單節(jié)8軸機車用B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的研制

謝 青，張紅軍，計 強，江太宏

（1 南車資陽機車有限公司，四川資陽641301；2 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

綜合技術(shù)研究

單節(jié)8軸機車用B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的研制

謝 青1，張紅軍2，計 強1，江太宏1

（1 南車資陽機車有限公司，四川資陽641301；2 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

文章詳細介紹了單節(jié)8軸機車選擇B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的原因、B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的總體布置、主要參數(shù)以及主要部件組成等；裝用B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的機車具有很好的牽引性能、動力學性能和經(jīng)濟性。B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的研制成功填補了國內(nèi)機車無4軸轉(zhuǎn)向架的空白，有助于開發(fā)滿足國內(nèi)線路和重載運輸要求的8軸準軌機車。

B0＋B0；4軸轉(zhuǎn)向架；機車；總體布置；性能參數(shù)；強度；運用

2010年7月南車資陽機車有限公司通過北京北大方正進出口有限公司簽訂商務合同，向烏茲別克斯坦新安格連火電廠提供2臺內(nèi)燃機車，技術(shù)規(guī)范中非常重要的一條是機車為單節(jié)8軸內(nèi)燃機車，由車體、電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、柴油機以及轉(zhuǎn)向架等組成。根據(jù)機車技術(shù)規(guī)范，機車電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和柴油機基本上可以借用比較成熟的同功率6軸交直流機車，但由于國內(nèi)以前從未研發(fā)和制造過單節(jié)8軸機車，所以轉(zhuǎn)向架是該機車的最大技術(shù)難點。

1 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式選擇

8軸機車軸式基本可分為3類：D0－D0、B0－B0－B0－B0（即4B0）和B0＋B0－B0＋B0軸式。D0－D0軸式由于轉(zhuǎn)向架固定軸距長，曲線通過性能差，實際上這種軸式已被棄用。B0－B0－B0－B0軸式其實是B0－B0－B0（即3B0）軸式的延伸，由于2臺中間轉(zhuǎn)向架與車體的橫向連接必須設置足夠大的自由橫動量，以便機車過曲線。而當機車過曲線時，機車上部裝置所產(chǎn)生的未平衡離心力只有通過兩端轉(zhuǎn)向架承受，致使兩端轉(zhuǎn)向架的輪緣力較大，輪緣磨耗大，脫軌系數(shù)大。還有兩臺中間轉(zhuǎn)向架受的約束小，容易失穩(wěn)。所以B0－B0－B0－B0軸式由于存在上述缺點也不被采用。

對于B0＋B0－B0＋B0軸式，由于轉(zhuǎn)向架采用B0＋B0軸式，4軸轉(zhuǎn)向架由2臺2軸轉(zhuǎn)向架通過中間構(gòu)架相連而成，中間構(gòu)架與車體連接。當機車過曲線時，機車上部裝置所產(chǎn)生的未平衡離心力通過4臺B0轉(zhuǎn)向架承擔，反映在輪軌上則是橫向力較B0－B0－B0－B0軸式明顯減小，減少了輪緣和軌側(cè)磨耗，具有2軸轉(zhuǎn)向架易于通過曲線的優(yōu)點。因此，單節(jié)8軸機車4軸轉(zhuǎn)向架采用B0＋B0軸式。

2 轉(zhuǎn)向架總體布置

轉(zhuǎn)向架采用B0＋B0軸式，在2個B0轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體之間設置一個中間構(gòu)架，構(gòu)架與中間構(gòu)架之間由橡膠堆旁承連接，中間構(gòu)架與車體之間設置高圓螺旋彈簧。

一系懸掛采用螺旋鋼圓彈簧＋垂向液壓減振器結(jié)構(gòu)，輪對采用轉(zhuǎn)臂式軸箱定位，車輪為分體輪；二系懸掛為橡膠堆旁承；三系懸掛為高圓螺旋彈簧＋垂向、橫向液壓減振器結(jié)構(gòu)；牽引裝置采用斜牽引桿低位牽引；電機懸掛方式為滑動抱軸結(jié)構(gòu)；每轉(zhuǎn)向架設置8個單元制動器，其中4個單元制動器帶儲能制動功能；在機車第1、4、5、8軸設置沙箱，由于結(jié)構(gòu)限制，沙箱設置在車體上。

B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架總體布置見圖1。

3 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架總體布置

4 轉(zhuǎn)向架主要部件

4.1 構(gòu)架

構(gòu)架（圖2）采用鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，由兩根側(cè)梁、一根牽引端梁和一根中間橫梁構(gòu)成，鋼板材料為Q345C。為了給二系橡膠堆留出安裝空間，構(gòu)架的側(cè)梁下凹208 mm，以降低整個機車的高度。構(gòu)架上設置了牽引座、拉桿座、制動器安裝板、橫向止檔座等部件。

4.2 輪對軸箱

輪對軸箱（圖3）由輪芯、輪箍、車軸、帶轉(zhuǎn)臂的鑄鋼軸箱體、軸承單元、軸箱彈簧、垂向液壓減振器等零部件組成。輪對采用轉(zhuǎn)臂式定位，一系懸掛由兩個螺旋鋼圓簧、一個橡膠關(guān)節(jié)及一個垂向液壓減振器組成。螺旋鋼彈簧安裝在軸箱兩側(cè)，垂向液壓減振器安裝在大圓彈簧側(cè)。

4.3 二、三系懸掛裝置

二系懸掛裝置采用橡膠堆連接，位于構(gòu)架與中間構(gòu)架之間，在每個構(gòu)架側(cè)梁中部布置兩個橡膠堆，另外，在構(gòu)架上設置了中間構(gòu)架的搖頭止檔。

圖2 構(gòu)架

圖3 輪對軸箱

圖4 二、三系懸掛裝置

三系懸掛裝置由高圓螺旋彈簧、垂向及橫向液壓減振器組成。中間構(gòu)架側(cè)梁中部每側(cè)布置4組高圓螺旋彈簧，彈簧的上、下各布置了一個環(huán)形橡膠墊，側(cè)梁中央各布置一個垂向和一個橫向液壓減振器。車體與中間構(gòu)架之間還布置了橫向、垂向和搖頭止擋。二、三系懸掛裝置見圖4。

4.4 牽引裝置

牽引裝置（圖5）采用推挽式牽引桿，與構(gòu)架牽引端梁相連的一端裝有橡膠關(guān)節(jié)，在有效傳遞牽引力和制動力的同時能較好地適應車體與構(gòu)架之間的相對運動。牽引桿的另一端通過關(guān)節(jié)軸承與連接在車體上的牽引座相連。

圖5 牽引裝置

4.5 基礎制動裝置

基礎制動裝置是機車整個制動系統(tǒng)的主要組成部分，是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，滿足機車緊急制動距離要求和確保機車行車安全的重要裝置。它采用踏面單側(cè)制動方式，每臺轉(zhuǎn)向架有8套，其中在第1、4位輪對裝有DZD－1D踏面制動單元（圖6），第2、3位輪對裝有帶儲能制動裝置的DZD－2D踏面制動單元（圖7）。

4.6 電機懸掛裝置

電機懸掛裝置（圖8）主要由主動齒輪、牽引電動機、橡膠墊、風道裝配、齒輪罩裝配等部件組成。牽引電機的懸掛方式為滑動抱軸結(jié)構(gòu)。電機與構(gòu)架的連接采用橡膠墊加壓板的方式，橡膠墊有衰減電機垂向、橫向振動的作用。

4.7 沙箱總裝配

沙箱（圖9）用于儲存沙子。當機車緊急制動，車輪空轉(zhuǎn)或滑行時通過控制系統(tǒng)作用使沙箱內(nèi)的沙子撒在鋼軌表面，防止車輪空轉(zhuǎn)或滑行擦傷踏面。沙箱布置在車架上，由沙箱體、撒沙閥和撒沙管等組成。

4.8 附件裝配

附件裝配（圖10）主要由掃石器裝配和干式輪緣潤滑裝置組成。

4.9 中間構(gòu)架

中間構(gòu)架（圖11）呈H形，為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由左、右側(cè)梁、兩根橫梁組成，中間構(gòu)架的側(cè)梁上布置了彈簧座、橫向止檔座、搖頭止檔座等部件。

圖6 DZD－1D踏面制動單元

圖7 DZD－2D踏面制動單元

5 機車的動力學性能計算

機車上部與傳統(tǒng)6軸調(diào)車機車布置基本相同，最大的區(qū)別就是機車走行部采用了兩臺B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架。

根據(jù)機車和轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，委托西南交通大學牽引動力國家重點實驗室對機車的動力學性能進行了計算分析，計算內(nèi)容主要包括機車的軸重轉(zhuǎn)移，線性與非線性臨界速度，剛體固有振動頻率分析，垂向、橫向平穩(wěn)性，準靜態(tài)和動態(tài)曲線通過性能計算分析。特別是跟機車曲線通過性能有關(guān)的第1輪對的脫軌系數(shù)和第1輪對導向車輪輪緣磨耗因子計算結(jié)果如下：

圖8 電機懸掛裝置

圖9 沙箱總裝配

機車以不同速度通過具有5級線路不平順、120 mm外軌超高的400～1 000 m半徑圓曲線時，第1輪對脫軌系數(shù)的均值見表1，第1輪對脫軌系數(shù)的統(tǒng)計最大值見表2；機車以不同速度通過具有5級線路不平順、120 mm外軌超高的400～1 000 m半徑圓曲線時，第1輪對導向車輪輪緣磨耗因子的均值見表3，第1輪對導向車輪輪緣磨耗因子的統(tǒng)計最大值見表4。

機車動力學性能計算主要結(jié)論如下：

（1）轉(zhuǎn)向架采用斜牽引桿低位牽引，牽引桿與水平面的夾角為7°，名義牽引點距軌面高度為150 mm，黏著利用率為87.8%。

（2）機車的非線性臨界速度達到190 km/h。

（3）機車車體自振頻率：縱向6.77 Hz、橫向0.42 Hz、垂向1.16 Hz、側(cè)滾1.20 Hz、點頭1.12 Hz、搖頭0.57 Hz；構(gòu)架自振頻率：縱向4.65 Hz、橫向3.00 Hz、垂向21.06 Hz、側(cè)滾26.7 Hz、點頭39.50 Hz、搖頭6.04 Hz；中間構(gòu)架自振頻率：縱向23.26 Hz、橫向14.85 Hz、垂向33.03 Hz、側(cè)滾33.59 Hz、點頭33.70 Hz。

（4）在4級線路上，當運行速度小于70 km/h，機車的垂向平穩(wěn)性指標達到優(yōu)良標準，運行速度80 km/h、90 km/h時達到良好標準，運行速度100～120 km/h時達到合格標準；在5級線路上，當運行速度小于100 km/h，機車的垂向平穩(wěn)性指標達到優(yōu)良標準，運行速度100～120 km/h時達到良好標準；在6級線路上，機車的垂向平穩(wěn)性指標，在所有計算速度下均達到優(yōu)良標準。

（5）機車具有優(yōu)良的橫向平穩(wěn)性能，在4、5、6級線路上的橫向平穩(wěn)性指標均達到優(yōu)良標準。

（6）機車具有優(yōu)良的曲線通過性能，導向力和輪對橫向力較低，輪緣磨耗因子較小，相當于裝B0轉(zhuǎn)向架的4軸機車輪緣磨耗水平。

圖10 附件裝配

圖11 中間構(gòu)架

表1 機車通過圓曲線時第1輪對脫軌系數(shù)的均值

表2 機車通過圓曲線時第1輪對的脫軌系數(shù)的統(tǒng)計最大值

表3 機車通過圓曲線時第1輪對導向車輪輪緣磨耗因子的均值 k N·deg

表4 機車通過圓曲線時第1輪對導向車輪輪緣磨耗因子的統(tǒng)計最大值 k N·deg

6 重要承載零部件的強度計算

根據(jù)機車的運用工況，對轉(zhuǎn)向架重要承載零部件進行了強度分析計算。按UIC 615－4《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗》標準中規(guī)定的計算載荷和載荷工況對構(gòu)架和中間構(gòu)架進行了疲勞強度計算；對牽引座、牽引銷、牽引套筒、拉桿、軸箱體等重要承載零部件進行了靜強度計算。計算結(jié)果表明，上述重要零部件的靜強度和疲勞強度滿足設計要求。構(gòu)架和中間構(gòu)架在最大載荷工況下的應力云圖如圖12、圖13所示。

圖12 最大載荷工況構(gòu)架Top面von Mises應力值

由于機車交貨期緊張，同時考慮到構(gòu)架、中間構(gòu)架、牽引座、牽引銷、牽引套筒、拉桿、軸箱體等零部件的理論計算強度具有足夠的安全系數(shù)，因此未再做靜強度和疲勞強度試驗。

圖13 最大載荷工況中間構(gòu)架Top面von Mises應力值

7 結(jié)束語

裝用B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的兩臺單節(jié)8軸機車于2012年1月初到達烏茲別克斯坦塔什干新安格連車站，并交付用戶投入使用。由于機車采用了B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架，機車曲線通過性能非常好，輪緣磨耗非常小，而且與同功率、同軸重的6軸機車相比，機車牽引力提高近三分之一。經(jīng)過18個月的運用驗證，機車目前狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、中間構(gòu)架、牽引座、牽引銷、牽引套筒、拉桿、軸箱體從未發(fā)生屈服變形、裂紋、斷裂等強度不足的質(zhì)量問題，機車具有很好的牽引性能、動力學性能、經(jīng)濟性和可靠性。

隨著中國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，目前鐵路運輸成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，尤其是鐵路貨運能力嚴重不足，而在現(xiàn)有線路條件下，采用單節(jié)8軸機車是有效和經(jīng)濟的選擇。因此，隨著B0＋B04軸轉(zhuǎn)向架的研制成功，填補了國內(nèi)機車無4軸轉(zhuǎn)向架的空白，有利于開發(fā)適應國內(nèi)準軌線路的單節(jié)8軸機車。

［1］ 巴利斯·魯科夫.俄羅斯新型機車的設計和研制［J］.中國鐵路，2007，（1）：67-69.

［2］ 謝 青.面向市場 積極開發(fā)八軸內(nèi)燃機車［Z］.資廠科技，1997.

［3］ 孫竹生，鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部［M］.北京：中國鐵道出版社，1995.

［4］ 西南交通大學機車車輛研究所.國外8軸機車資料匯編［Z］.2006.

Development of B0＋B0Four-axle Bogie for Single Eight-axle Locomotive

XIE Qing1，ZHANG Hongjun2，JI Qiang1，JIANG Taihong1
（1 CSR Ziyang Co.，Ltd.，Ziyang 641301 Sichuan，China；2 Nationgal Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This paper gives a detailed introduction on the reason why a single eight-axle locomotive selects B0＋B0four-axle bogie；the general layout of B0＋B0four-axle bogie，main parameters and main components.The locomotive equipped with B0＋B0four-axle bogie has high tractive performance，dynamics performance and economy.The successful development of B0＋B0four-axle bogie fills the gap that there is no locomotive with four-axle bogie in domestic，and contributes to develop standard-gauge locomotive with eight axles that meets the requirement of domestic railway line and heavy haul traffic.

B0＋B0；four-axle；bogie；locomotive；general layout；performance parameter；strength；application

U260.331

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.01

1008－7842（2014）01－0001－07

?）男，教授級高級工程師（

2013－09－08）