，润滑油通过旋转被提升，通过飞溅方式对轴承进行润滑。飞溅的润滑油会重新流回到齿轮箱。油润滑时，油位超过最低水平，油才可以被提升，如果齿轮箱泄漏或损坏导致润滑油不足或者油位低于最低刻度时，齿轮就不能对轴承进行润滑，会导致轴承抱轴固死。此外，运用过程中，无论何种原因，如果油位低于最小值，轴承润滑不足，轴承就会产生损伤。各种材料对齿轮箱频繁地造成损伤，导致润滑油耗尽或渗漏发生，最终电机轴承抱死。除泄漏外，工作温度较高时，齿轮也会磨损，产生磨损颗粒。这些相当于研磨材料的有色金属颗粒进入润滑油中，当与润滑油同时接触轴承保持架由黄铜制造时，会磨损保持架上的黄铜。虽然齿轮箱上安装了吸收磨损颗粒的磁性排油堵，但几乎不起任何作用。研究表明，润滑油中铁的含量越高、铜的含量也越高，这种现象会降低轴承寿命。齿轮要正常工作，齿轮箱油黏度指数要低，也就是在所有运行温度范围内，齿轮箱润滑油黏度应处于合理水平，以避免金属与金属接触。一旦确定驱动端轴承要用齿轮油进行润滑，那么高黏度的润滑油是不能用于齿轮箱飞溅润滑的，这是使用油润滑来润滑电机轴承时，需要特别注意的问题。

通常高速列车为减少轮轨作用力，采用架悬式牵引电机最合适;对于低速的电力机车，采用鼻式悬挂比较合适;对于同样的额定功率，为了获得较低的重量、较小的尺寸等优势，采用高转速的牵引电机时，需要对安装全悬挂电机的转向架合理设计。泄漏和齿轮材料的快速磨损都会导致齿轮油中铁元素含量增加，因此，电机轴承必须使用脂润滑。

通常情况下，客运列车运行速度高。为了降低轨道作用力，采用全悬挂牵引电机是合适的。全悬挂电机轴悬式驱动质量轻、转速高。由于采用全悬挂牵引电机，因轨道不平顺或者车轮空转等产生的冲击力对电机部件的影响是最小的。这也是在所有高速运用条件下，小尺寸元件电机仍能取得成功应用的原因。除此之外，在电机和车轴之间采用柔性联轴节也是原因之一。由于转向架留给电机的空间是非常有限的，所以小尺寸的牵引电机是很受欢迎的。

轴悬式牵引电机悬挂方式 下，牵引电机直接暴露于轨道不平顺、车轮空转和齿轮磨耗产生的冲击和振动环境中，为了获得满意的牵引电机性能，其元件必须可靠，当然只有大尺寸的电机才可能做到这一点。与全悬挂布置方式相比，由于电机和车轴直接耦合，对牵引电机来说有足够大的空间可用。牵引电机制造商可以充分利用转向架给电机预留空间大的优势，设计低转速的牵引电机，这样电机元件尺寸可以比较大，从而提高元件的可靠性。正如上文所述，只有大尺寸、高可靠性的电机，才能够承受剧烈的冲击和振动。因此，对于轴悬式电机悬挂方式来说，低转速的电机更为合适。可以明显看出，对于额定功率相同的电机而言，为了获得诸如质量轻、尺寸小等优势，采用高转速牵引电机时，需要对安装轴悬式驱动的转向架进行合理设计。在印度铁路界机车外，其他所有机车、电动车组等全部采用轴悬式牵引电机悬挂方式。为了充分利用既有列车的残余寿命，一度想对现有的转向架采用交流牵引电机进行改造。在目前所设计的转向架上采用轴悬式驱动布置方式是不可能的，故唯一的选择仍是轴悬式牵引电机布置方式。采用轴悬式牵引电机布置方式，电机转速低3000r/min，对印度铁路系统苛刻的运行条件来说是最合适的选择。由于泄漏和齿轮材料的快速磨损，导致齿轮油中铁元素含量增加，故一般推荐使用脂润滑轴承。除了一两家制造商外，其余制造商都对齿轮箱和驱动端轴承单独润滑，这就给设计师选择齿轮箱润滑油提供了便利，便于做出最适合特定运行状况的选择。