曲 松，曲天威，徐成帥，王嘉文

（中車大連機車車輛有限公司 機車開發(fā)部，遼寧大連 116022）

運用速度為160 km/h 及以上速度等級的機車轉向架，從驅動裝置結構和制動方式上一般具備2個條件：一是采用牽引電機架懸，降低簧下重量，滿足高速運行的要求；二是采用盤式制動，降低車輪損傷，優(yōu)化制動性能，對于機車來說通常為輪盤制動。目前國內(nèi)運用的機車基本采用輪對空心軸六連桿驅動的全懸掛結構，為了避免六連桿傳動機構與制動盤發(fā)生運動干涉，采用1 250 mm 輪 徑 的 輪 盤 制 動 方 式，如HXD1D型、HXD3D型 機車等。該驅動結構成熟可靠穩(wěn)定，但缺點是1 250 mm 輪徑的車輪重量較大［1-2］。為了適應機車發(fā)展趨勢，滿足輕量化的需求，通過減小輪徑來降低重量是最直接有效的措施，而應用小齒輪空心軸驅動裝置可以減小輪徑［3-4］。該結構在國內(nèi)尚沒有成熟運用，但國外已有應用案例，如西門子Vectron平臺系列機車、福斯羅（Vossloh）公司Class 68 機車等。此外，該驅動裝置基本應用于兩軸轉向架，在三軸轉向架上應用極為少見。文中將主要介紹一種采用小齒輪空心軸驅動裝置的三軸轉向架技術方案。

1 轉向架設計目標

小齒輪空心軸驅動裝置的三軸轉向架設計基于某集成式雙源機車的運用需求，技術方案綜合考慮了機車的性能指標、運用工況以及驅動裝置的結構特點，尤其在驅動裝置聯(lián)軸器的選型上，對三軸轉向架中間輪對橫動量較大的特點進行針對性設計。轉向架主要設計目標見表1。

表1 轉向架設計目標

2 驅動裝置

轉向架技術方案研究的關鍵在于驅動裝置的設計。小齒輪空心軸驅動裝置主要特點是將主動齒輪設計為空心結構，采用膜片式撓性聯(lián)軸器穿過主動齒輪布置在齒輪兩側，可以最大限度減少聯(lián)軸器的橫向占用空間，以提供大功率牽引電機的安裝空間。驅動裝置主要包含傳動齒輪箱、聯(lián)軸器和牽引電機，總體結構布置如圖1 所示。齒輪箱采用抱軸的方式，牽引電機采用架懸式降低簧下重量，聯(lián)軸器通常采用膜片式撓性聯(lián)軸器結構，可以傳遞較大扭矩并具備一定的位移補償能力，使得牽引電機和齒輪箱之間運動解耦。

小齒輪空心軸驅動裝置主要有以下特點：

（1）結構簡單緊湊，適用于兩軸或三軸轉向架。

（2）驅動裝置重量輕，減重效果明顯。

（3）主動齒輪采用空心結構，增大了主動齒輪的直徑，因此傳動比通常相對較小，牽引電機扭矩相應增大。

2.1 齒輪箱裝配

齒輪箱裝配如圖2 所示，由承載式齒輪箱體、主從動齒輪、軸承及各密封機構組成。

圖2 齒輪箱截面圖

為有更好的減重效果，齒輪箱體采用材質為AlSi7Mg0.3 的高強度鑄造鋁合金，符合TJ/JW 064—2015《交流傳動機車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術條件》標準的要求，齒輪箱體采用抱軸處斜面分箱的兩體式設計，上下箱體通過螺栓連接，箱體上設置有軸承潤滑集油槽和回油孔。

傳動齒輪采用斜齒輪設計，為減小橫向力，齒輪螺旋角設置為6°。綜合考慮限界、中心距、牽引力等邊界條件傳動比設置為3.65。

主動齒輪兩側采用NU+NUP 圓柱滾子軸承的布置方式，軸向力由帶有擋邊的NUP 軸承承載，從動齒輪軸承為一對圓錐滾子軸承對稱分布。經(jīng)計算，各軸承基本額定壽命均大于300 萬km。軸承通過齒輪箱內(nèi)的潤滑油飛濺潤滑，并通過齒輪箱內(nèi)集油槽流入軸承內(nèi)部。軸承處設置了多道迷宮密封結構，防止齒輪油外泄。

2.2 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器的結構布置對驅動裝置結構以及輪對橫動量有較大影響，是小齒輪空心軸驅動裝置和轉向架設計的關鍵。當前國內(nèi)外對于該種驅動裝置聯(lián)軸器的選型均為雙側膜片結構，如圖3 所示。該種結構運用成熟且可免維護，但變位能力有限，一般橫向位移不超過±10 mm，通?？梢詽M足兩軸或三軸轉向架端軸輪對的運用需求。對于三軸轉向架的中間輪對，必須有較大自由位移量，否則在通過曲線時易產(chǎn)生非正常的磨耗。因此，雙側膜片聯(lián)軸器并不完全適合于三軸轉向架的中間輪對。

圖3 雙側膜片式聯(lián)軸器

為了提高聯(lián)軸器的軸向變位能力，中間輪對聯(lián)軸器可采用一側膜片+一側鼓形齒聯(lián)軸節(jié)的形式，通過鼓形齒較大的軸向變位能力滿足聯(lián)軸器總體軸向變位需求。鼓型齒聯(lián)軸節(jié)在高速動車組轉向架上有廣泛應用，主要由帶有外齒的軸套和帶有內(nèi)齒的套筒組成，其齒頂和齒面都是圓弧形的，可以實現(xiàn)橫動和偏轉，實現(xiàn)較大的位移補償，而且結構緊湊、傳遞運動準確、可靠等特點［5］。如圖4 所示，將鼓形齒布置于齒輪箱和電機之間，主要有以下優(yōu)勢：

圖4 雙側膜片聯(lián)軸器與膜片+鼓形齒聯(lián)軸器結構

（1）減少聯(lián)軸器橫向空間尺寸，與雙側膜片聯(lián)軸器保持接口一致，提高了驅動裝置結構的一致性。

（2）鼓形齒結構避開車輪側，增加維護和拆卸空間，不拆卸車輪便可進行檢修維護，提高了驅動裝置的可維護性。

聯(lián)軸器的主要技術參數(shù)見表2。雙側聯(lián)軸器和一側膜片+一側鼓形齒聯(lián)軸節(jié)的聯(lián)軸器除位移補償能力外，其他參數(shù)基本一致，均能滿足設計要求。

表2 聯(lián)軸器主要技術參數(shù)

2.3 牽引電機

牽引電機采用六極交流異步電機，相較于四級電機，具有重量輕、功率密度高和效率高的特點［6］，經(jīng)設計牽引電機約為1.8 t。采用強迫通風冷卻，轉子采用雙端脂潤滑軸承支撐形式。電機輸出軸采用1∶50 錐度過盈配合與聯(lián)軸器的電機側連接，實現(xiàn)扭矩的傳遞。

2.4 電機懸掛裝置

電機懸掛采用剛性架懸方式。牽引電機通過三點支撐于構架，驅動裝置通過非電機端的1 個前吊點和電機端的2 個后吊點吊掛在構架上，前、后吊掛點均采用橡膠關節(jié)，優(yōu)化受力狀態(tài)。齒輪箱一端抱在車軸上，另一端通過吊桿支撐于構架，吊桿兩端均采用橡膠關節(jié)。同時設置了電機安全托，防止出現(xiàn)異常脫落時電機直接掉在軌道上引起安全事故。

3 轉向架電機布置形式

轉向架牽引電機布置形式常用的是內(nèi)順置或端軸對置的方式，主要影響因素有轉向架的重量分配、機車軸重轉移和動力學性能等。采用小齒輪空心軸驅動裝置轉向架的電機布置形式通過上述主要因素進行確定。

3.1 重量分配

小齒輪空心軸驅動結構特點是，由于聯(lián)軸器的運動空間導致牽引電機偏向于一側，驅動裝置總體的重心偏向電機的一側，當牽引電機重量越大時重心偏離越嚴重。采用端軸對置的方式通?？梢暂^好解決重量偏差問題。本次設計牽引電機重量小于1.8 t，經(jīng)核算驅動重心偏離引起的轉向架左右輪重偏差見表3。計算結果表明2 種方案都能滿足重量偏差小于1.5%的要求。

表3 驅動重心偏離引起的轉向架左右輪重差

3.2 軸重轉移

電機布置方式影響機車啟動時各軸的軸重轉移和黏著利用率。在轉向架軸重22 t、啟動牽引力53.33 kN 的設計參數(shù)下計算2 種布置方案的軸重轉移和黏著利用率情況見表4，計算結果表明電機順置時黏著利用率為93.12%，明顯優(yōu)于電機對置時的86.31%。需要指出的是，在設計參數(shù)下電機對置時的啟動黏著系數(shù)為0.28，通常能夠滿足牽引要求。

表4 軸重轉移和黏著利用率計算結果

3.3 動力學性能

針對電機順置和電機對置2 種轉向架方案進行動力學性能分析，重點對比轉向架的臨界速度、平穩(wěn)性和曲線通過情況。

3.3.1 臨界速度

轉向架非線性臨界速度計算結果如圖5 所示。從計算結果看出，電機順置非線性臨界速度均為295 km/h，電機對置時非線性臨界速度均為360 km/h，2 種方案均滿足設計要求。

圖5 輪對橫向振動極限環(huán)幅值

3.3.2 平穩(wěn)性

以AAR6 級線路譜作為輸入，計算機車最大運行速度200 km/h 下的垂向平穩(wěn)性指標和橫向平穩(wěn)性指標，計算結果如圖6、圖7 所示。從計算結果看出，運行速度200 km/h 以內(nèi)平穩(wěn)性指標最大值均小于2.75，指標優(yōu)秀。2 種布置方式對平穩(wěn)性的影響并不顯著。

圖6 垂向平穩(wěn)性指標

圖7 橫向平穩(wěn)性指標

3.3.3 曲線通過

考察機車動態(tài)通過R300 m 曲線時的各項指標情況。第一輪對的輪軸橫向力、輪軸減載率和脫軌系數(shù)如圖8、圖9 所示。從計算結果來看，2 種方案輪軸橫向力和輪重減載率基本相當，電機對置時略大，脫軌系數(shù)相當，各項指標均滿足要求。

圖8 R300 m 曲線動態(tài)通過時輪軸橫向力

圖9 R300 m 曲線動態(tài)通過時輪重減載率和脫軌系數(shù)

4 轉向架主要結構

根據(jù)上述分析，考慮電機順置在軸重轉移上有一定優(yōu)勢，而其他因素基本相當?shù)那闆r，轉向架方案確定采用電機順置的布置方式，轉向架結構如圖10 所示。轉向架主要結構除驅動裝置和電機懸掛裝置外，還包括構架、一系懸掛、輪對裝配、二系懸掛、牽引桿、基礎制動、電機懸掛等［7］。該轉向架的主要技術特點：

圖10 轉向架裝配

（1）驅動裝置采用小齒輪空心軸結構、端軸為雙側膜片式聯(lián)軸器，中間軸為膜片+鼓形齒式聯(lián)軸器，車輪直徑為1 050 mm。

（2）牽引電機采用剛性架懸、內(nèi)順置布置方式。

（3）軸箱軸承采用免維護的雙列圓柱滾子軸承單元。

（4）一系懸掛裝置采用單拉桿軸箱定位+螺旋彈簧結構，一、三軸安裝垂向減振器。二系懸掛裝置采用高圓彈簧+橡膠墊結構，輔以各向減振器。

（5）牽引裝置采用低位推挽式牽引桿。

（6）基礎制動采用輪盤制動方式。

4.1 構架

構架采用“目”字形結構，各梁均為薄板焊接箱形梁結構。各梁連接處采用圓弧過渡，減少應力集中。通過優(yōu)化筋板布置，使構架在傳遞各向力時受力更加合理。焊縫符合EN 15085 焊接標準要求。構架在焊接完成后，進行整體退火處理和整體機加工。按TB/T 3549.1-2019 標準對構架結構進行了靜強度和疲勞強度分析，計算結果表明構架結構設計合理、變形協(xié)調。

4.2 一系懸掛裝置

一系懸掛裝置采用了較大剛度的鋼彈簧、單側水平軸箱拉桿和垂向減振器結構，軸箱彈簧按照EN 13906 進行校核，整個一系懸掛的合成剛度及阻尼力滿足機車的動力學要求。軸箱軸承采用圓柱滾子自密封軸承，其中端軸橫動量為0.3~0.7 mm，中間軸橫動量為19~20 mm。在每軸的軸端根據(jù)需要安裝接地裝置、空氣防滑齒輪及速度傳感器。

4.3 輪對裝配

車輪為整體輾鋼車輪，輪徑為1 050 mm，材料采用ER9 級車輪鋼，踏面為JM3 型。車軸采用EA4T 材質。車輪與車軸采用注油壓裝配合，滿足TB/T 1463-2015 標準要求。

4.4 二系懸掛裝置

每轉向架通過6 個高圓彈簧（左右側各3 個）與車體連接，彈簧安置在構架側梁上。每轉向架布置2 個橫向減振器、2 個垂向減振器以及2 個抗蛇行減振器。二系懸掛裝置具有較小的橫向剛度，以保證機車具備良好的平穩(wěn)性。

4.5 基礎制動裝置

基礎制動采用輪盤制動，每個車輪安裝一套獨立的三點吊掛式制動夾鉗單元，制動倍率為2.4，采用鑄鋼盤及粉末冶金閘片。每個轉向架設置2 個帶彈簧停車的制動夾鉗單元，以滿足在30‰坡道停車的要求，且為了進一步平衡驅動裝置重心引起轉向架左右側重量的偏差，帶彈停的制動單元均布置在齒輪箱側。

4.6 牽引裝置

牽引裝置結構借鑒了HXD3C型電力機車，采用低位推挽式結構。構架端連接在一二軸之間的構架橫梁下方，通過一軸牽引電機下方連接車體牽引座上。為保證車體和轉向架之間的相對運動，牽引桿兩端的連接部位均采用了橡膠關節(jié)，保證了轉向架和車體之間各個方向力的傳遞。牽引裝置具有足夠的強度，計算表明，滿足承受轉向架質量乘30 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生永久變形、轉向架質量乘50 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生損壞的要求。

4.7 附屬裝置

附屬裝置主要包括撒沙管 、掃石器、輪緣潤滑裝置、轉向架配管、軸溫監(jiān)測、進風道等。

5 結 論

通過采用小齒輪空心軸驅動裝置減小輪徑后，每條輪對驅動裝置總重約為4.6 t，相較于采用1 250 mm 輪徑、輪對空心軸驅動結構的HXD3D型輪對驅動裝置的6.8 t，每條輪驅減重約2.2 t，輕量化效果非常明顯。轉向架減輕可為機車增加電池或其他設備提供空間，使得機車進一步優(yōu)化性能成為可能。因此，采用小齒輪空心軸驅動裝置可以成為下一代高速機車轉向架的主要選擇。