HXD3D型交流传动快速客运电力机车转向架

李传龙，曲天威，高震天，王耀超

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022）

HXD3D型交流传动快速客运电力机车转向架

李传龙，曲天威，高震天，王耀超

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022）

介绍了最高运行速度为160 km/h、HXD3D型6轴交流传动快速客运电力机车转向架的主要技术及结构特点，总结了其构架、一系悬挂装置、轮对、二系悬挂装置、基础制动装置、驱动装置、电动机悬挂装置、牵引装置和附属装置等主要部件的结构设计和技术特点。

客运电力机车；机车转向架；技术参数；结构设计；特点

近几年，随着原铁道部机车项目的技术引进，国内研制成功了轴功率1 200 k W和1 600 k W，最高运行速度120 km/h的交流传动货运电力机车，但还没有最高运行速度160 km/h，C0－C0轴式的交流传动快速客运电力机车。6轴交流传动快速客运电力机车研制的关键是160 km/h等级3轴转向架的开发。在技术引进以前，几个铁路机车工厂也相继研制出了160 km/h转向架，但机车动力学性能和可靠性均不高。HXD3D型交流传动快速客运电力机车转向架在引进、消化、吸收的基础上，充分借鉴DF4D准高速机车、SS7E等既有机车转向架的运用经验，进行创新设计的新型快速机车转向架。

1 转向架总体及特点

HXD3D型交流传动快速客运电力机车转向架为3轴全（架）悬挂客运机车转向架，主要由构架、一系悬挂装置、轮对装配、二系悬挂装置、基础制动装置、驱动装置、电动机悬挂装置、牵引装置、附属装置等组成（见图1）。

该机车转向架具有以下特点：

（1）牵引电机的布置采用2轴、3轴位对置方式。

（2）驱动单元（包括牵引电机、齿轮箱总成和6连杆空心轴等）的悬挂采用刚性架悬。

（3）驱动系统采用轮对空心轴驱动方式，齿轮箱为承载式，轴承采用油润滑，以适应转向架160 km/h速度等级的要求。

图1 HXD3D 型交流传动快速客运电力机车转向架总图

（4）轴箱轴承采用免维护的双列圆柱滚子轴承单元。

（5）一系悬挂装置采用单拉杆轴箱定位＋螺旋弹簧方式，1、3轴安装垂向减振器；二系悬挂装置采用高圆螺旋弹簧＋橡胶垫结构，辅以各向减振器。

（6）牵引装置采用低位推挽牵引杆牵引，以提高机车的黏着力利用率。

（7）基础制动采用轮盘制动方式。

2 主要技术参数

该机车转向架主要技术参数如下：

3 主要结构特点

3.1 构架

构架是转向架各部件的安装基础，承受并传递各种载荷，强度设计和刚度设计是构架设计的重点，并着重考虑构架上有关零部件的相对位置及安装空间，尽量使结构质量和受力分布比较均匀。

如图2所示，构架为“目”字形的钢板焊接结构，由两根侧梁、两根横梁和两根端梁构成。各梁均为钢板焊接成的箱形梁，在各梁内部布置相应的筋板以改善受力状态并减少焊接收缩。钢板材料为Q345E，其中有些吊座使用ZG230－450。构架的焊接执行EN 15085标准，焊缝远离高应力区，所有焊缝已通过疲劳寿命分析及静强度计算。通过有限元计算构架强度和刚度均满足静强度和疲劳强度要求。

3.2 一、二系悬挂装置

一系悬挂装置采用了高速动力转向架的悬挂结构，如图3所示，主要包括轴箱、轴箱拉杆、一系弹簧、一系垂向减振器等。每轴有一个轴箱安装接地装置，保证构架与车轴之间具有良好的导电通路，避免轴承产生电蚀。同时，在每轴不安装接地装置端的轴箱上设有防滑速度传感器。

轴箱采用单侧轴箱拉杆定位，轴箱拉杆两端采用球形橡胶关节，采用该结构，轴箱的上下、左右及前后定位刚度可以各自独立设定，以满足转向架悬挂系统的最佳设计要求。轴箱采用独立悬挂，轴箱相对构架的上下和横向移动靠轴箱弹簧和橡胶件的弹性变形来获得。轴箱弹簧采用螺旋弹簧，材料符合EN 10089要求，弹簧底部增加绝缘垫，使构架与轴箱之间具有良好的绝缘。在端轴轴箱与构架间配有一系垂向油压减振器，用以衰减振动和吸收振动能量。轴箱轴承采用圆柱滚子自密封轴承，轴承的免维护周期可达100万km，提高了轴承的使用寿命。

图2 构架

图3 一系悬挂装置

二系悬挂装置主要用来传递车体上部结构与转向架间的垂向力、横向力和冲击载荷，通过适当的弹簧配置，使得分配到每根车轴上的最终载荷基本均匀一致。通过二系悬挂的合理配置，可使转向架静态和动态时均能保持稳定。在车体和转向架间设置合理的弹性装置，可保证转向架能相对于车体在一定范围内弹性横动，在机车通过曲线时，允许转向架相对于车体在合理范围内灵活转动。

二系悬挂装置由二系高圆弹簧、减振垫、二系垂向减振器、二系横向减振器、抗蛇行减振器、横向止挡、垂向止挡等组成。每个转向架上设有两组高圆弹簧（每组两个），布置在左右侧架中央部分。每个转向架有两个横向和两个垂向减振器及两个抗蛇行减振器连接车体与转向架。减振垫具有减振及绝缘的用途，减振垫由钢板和夹在中间的橡胶元件组成。

3.3 轮对装配

轮对主要由车轴、车轮、制动盘等组成。车轮为整体辗钢车轮，材料采用符合UIC 812－3和EN 13262标准的R8T级车轮钢，踏面采用符合TB/T 449的JM3磨耗型踏面，采用这两种措施后，可减少轮缘磨耗，提高车轮的使用寿命。车轮残余静不平衡值不大于50 g·m；车轴材料采用符合TB/T 3093－2004的35Cr Mo A合金钢；轮对组装符合TB/T 1463标准要求。

3.4 基础制动装置

基础制动采用轮盘制动，每个车轮安装一套独立的制动单元，制动单元为3点吊挂式制动单元，无踏面清扫装置，采用铸钢制动盘，闸片采用粉末冶金闸片。每个转向架有两个带弹簧停车制动的制动单元，分别布置在每个转向架的一轴和三轴右侧，以满足在30‰坡道停车的要求。

3.5 驱动装置

驱动装置采用轮对空心轴驱动方式，单级斜齿轮传动，主要由牵引电机、空心轴装配、连杆盘、齿轮箱装配、连杆、连杆关节、传动销等组成（见图4）。电机产生的驱动力经牵引齿轮的啮合后以扭矩的方式经从动齿轮输出端输出，并先后经过齿侧连杆盘、空心轴装配、非齿侧连杆盘后，最终传递到轮对。

图4 驱动装置

电机与齿轮箱组成刚性结构，齿轮箱与电机之间是通过定子外壳法兰与齿轮箱骨架之间的螺栓进行连接的。空心轴的一端通过连杆盘、6连杆机构及传动销连接在齿轮箱的从动齿轮齿芯上，另一端通过连杆盘、6连杆机构及传动销与所驱动的车轮相连。

电机仅有一个轴承，位于电机的非输出端。输出端的电机轴由安装在齿轮箱内的小齿轮轴上的薄板式联轴器支承。该薄板式联轴器由两个主要部分组成，一部分连接在电机轴上，另一部分安装在小齿轮轴上，这两部分在电机组装到齿轮箱的过程中用螺栓相连接。

电机输出的扭矩通过薄板式联轴器、小齿轮、大齿轮、内空心轴、连杆盘，最后通过传动销传递到车轮，使机车向前或向后运行。

传动连杆盘和传动销之间、传动连杆盘与大齿轮之间都有橡胶关节，提供三向刚度，以适应机车蛇行运动及过曲线时出现的构架和轮对之间的横向和纵向位移及相应的角位移。

牵引电动机为交流异步电动机，功率1 250 k W。

齿轮箱装配由承载式齿轮箱体、主从动齿轮、轴承、薄板联轴器、油盘及各密封机构组成。承载式齿轮箱体为铸铁结构，材料为EN－GJS－400－18－LT，承担轴承载荷及驱动装置的结构载荷，齿轮箱体上设置有轴承润滑集油槽和回油孔。齿轮采用斜齿轮，传动比3.769；主动齿轮采用两端轴承支承，轴承为2个圆柱滚子轴承加1个球轴承，圆柱滚子轴承承载齿轮的径向载荷，四点球轴承承载主动齿轮的轴向力。从动齿轮轴承为2个圆柱滚子轴承（NU和NUP型），对称分布，轴承载荷通过轴承座作用在齿轮箱上，NU圆柱滚子轴承承载从动齿轮受到的径向力，NUP圆柱滚子轴承在承载径向力的同时还承载从动齿轮受到的轴向力。轴承采用齿轮油润滑，即齿轮转动带来的润滑油通过齿轮箱内集油槽流入轴承内部，给予润滑；薄板联轴器端齿侧和主动齿轮连接，另一侧与牵引电机转子连接传递电机输出的扭矩。油盘采用铸铝结构。

空心轴为锥形套结构，靠齿轮箱端焊有三爪连杆盘，另一端采用端齿连接的三爪连杆盘，以利于拆装。

3.6 电机悬挂装置

为保证交流传动快速机车具有良好的动力学性能，较低的轮轨动作用力，特别是小的横向振动和优良的横向动力学性能，电机布置采用2位、3位对置，电机悬挂采用刚性架悬方案。电机和齿轮箱刚性连接成为一个整体单元，通过非电机端的一个前吊点和电机端的两个后吊点吊挂在构架上，吊挂点采用橡胶关节。电机支承座和齿轮箱之间通过支架和调整螺套连接。同时，电机悬挂装置设有安全托，防止在电机发生脱落时直接掉在轨道上引起安全事故。

如图5所示，电机悬挂装置由电机支承座1、电机支承座2、橡胶关节、支架、安全托等组成。

3.7 牵引装置

如图6所示，牵引装置采用低位倾斜单牵引杆，以减少轴重转移，新轮起动状态下的黏着利用率为94.45%。牵引装置布置在机车中心侧，与转向架相连侧牵引梁布置在转向架后端。牵引杆通过螺栓分别与两端的牵引座筒相连，便于拆卸，牵引座筒通过一个弹性圈套在牵引销上，在牵引杆的两端安装了安全钢丝绳。作为转向架关键部件之一，牵引杆应能承受转向架质量乘30 m/s2的纵向载荷而不发生永久变形，承受转向架质量乘50 m/s2的纵向载荷而不发生损坏。通过用有限元对螺栓和牵引杆进行强度计算，结果表明强度完全满足使用要求。

图5 电机悬挂装置

图6 牵引装置

3.8 附属装置

附属装置主要包括撒沙装置、扫石器、轮缘润滑装置、转向架配管、车梯、轴温监测装置等。

每个转向架对应布置4个沙箱，沙箱安装在车体上。

轮缘润滑采用HB－2型轮缘润滑装置，喷头安装在1位、6位轮对上，在机车通过曲线时给机车导向轮进行喷脂，油脂喷射到轮缘根部并随机车动轮转动将油脂传递到钢轨内侧。

4 机车动力学计算及试验

4.1 仿真模型建立

采用SIMPACK动力学软件建立2C0轴式机车模型，由车体、2个构架、6个牵引电动机和6个轮对组成，考虑了轨枕的弹性。为了更好地比较驱动装置刚性对置与弹性对置两种不同方案机车的动力学性能，分别建立了刚性对置和弹性对置两个模型。刚性对置架悬机车模型共35个刚体，总计136个自由度。驱动装置具有6个自由度，驱动装置与构架通过3点连接，其中铰接点具有3向平动和转动刚度与阻尼。弹性对置架悬机车模型在刚性对置模型基础上，每个驱动装置增加了2根吊杆，共47个刚体，总计160个自由度。

采用JM3磨耗型踏面与60 kg/m钢轨匹配的轮轨接触几何关系，线路条件：轨道不平顺采用美国AAR4、AAR5级线路和德国高干扰线路（既有线路）。

4.2 计算结果

机车动力学的性能主要由机车稳定性、直线运行性能和曲线通过性能来评价。

非线性稳定性计算时，非线性稳定性计算截取一段长度为50 m的AAR4级不平顺时域谱作为激扰，机车以一定速度通过不平顺后，在无不平顺直道上继续运行到300 m时，考察各刚体位移的收敛和发散情况来判断其稳定性。

图7是机车在惰行工况时，不同速度下轮对横向位移极限环振幅曲线。刚性对置机车非线性临界速度为320 km/h。弹性对置机车非线性临界速度大于400 km/h。

图7 机车非线性临界速度计算结果

机车以80～200 km/h速度，在由德国高干扰功率谱密度转换成的时域不平顺和秦沈线路实测不平顺直线上运行时，在速度180 km/h以下，刚性对置机车平稳性指标和加速度都处于优良等级，端轴脱轨系数和轮重减载率指标远远小于规定的极限值，机车的最大轮轴横向力都小于极限值，说明机车具有良好的平稳性和安全性。

分别按照TB/T 2360－93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》选取R300 m曲线，GB 50090－99《铁路线路设计规范》选取R400 m曲线，《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》选取R800 m和R1 600 m曲线，秦沈线选取R600 m和R4 000 m典型曲线为计算工况。结果表明机车可以安全通过大、中、小半径曲线，各动力学指标小于相关动力学要求的极限值。

4.3 试验

2012年8月10日至13日，首台机车在郑州铁路局管内新焦线、太焦线及京广线进行了动力学和动应力试验。其中8月10日和11日在新乡—晋城北间进行R300 m曲线和侧向通过道岔试验，8月12日在新乡—安阳间进行直线和直向通过道岔试验，8月13日在临颖－许昌间进行176 km/h直线运行试验。结果表明，机车的横向和垂向平稳性指标、脱轨系数、轮轴横向力、轮重减载率、车体的横向和垂向振动加速度均满足设计要求。

5 结束语

该转向架为大功率交流传动快速、客运电力机车用3轴转向架，其先进性体现在技术先进，性能优良，低磨耗，高效能，清洁环保等特征；具有较高的可靠性，其可靠性体现在具有良好的动力学性能和较高的强度性能等特征；较高的使用寿命，易于制造和检修，体现在良好的工艺性，适于批量生产等特征。与直流电传动机车比较，全寿命周期成本大大降低。

［1］ 孙竹生，鲍维千.内燃机车总体及走行部［M］.北京：中国铁道出版社，1995.

［2］ 王伯铭.高速动车组总体及转向架［M］.成都：西南交通大学出版社，2008.

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［5］ 孙永鹏，罗华军，廖志伟，易兴利.高速3轴转向架技术方案的研究［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31（2）：1-4，31.

Bogie for Six Axles AC Drive High-speed Passenger Electric Locomotive

LI Chuanlong，QU Tianwei，GAO Zhentian，WANG Yaochao
（Technology Development Department，CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Dalian 116022 Liaoning，China）

This paper presents the main technical and structure characteristics of the bogie for six axles AC drive high-speed passenger electric locomotive of type HXD3D with the maximum velocity of 160 km/h，and summarizes the structure and characteristics of its main parts，such as frame，primary suspension，wheel set，secondary suspension，brake rigging，drive device，motor suspension，traction rod and auxiliary device etc.

passenger electric locomotive；locomotive bogie；technical characteristics；structure design；characteristic

U266.1.331

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.03

1008－7842（2014）03－0010－04

8—）男，高级工程师（

2013－12－13）