适用于中亚铁路的机车转向架设计

张鸿涛

(南车集团公司资阳机车有限公司 机车研发部,四川资阳641301)

进入21世纪后,中亚地区随着石油、天然气等能源以及有色金属矿产资源的大量开采,上述地区国家的经济也迅速攀升。铁路货运作为主要运输方式,货运能力出现严重不足,迫切要求提升。

中亚国家现有机车多为上世纪中下叶前苏联生产的机车,备件缺乏,而且由于技术人员的大量流失,所以机车维护能力较差。这些国家铁路线路状况也普遍较差,轨道横向和垂向扭曲严重,存在很大的隐患。

近年来中亚国家大量引进中国制造的机车,截止到2009年6月仅资阳机车有限公司就向上述地区的国家出口包括客运、货运、调车3种车型的内燃机车超过了100台,成功完成了适用中亚铁路的机车型谱。

1 设计思路

上世纪通过欧亚大陆桥建设,中国铁路在阿拉山口与中亚国家的铁路实现了连接,但中国轨距为 1 435 mm,而中亚国家铁路轨距为1 520 mm,因此中亚铁路机车需满足以下4个原则:(1)通用性;(2)最小的改动量;(3)成熟可靠的部件;(4)经济的过轨方式。

客运、货运、调车3种车型的转向架设计理念是主要部件通用,根据运用需要进行特性配置。为此我们选取自己的成熟产品DF8B机车转向架为客、货运机车设计原型;选取GKD3B机车为调车设计原型,按中亚地区国家铁路的运用习惯要求,将原方案中的单元制动器改为与DF4B机车相同的带闸瓦调节机构的杆系制动装置,同时根据运用速度对一系悬挂参数进行重新选取,并根据机车不同的功率等级选取相应的牵引电动机。以下着重说明与原型车不同之处,以及根据DF4B、DF8B机车在运用中出现的问题后而采取的改进措施。

转向架采用C0-C0轴式,转向架的构成,如图1所示。

图1 转向架的构成

转向架主要技术参数

2 结构设计

2.1 构架

结构形式为目字形,只是根据轨距变化,构架侧梁中心距由2 050 mm改为2 135 mm,相应横梁需加长85 mm。各梁仍为箱型结构,为避免焊接应力集中,在设计中将梁内部筋板形状进行优化设计,同时侧梁下盖板采用整板结构,将与横梁下盖板连接的筋板取消,避免产生交叉焊缝。鉴于中亚地区国家的线路状况很差,轨道横向和垂向扭曲严重,为保证构架具有足够的强度裕量,钢板采用Q345C,同时要求侧梁和横梁的主要焊缝采取超探检查,确保焊接质量。

2.2 轮对轴箱

轮对由车轴、从动齿轮、轮芯和轮箍组成,车轮踏面形状按用户推荐形式制造。牵引齿轮采用25°压力角结构,同时根据承载情况确定齿向修形。

为兼顾120 km/h和100 km/h两种速度的要求,对一系悬挂进行重新设计,将弹簧静挠度由95 mm改为122 mm,弹簧采用大、中、小3圈组合的结构方式,弹簧材质采用60Si2CrVAT。轴箱体材质采用C级钢。材料的具体性能如表1所示。

2.3 旁承装置

旁承采用橡胶堆旁承结构。为衰减机车的横向振动和抑制蛇行运动,布置有横向油压减振器。客、货运机车的橡胶堆与横向减振器位置与DF8B机车一致,调车机车的橡胶堆位置与GKD3B机车一致,以满足利用现有转向架运输的需要。

表1 材料的机械性能

2.4 牵引装置

由于侧梁中心距增加85 mm,因此将两个拐臂分别减少42.5 mm,连接杆长度相应增加85 mm,牵引杆与国内现车保持一致,采用此方案使得新设计的机车与现有供国内机车转向架的接口一致,有利于新设计的机车车体在国内线路上运输。

2.5 电动机悬挂装置

电动机悬挂装置采用鼻式弹性悬挂,滑动抱轴承结构;客运机车采用ZD109C牵引电动机,货运机车采用ZQDR-410牵引电动机。两种转向架齿轮罩的主体结构相同,仅是由于安装位置的变化需设置相应的安装座,齿轮为飞溅式润滑,采用8K电力机车牵引齿轮油。

2.6 基础制动装置

基础制动应用户要求采用带闸瓦间隙调节器的单侧制动,每个转向架由6个制动缸独立带动各自的杆系及闸瓦,结构型式同DF4B型机车。

3 分析及试验

3.1 动力学分析

转向架物理模型由西南交通大学牵引动力国家重点实验室进行动力学计算,结果分析如下。

(1)临界速度

客货运机车的非线性临界速度为150 km/h,满足设计要求;

(2)垂向平稳性指标

在4级线路上的垂向平稳性指标良好,在5级线路上的垂向平稳性指标,当运行速度为70 km/h以下时为优良,80～100 km/h时为良好,110、120 km/h时为合格;

(3)横向平稳性指标

在4级线路上能达到良好标准,在5级线路上达到优良标准。机车在4、5级线路上的横向轮轨动作用力的统计最大值均未超过极限值。

(4)曲线通过

客货运机车能以5 km/h的速度安全通过80 m半径曲线的光滑轨道,能以小于50 km/h的速度安全通过具有4级线路不平顺的300 m半径曲线,能以小于57 km/h的速度安全通过具有5级线路不平顺的300 m半径曲线。

3.2 动力学性能试验

为验证机车的各项性能指标,在西南交通大学牵引动力国家重点实验室的6轴滚动振动试验台对客运机车进行了为期1个月的动力学性能试验,试验结果表明:

(1)机车具有良好的运行平稳性能,平稳性指标小于3.10,达到良好级。

(2)机车具有良好的稳定性,在一系垂向减振全部失效后,机车在90 km/h加激扰后出现失稳,但停止激扰后,失稳很快消失。二系横向减振器全部失效后,机车横向运动特性变差,但在120 km/h范围内运行时未出现蛇行运动。

(3)机车主动带功试验时,轴箱温度最高为66℃。

4 结束语

首批出口土库曼斯坦的客运机车到机务段后,我们深入展开了对用户的培训,我方售后服务人员也积极对机车进行维护,机车运用状态一直保持良好。

[1] 西南交通大学机车车辆研究所,资阳机车厂.出口土库曼斯坦客货运机车的动力学分析[R].成都:西南交通大学,2005.

[2] 西南交通大学牵引动力国家重点实验室.土库曼6轴内燃机车滚动振动试验台研究报告[R].成都:西南交通大学,2005.

[3] 孙竹生.内燃机车总体及走行部[M].北京:中国铁道出版社,1995.

[4] 戚墅堰机车车辆工厂.东风8B型内燃机车[M].北京:中国铁道出版社,1999.