適用于中亞鐵路的機車轉(zhuǎn)向架設(shè)計

張鴻濤

(南車集團公司資陽機車有限公司 機車研發(fā)部,四川資陽641301)

進入21世紀后,中亞地區(qū)隨著石油、天然氣等能源以及有色金屬礦產(chǎn)資源的大量開采,上述地區(qū)國家的經(jīng)濟也迅速攀升。鐵路貨運作為主要運輸方式,貨運能力出現(xiàn)嚴重不足,迫切要求提升。

中亞國家現(xiàn)有機車多為上世紀中下葉前蘇聯(lián)生產(chǎn)的機車,備件缺乏,而且由于技術(shù)人員的大量流失,所以機車維護能力較差。這些國家鐵路線路狀況也普遍較差,軌道橫向和垂向扭曲嚴重,存在很大的隱患。

近年來中亞國家大量引進中國制造的機車,截止到2009年6月僅資陽機車有限公司就向上述地區(qū)的國家出口包括客運、貨運、調(diào)車3種車型的內(nèi)燃機車超過了100臺,成功完成了適用中亞鐵路的機車型譜。

1 設(shè)計思路

上世紀通過歐亞大陸橋建設(shè),中國鐵路在阿拉山口與中亞國家的鐵路實現(xiàn)了連接,但中國軌距為 1 435 mm,而中亞國家鐵路軌距為1 520 mm,因此中亞鐵路機車需滿足以下4個原則:(1)通用性;(2)最小的改動量;(3)成熟可靠的部件;(4)經(jīng)濟的過軌方式。

客運、貨運、調(diào)車3種車型的轉(zhuǎn)向架設(shè)計理念是主要部件通用,根據(jù)運用需要進行特性配置。為此我們選取自己的成熟產(chǎn)品DF8B機車轉(zhuǎn)向架為客、貨運機車設(shè)計原型;選取GKD3B機車為調(diào)車設(shè)計原型,按中亞地區(qū)國家鐵路的運用習(xí)慣要求,將原方案中的單元制動器改為與DF4B機車相同的帶閘瓦調(diào)節(jié)機構(gòu)的桿系制動裝置,同時根據(jù)運用速度對一系懸掛參數(shù)進行重新選取,并根據(jù)機車不同的功率等級選取相應(yīng)的牽引電動機。以下著重說明與原型車不同之處,以及根據(jù)DF4B、DF8B機車在運用中出現(xiàn)的問題后而采取的改進措施。

轉(zhuǎn)向架采用C0-C0軸式,轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成

轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 構(gòu)架

結(jié)構(gòu)形式為目字形,只是根據(jù)軌距變化,構(gòu)架側(cè)梁中心距由2 050 mm改為2 135 mm,相應(yīng)橫梁需加長85 mm。各梁仍為箱型結(jié)構(gòu),為避免焊接應(yīng)力集中,在設(shè)計中將梁內(nèi)部筋板形狀進行優(yōu)化設(shè)計,同時側(cè)梁下蓋板采用整板結(jié)構(gòu),將與橫梁下蓋板連接的筋板取消,避免產(chǎn)生交叉焊縫。鑒于中亞地區(qū)國家的線路狀況很差,軌道橫向和垂向扭曲嚴重,為保證構(gòu)架具有足夠的強度裕量,鋼板采用Q345C,同時要求側(cè)梁和橫梁的主要焊縫采取超探檢查,確保焊接質(zhì)量。

2.2 輪對軸箱

輪對由車軸、從動齒輪、輪芯和輪箍組成,車輪踏面形狀按用戶推薦形式制造。牽引齒輪采用25°壓力角結(jié)構(gòu),同時根據(jù)承載情況確定齒向修形。

為兼顧120 km/h和100 km/h兩種速度的要求,對一系懸掛進行重新設(shè)計,將彈簧靜撓度由95 mm改為122 mm,彈簧采用大、中、小3圈組合的結(jié)構(gòu)方式,彈簧材質(zhì)采用60Si2CrVAT。軸箱體材質(zhì)采用C級鋼。材料的具體性能如表1所示。

2.3 旁承裝置

旁承采用橡膠堆旁承結(jié)構(gòu)。為衰減機車的橫向振動和抑制蛇行運動,布置有橫向油壓減振器。客、貨運機車的橡膠堆與橫向減振器位置與DF8B機車一致,調(diào)車機車的橡膠堆位置與GKD3B機車一致,以滿足利用現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架運輸?shù)男枰?/p>

表1 材料的機械性能

2.4 牽引裝置

由于側(cè)梁中心距增加85 mm,因此將兩個拐臂分別減少42.5 mm,連接桿長度相應(yīng)增加85 mm,牽引桿與國內(nèi)現(xiàn)車保持一致,采用此方案使得新設(shè)計的機車與現(xiàn)有供國內(nèi)機車轉(zhuǎn)向架的接口一致,有利于新設(shè)計的機車車體在國內(nèi)線路上運輸。

2.5 電動機懸掛裝置

電動機懸掛裝置采用鼻式彈性懸掛,滑動抱軸承結(jié)構(gòu);客運機車采用ZD109C牽引電動機,貨運機車采用ZQDR-410牽引電動機。兩種轉(zhuǎn)向架齒輪罩的主體結(jié)構(gòu)相同,僅是由于安裝位置的變化需設(shè)置相應(yīng)的安裝座,齒輪為飛濺式潤滑,采用8K電力機車牽引齒輪油。

2.6 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動應(yīng)用戶要求采用帶閘瓦間隙調(diào)節(jié)器的單側(cè)制動,每個轉(zhuǎn)向架由6個制動缸獨立帶動各自的桿系及閘瓦,結(jié)構(gòu)型式同DF4B型機車。

3 分析及試驗

3.1 動力學(xué)分析

轉(zhuǎn)向架物理模型由西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室進行動力學(xué)計算,結(jié)果分析如下。

(1)臨界速度

客貨運機車的非線性臨界速度為150 km/h,滿足設(shè)計要求;

(2)垂向平穩(wěn)性指標

在4級線路上的垂向平穩(wěn)性指標良好,在5級線路上的垂向平穩(wěn)性指標,當(dāng)運行速度為70 km/h以下時為優(yōu)良,80～100 km/h時為良好,110、120 km/h時為合格;

(3)橫向平穩(wěn)性指標

在4級線路上能達到良好標準,在5級線路上達到優(yōu)良標準。機車在4、5級線路上的橫向輪軌動作用力的統(tǒng)計最大值均未超過極限值。

(4)曲線通過

客貨運機車能以5 km/h的速度安全通過80 m半徑曲線的光滑軌道,能以小于50 km/h的速度安全通過具有4級線路不平順的300 m半徑曲線,能以小于57 km/h的速度安全通過具有5級線路不平順的300 m半徑曲線。

3.2 動力學(xué)性能試驗

為驗證機車的各項性能指標,在西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室的6軸滾動振動試驗臺對客運機車進行了為期1個月的動力學(xué)性能試驗,試驗結(jié)果表明:

(1)機車具有良好的運行平穩(wěn)性能,平穩(wěn)性指標小于3.10,達到良好級。

(2)機車具有良好的穩(wěn)定性,在一系垂向減振全部失效后,機車在90 km/h加激擾后出現(xiàn)失穩(wěn),但停止激擾后,失穩(wěn)很快消失。二系橫向減振器全部失效后,機車橫向運動特性變差,但在120 km/h范圍內(nèi)運行時未出現(xiàn)蛇行運動。

(3)機車主動帶功試驗時,軸箱溫度最高為66℃。

4 結(jié)束語

首批出口土庫曼斯坦的客運機車到機務(wù)段后,我們深入展開了對用戶的培訓(xùn),我方售后服務(wù)人員也積極對機車進行維護,機車運用狀態(tài)一直保持良好。

[1] 西南交通大學(xué)機車車輛研究所,資陽機車廠.出口土庫曼斯坦客貨運機車的動力學(xué)分析[R].成都:西南交通大學(xué),2005.

[2] 西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室.土庫曼6軸內(nèi)燃機車滾動振動試驗臺研究報告[R].成都:西南交通大學(xué),2005.

[3] 孫竹生.內(nèi)燃機車總體及走行部[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

[4] 戚墅堰機車車輛工廠.東風(fēng)8B型內(nèi)燃機車[M].北京:中國鐵道出版社,1999.