新型单轴箱拉杆机车转向架技术平台

2019-05-16杨勇军魏春阳

铁道机车车辆 2019年2期

杨勇军，魏春阳

(中车戚墅堰机车有限公司产品设计部，江苏常州 213011)

机车转向架作为铁路机车的关键部件，其技术水平和结构型式直接决定了机车走行性能的优劣，机车弹簧悬挂系统则对机车动力学性能的好坏有根本性的影响。总结了当前机车常见悬挂系统结构型式和常见轴箱定位结构型式，分析了导框定位结构转向架的特点。

1 常见机车悬挂系统结构型式

现代机车走行部基本上都采用转向架的形式[1]。转向架的任务是承受机车上部重力，将驱动装置的驱动扭矩转化成轮轨牵引力传递给机车，确保机车沿着轨道前进，缓和线路不平顺对机车的冲击，根据机车制动指令产生必要的制动力确保减速或停车等。为实现这些任务，并提供良好的走行性能，铁路机车必须配置弹簧缓冲减振装置来缓和线路不平顺产生的冲击。早期机车只有一系悬挂，如DF型机车，只在转向架和轮对之间布置有弹簧装置。后来，由于机车运行速度的提高，为进一步提高缓冲性能，除在转向架和轮对之间布置有弹簧减振装置以外，还在转向架和车体架之间布置了弹簧减振装置，也称为二系悬挂。DF4、DF8、DF11、HXN5、HXD1等目前国内在用机车基本都是两系悬挂的结构型式。

根据机车结构空间和性能的需要，两系悬挂又可分成“一系软、二系硬”和“一系的硬、二系软”两类，如DF4、DF8、HXN5等属于前者，而DF11、SS9、HXD1等则属于后者。

2 常见机车轴箱定位结构型式

机车行进中，轮对在钢轨上主要以滚动的形式移动，它与转向架之间，需要用活动关节进行连接，确保将轮对相对于转向架进行相对位置的定位、传递钢轨与车轮之间的牵引或制动力、沿着钢轨前进的导向力，并承受机车的质量。这些就是轴箱定位的主要功能。

轴箱定位有两大类，分别是导框式定位和无导框定位。DF、ND5、NJ2、HXN5原型机车采用了导框式定位，如图1所示。其他在役的铁路机车则大都采用了轴箱拉杆形式的无导框式定位结构，图2给出了两种常见无导框定位的轴箱结构(双轴箱拉杆定位和单轴箱拉杆定位)。

1-轴箱体；2-磨耗板；3-构架导框。图1 导框式定位轴箱示例(东风型)

图2 无导框定位轴箱示例

3 导框定位结构转向架的特点

导框定位结构转向架，轴箱与构架之间纵向定位和横向定位由轴箱体与构架导框的互相限位结构实现。与无框定位结构转向架相比，零部件数量相对较少，结构相对简洁；转向架整体高度相对较低，为机车总体布置、尤其是上部结构设计在空间上提供了便利条件。这些是导框式定位结构转向架的优点。

导框定位结构转向架的缺点是，轴箱与构架之间的导向功能及载荷传递，由两者之间的摩擦副实现。而摩擦副的存在，必然导致长期运用过程中的磨损磨耗、进而由于间隙的扩大产生性能上的差异；机车运行过程中，构架相对于轴箱之间的上下沉浮运动和左右横向运动是必然存在的，而相对运动需要克服摩擦副的摩擦阻力，因此，摩擦副摩擦性能的不稳定性将会产生较大的冲击振动，以及非预期的故障。例如，NJ2型机车初期性能试验中表现垂向性能差，据分析认为是由于导框间隙过小导致的构架相对轴箱之间的垂向运动卡滞而造成的。再如，装用导框式转向架的HXN5型机车早期在哈尔滨铁路局运用过程中，非导向车轮出现了踏面凹陷现象，导框定位以及机车单方向行驶是出现这种非导向车轮踏面异常磨耗的主要原因。

4 新型单轴箱拉杆机车转向架技术平台概况

为解决早期HXN5型机车导框定位转向架运用中出现的问题，提出了一种新型单轴箱拉杆机车转向架技术平台，其两侧的弹簧座面很低，从而可以在使用较大挠度的一系弹簧时，仍然实现上弹簧支承面有较低的高度以及轴箱拉杆联接接口，这样在既能获得良好的机车动力学性能的同时，又实现了转向架整体较低的高度。这是该转向架技术平台的显著特点，同时也是该转向架技术平台的创新点，它充分借鉴了导框定位结构转向架整体高度低的优点，同时又克服了导框定位转向架的不足，适用于最高运行速度120 km/h以内的干线货运或调车机车用三轴机车转向架。

5 新型单轴箱拉杆机车转向架主要部件结构形式和特点

5.1 轴箱及一系悬挂

本转向架技术平台采用了如图3所示的新型轴箱，它主要由轴箱体、2个一系弹簧、1根轴箱拉杆、支架、侧挡、减振器、轴承保持座等组成。

该型轴箱典型特征是两侧的弹簧座面很低，实现了具有较大静挠度的同时，上弹簧座与构架的安装面高度较低。另外，该型轴箱因配套使用了预润滑全密封单元轴承，轴箱体的轴承腔设计为开放式的，大大方便了检修时的组装与拆卸，如图4所示，正常工作时，轴承下方设置有轴承保持座，它将轴承限定在开放式轴承腔中；当需要拆卸时，先拆轴承保持座，即可方便地将轴箱体从轴颈轴承上移出。这是该型轴箱的又一显著特点。根据配合轴颈轴承的需要，本平台目前为止开发有两种规格的轴箱体。

1-轴箱；2-一系弹簧；3-轴箱拉杆；4-支架；5-侧挡；6-减振器；7-轴承保持座。图3 轴箱结构示意图

图4 轴承保持座布置

目前为止，本平台为适合国内及出口各种机车产品的不同参数要求，开发了多种规格的一系弹簧。主要参数见表1。

表1 一系弹簧主要参数

轴箱拉杆主体为铸钢件，两端配有橡胶关节。组装时，两装分别通过两根螺栓与轴箱体和构架相连。目前为止，本转向架平台所使用的轴箱拉杆均相同，即只有一种规格。

为限制轴箱相对于构架的横向位移，支架与安装在构架上的侧挡相配合，承担了限位功能。另外，支架上部左右两侧各有一耳形凸起，与构架的L形支架相配合，一方面承担轮对整体起吊的功能，另一方面还承担了垂向限位功能。

5.2 构架

构架采用高强度结构钢焊接形成转向架的骨架，具体结构及尺寸根据转向架整体布置需要设计。其中，根据轴箱拉杆连接的需要，每轴箱对应位置设置有一拉杆座以及上弹簧座安装接口、轴箱侧挡安装接口等；根据牵引装置安装需要，每构架设置有一根牵引梁，其上有与牵引装置相对应的安装接口。此外，构架上设置有制动单元安装接口、电机吊挂接口、二系悬挂接口等。

5.3 轮轴驱动装置

轮轴驱动装置由轮对(车轮-牵引从动齿轮-车轴)、驱动轴承与抱轴箱及密封件、轴颈轴承等构成。轮轴驱动装置是铁路机车的核心关键部件，它直接决定了转向架的可靠性，在很大程度上决定了转向架的技术水平，对转向架的走行性能有重大影响。本平台已开发有适用于1 435 mm和1 676 mm两种轨距的轮轴驱动装置产品，其主要零部件结构形式如下。

(1)驱动轴承选型驱动轴承是轮轴驱动系统的关键部件，直接影响了轮轴驱动装置的可靠性。本技术平台开发有两套驱动轴承方案，其主要规格尺寸和性能参数见表2。

表2 驱动轴承主要参数

(2)轴颈轴承选型

车轴两端的轴颈上压装有两个自润滑全密封式双列圆锥滚子轴承，从而实现轮对与轴箱之间的回转运动。目前为止，该平台开发了两种规格的轴颈轴承，规格尺寸分别为AAR G级(7×12″)和AAR K级(6.5×9″)。

(3)车轮结构形式

车轮根据用户需求，可以采用整体式车轮，也可采用套箍式车轮。车轮直径，根据用户要求确定。本平台目前开发有1 050 mm和1 250 mm两种规格的车轮。

5.4 电机悬挂装置

本平台牵引电动机采用滚动轴承抱轴悬挂方式，其一端通过齿侧和非齿侧的驱动轴承支承在车轴上，另一端通过吊杆悬挂到转向架构架上。根据用户要求，牵引电动机可采用直流电机或交流电机。主动齿轮则根据牵引性能的需要以及结构布置空间，可采用套装或内插过盈压装，或采用与牵引电动机枢轴加工成一起的整体齿轴结构。为保护齿轮副、实现良好润滑，产品配套有用薄板焊接制成的齿轮罩，用作润滑剂容器，并使齿轮副处于相对密封的工作空间中。

5.5 二系悬挂

二系悬挂采用橡胶堆作为主承载件，并配置有横向减振器用于衰减振动。根据机车动力学性能的需要，可能会配置抗蛇行减振器。

5.6 牵引装置

牵引装置采用了中心销结构型式，如图5所示。其中中心销焊装于车架牵引梁上，与牵引梁形成一整体焊接结构。在转向架上，以牵引座为中心，前后两侧各设置有一牵引缓冲垫，并用牵引箱盖压装在构架的牵引梁上，从而形成完整的牵引缓冲结构。在牵引座左右两侧各设置有一横向止挡，在转向架相对于机车车体横向位移超过自由横动量后将起缓冲作用。牵引座的下方，设置有托架，通过螺栓安装在中心销下端面。托架承担了机车连同转向架整车起吊时抬升转向架的功能。在牵引座内孔与中心销之间，设置有尼龙衬套，充分利用尼龙的耐磨特性，极大减缓了中心销与牵引座在相对回转运动和垂向滑动时的磨损磨耗。

1-构架牵引梁；2-牵引缓冲垫；3-横向止挡；4-托架；5-牵引箱盖；6-牵引缓冲垫；7-牵引座；8-尼龙衬套；9-压板；10-中心销。图5 牵引装置结构示意图

5.7 基础制动

基础制动采用了踏面制动结构型式。制动器为具有闸瓦间隙自动调整功能的制动单元。制动单元的具体型号或结构尺寸等，根据转向架整体布置需要设计。

6 技术平台应用

6.1 首款转向架产品

新型单轴箱拉杆机车转向架技术平台下首款转向架产品，是为HXN5型交流传动机车配套研发的转向架，生产了50台机车，全部在沈阳铁路局投入运营。首台机车(HXN5-2001号机车)研制过程中，转向架零部件及装用该型转向架的整车按照相关规定进行了型式试验及线路运用考核试验。运用考核期间转向架未发生故障，状况良好[2]。

线路运用考核表明，与原HXN5型机车相比，双司机室HXN5-2001号机车各轴位轮缘和踏面磨耗趋于均匀，整车轮缘和踏面平均磨耗比原HXN5型机车分别改善了49%和 17%；未出现原HXN5型机车非导向轮中间的凹陷现象，通过曲线时运行平稳，未出现原HXN5型机车早期出现的异常垂向振动现象。