出口阿根廷米轨机车转向架设计

陈清建， 任时国， 李廉枫， 彭长福， 叶顶康

(中车资阳机车有限公司 研发部， 四川资阳 641300)

2015年中国机械设备工程股份有限公司(CMEC)与阿根廷铁路运用部门签订了100台交直流传动内燃机车的采购合同，其中40台为米轨机车，由中车资阳公司负责研制。合同主要技术要求：装车功率2 200 kW，最大运行速度为80 km/h，轨距为1 000 mm，轴式为C0-C0轴式，轴重不大于17 t，轮径为1 016 mm(新轮)。

该米轨机车主要运用于贝尔格拉诺线路，需穿越平原和山区。通过当地线路考察发现，线路质量整体较差，道路养护简单，检修基地检修能力较弱。针对这些不利因素，项目组充分借鉴了中车资阳公司出口越南、泰国等多款米轨机车转向架技术，并结合当前和谐机车转向架先进技术进行设计，使阿根廷米轨机车转向架具有较高的可靠性和先进性。

1 转向架结构设计

1.1 转向架总体布置

转向架主要由构架、轮对轴箱与一系悬挂、二系悬挂、牵引装置、电机悬挂装置、基础制动装置和手制动组成，还包括沙箱、轮缘润滑装置、转向架管路和整体起吊装置等附属装置，见图1。

1-构架；2-轮对轴箱；3-二系悬挂；4-牵引装置；5-基础制动装置；6-附属装置；7-电机悬挂装置；8-一系悬挂。图1 转向架结构图

转向架主要技术参数:

轴式 C0-C0

轴距/mm 1 700+1 700

轴重/t 17

轨距/mm 1 000

最大运用速度/(km·h-1) 80

车轮直径/mm 1 016(新轮)/945(全磨耗)

机车通过最小曲线半径/m 80

牵引方式 中心销+八字型拉杆

电机悬挂方式 滚动抱轴鼻式悬挂

制动装置型式 踏面单元制动+手制动

该转向架具有以下特点：

(1) 各零部件采用了轻量化设计，转向架总质量低于16 t。

(2) 米轨轮对内侧距空间狭小，机车牵引功率需求高，轮对驱动单元设计难度大。

(3) 构架、轮轴主要承载部件均采用了低应力设计，结构受力均匀。

(4) 轮对驱动采用顺置排列，转向架整体结构布置紧凑，轴重转移量较小[1]。

(5) 轮对驱动采用模块化设计，同型号的转向架间能够互换。

1.2 主要部件设计

(1) 构架设计

转向架构架采用“目”字型结构，由侧梁、牵引横梁、横梁和两根端梁构成，各梁均为高强度低合金钢板焊接而成的箱型结构，构架上还设有牵引座、拉杆座、制动器安装座、横向止挡座和电机吊座等部件，如图2所示。

构架整体按照轻量化、低应力和应力分布均匀原则进行结构设计。为增强构架的抗扭刚度和整体变形能力，构架横梁进行了加强设计。为减少构架的应力集中，各梁连接处均采用大圆弧过渡。构架焊接采用EN 15085 标准进行设计，焊接接头设计、焊缝标注和检验等符合EN 15085标准要求。构架组焊后进行了整体去应力退火处理，消除构架焊接过程中产生的残余应力，之后由数控加工中心进行整体机械加工，以保证转向架各组成部件的安装接口精度。

图2 构架

(2) 轮对与一系悬挂设计

轮对包括整体车轮、车轴和轴箱组成等基本部件，还包括安装在车轴上的从动齿轮和抱轴箱等部件。一系悬挂采用Z字型双拉杆轴箱体定位，包括螺旋钢圆簧、橡胶减振垫和垂向液压减振器等部件，见图3。

图3 轮对轴箱及一系悬挂

车轮为整体辗钢车轮，采用了国内成熟的车轮钢材料，踏面为客户线路成熟结构，与线路具有良好的匹配关系。车轴采用符合北美标准的F级车轴钢材料，按照EN 13104标准进行设计。轴箱拉杆两端设有弹性橡胶关节，上、下轴箱拉杆装配后，共同实现一系传递牵引、制动力的功能，且拉杆结构互为安全冗余。螺旋钢弹簧安装在轴箱两侧，轴箱弹簧按照EN 10089标准进行设计，弹簧材料为常用的51CrV4，弹簧组底部设置了橡胶减振垫，用于隔离轮对上的高频振动冲击传入簧上设备。轴箱轴承采用了成熟的整体式自密封结构的双列圆锥滚子轴承，具有安装拆卸方便，免维护周期长的优点，其L10计算寿命大于300万km。

(3) 二系悬挂设计

二系悬挂设置在构架与车体之间，由橡胶堆和横向液压减振器等组成，见图4。为改善橡胶堆在较大横向位移时的应力状态，采用了椭圆形叠层低应力橡胶堆结构。为衰减车体和构架之间的横向振动，在构架中部两侧对称布置了2个横向液压减振器。另外，车体与构架之间还布置了合适的横向止挡。

图4 二系悬挂

(4) 牵引装置设计

转向架采用中心销+八字型拉杆牵引方式，见图5。中心销焊接在车架主梁上，下端通过橡胶关节和销套与八字型拉杆联接，拉杆两端设有弹性橡胶关节，保证牵引装置具有较大的纵向刚度和较小的横向刚度，实现机车牵引和制动功能。通过对牵引装置拉杆和牵引销进行强度校核计算，在承受转向架质量×3g(g取9.81 m/s2)冲击工况下，拉杆和牵引销计算应力小于材料屈服极限，在承受转向架质量×5g(g取9.81 m/s2)冲击工况下，拉杆和牵引销计算应力小于材料强度极限。

图5 牵引装置

(5) 电机悬挂装置设计

牵引电机采用滚动抱轴+电机半悬挂于构架方式，主动齿轮为悬臂布置，根据机车牵引性能配置了合适的齿轮传动比。由于米轨轨距小，轮对内侧空间狭窄，该转向架采用了小体积和轻量化的ZD126G型牵引电机，匹配窄轨用抱轴箱、牵引齿轮、抱轴承和齿轮罩等零部件组成，见图6。经牵引齿轮强度计算，其计算接触强度安全系数SHmin=1.96，计算弯曲强度安全系数SFmin=2.39，均具有较高可靠度[2]等级要求。抱轴承采用分体式圆锥滚子轴承，安装于抱轴箱内，使抱轴箱具有抱车轴和横向定位功能，其L10计算寿命均大于300万km。因机车牵引功率需求大，车轮内侧空间小，各部件的设计难度较大。

图6 电机悬挂装置

(6) 基础制动装置设计

基础制动装置采用单侧踏面制动式单元制动器，每转向架设置6个单元制动器，采用符合TB/T 3196标准的合成闸瓦，与单元制动器匹配后具有良好的制动性能。其中，机车前端转向架设有手制动装置，与单元制动器匹配后实现手制动功能，防滑动安全系数S1和防滚动安全系数S2均大于1，能够满足机车在20‰坡道上实施停放制动的要求。

2 主要零部件强度分析

2.1 构架强度校核

根据UIC 615-4动力转向架构架强度试验标准对构架进行了静强度和疲劳强度校核计算，计算结果表明，出口阿根廷米轨机车构架在常用工况和极限工况下的应力水平均较低，且分布均匀，尤其横梁与侧梁连接处采用的大圆弧过渡结构对降低应力具有较好效果，如图7所示，构架的静强度具有足够的安全裕量。将各节点等效平均应力及等效应力幅值点导入Goodman图进行疲劳强度评估，由图8可见，出口阿根廷米轨机车构架各测点应力幅值均在Goodman母材及焊缝疲劳极限曲线内，分布均匀。

图7 构架最大载荷工况Top面von Miss应力值

图8 构架疲劳极限图

根据UIC 615-4对首个构架进行了静强度和疲劳强度试验验证(见图9)。试验结果显示，构架在各超常载荷工况下测点应力值均未超过材料的许用应力，各模拟运用载荷工况下，构架测点的应力情况符合相应材料疲劳极限图的要求。按照标准规定的试验载荷工况对构架进行了1.0×107次疲劳试验后，进行磁粉探伤未发现任何形式的裂纹。构架静强度和疲劳强度均满足设计要求。

图9 构架强度试验

2.2 车轴强度校核

车轴作为关键承载部件，在机车运行过程中承受着周期性而又复杂的荷载，包括机车的质量、制动力、轮轴力等，为确保机车车辆的运行安全，车轴须具有足够的强度。按照EN 13104标准方法对车轴进行强度校核计算，根据计算结果对车轴各截面几何结构进行反复优化，最终得出了优化后的车轴结构，强度计算结果见表1，车轴各危险截面计算应力均小于疲劳许用应力，满足EN 13104标准要求。

表1 车轴各截面计算应力

2.3 车轮强度校核

车轮在使用过程中始终处于复杂的三向应力状态，参照UIC 510-5标准对车轮进行了强度校核计算，根据计算结果主要对腹板和轮毂进行了优化，优化后的车轮静强度和疲劳强度计算结果见表2和表3。

计算结果表明：

(1) 各工况下车轮的最大等效应力均小于许用应力，车轮静强度符合UIC 510-5标准评定规则，满足设计要求。

(2) 各工况下车轮的极限应力均小于允许应力，车轮疲劳强度符合UIC 510-5标准评定规则，满足设计要求。

表2 各工况最大等效应力

图10 直线运行工况等效应力云图

图11 曲线运行工况等效应力云图

图12 通过道岔工况等效应力云图

2.4 一系钢弹簧强度校核

将多组一系螺旋钢弹簧参数按EN 13906-1标准进行静强度和疲劳强度对比分析计算，确定了一系弹簧最优结构和刚度参数，计算结果分别见表4和图13。计算结果表明：各工况下，弹簧的应力均小于材料许用应力，弹簧的极限应力均落在弹簧材料的Goodman疲劳曲线区域内，静强度和疲劳强度均满足设计要求，并预留了合适的强度安全冗余。

表3 各工况下极限应力较大部分节点的主应力统计 MPa

注：取σmax=σ1max，σmin=σ3min，则Δσ=σ1max-σ3min

表4 一系螺旋钢弹簧静强度计算 MPa

图13 弹簧疲劳曲线(Goodman图)

3 动力学性能分析与优化

因客户没有线路质量标准和数据，通过对客户部分线路的考察，可以借鉴美国FRA轨道安全标准中的AAR4或AAR5级线路谱进行动力学性能校核分析。

图14 机车动力学计算模型

通过反复对比几组转向架的悬挂和结构参数，利用SIMPACK多体动力学分析软件，建立机车动力学计算模型(见图14)，根据TB/T 2360-1993[3]和GB/T 5599-1985[4]、UIC 518-2009[5]规定，对机车的轴重转移、临界速度、运行稳定性、运行平稳性、曲线通过性能等进行计算校核，最终确定了转向架最优的悬挂和结构参数，主要计算结论如下：

(1) 机车的黏着利用率[5]达到91%，满足机车牵引性能要求。

(2) 车轮踏面等效锥度在0.1～0.3范围时，机车的线性临界速度大于130 km/h，满足80 km/h的最高运用速度要求。

(3) 机车的非线性临界速度介于160～165 km/h之间，满足80 km/h的最高运用速度要求。

(4) 通过导入FRA轨道安全标准中的AAR5级线路谱线路条件，机车运行速度≤80 km/h范围内，机车的垂向和横向平稳性指标均小于2.75，达到优良等级；通过导入FRA轨道安全标准中的AAR4级线路谱线路条件，机车运行速度≤80 km/h范围内，机车的垂向和横向平稳性指标均小于3.10，达到良好等级，见表5。

表5 机车在不同速度下的垂向平稳性指标Wz和横向平稳性指标Wy

(6) 机车以15 km/h的速度通过80 m半径的曲线轨道，当轨距加宽达到20 mm时，各项动力学指标均满足标准要求，见表7。在轨距不加宽的条件下，当轮轨摩擦系数小于等于0.25时，各项动力学指标均满足标准要求，见表8。

表6 美国四级线路谱下机车动态曲线运行安全性指标

表7 轨距加宽对机车曲线通过性能的影响

表8 轮轨摩擦系数对机车曲线通过性能的影响

4 结束语

该转向架结构设计紧凑，通过对主要承载部件的强度校核及结构优化，机车动力学性能校核分析及参数优化，使该米轨转向架具有足够的使用强度，合理的结构和悬挂参数，良好的轮轨匹配关系，较高的线性和非线性临界速度，良好的垂向和横向动力学指标，良好的曲线通过性能及实现了较小的轴重转移等。

目前该批机车已交付用户运用运营万余公里，各项性能指标正常，运用状态良好。

[1] 鲍维千.机车总体及走行部[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] TB/T 2360-1993铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].

[4] GB/T 5599-1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

[5] UIC518-2009 Testing and approval of railway vehicles fom the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Running behaviour[S].