新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架的技術(shù)創(chuàng)新

□ 高 文 □ 楊勇軍 □ 王化清

中車戚墅堰機車有限公司 江蘇常州 213011

1 準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架發(fā)展典型問題

我國自行研發(fā)的電機架懸客運機車轉(zhuǎn)向架,在六次旅客列車大提速中發(fā)揮了無可替代的作用。但是,當機車速度超過200 km/h后,某些傳統(tǒng)技術(shù)顯現(xiàn)出滯后于時代發(fā)展的問題，典型問題有兩個。

第一,隨著內(nèi)燃機車速度的提升,對動力學(xué)性能的要求越來越高,如何在現(xiàn)有架懸轉(zhuǎn)向架技術(shù)的基礎(chǔ)上,進一步提升機車的各種動力學(xué)性能,需要理論和試驗驗證。當前客運機車轉(zhuǎn)向架電機懸掛大多采用剛性架懸形式,即使有采用橡膠關(guān)節(jié)的個別案例,彈性作用也微乎其微,不能從根本上釋放電機及其懸掛系統(tǒng)的簧間質(zhì)量。

第二,踏面制動已無法滿足較大初速度制動能力的需求,隨著最高速度的不斷提升,為了獲得較短的單機制動距離,制動時閘瓦對車輪產(chǎn)生的高負荷會引發(fā)車輪踏面剝離等一系列問題。

隨著鐵路機車裝備技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的新技術(shù)應(yīng)用于新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架。

2 驅(qū)動裝置彈性懸掛的應(yīng)用

客運機車均采用牽引電機架懸,一般通過三個懸掛點將驅(qū)動裝置剛性懸掛在構(gòu)架上。筆者介紹的轉(zhuǎn)向架采用彈性架懸,電機與構(gòu)架呈彈性連接。當機車運行時,會產(chǎn)生橫向振動或搖頭振動,振動來自于振動體的質(zhì)量。電機彈性懸掛后,電機質(zhì)量可以通過彈性耦合從轉(zhuǎn)向架的簧間質(zhì)量中釋放部分出來,這有利于改善機車的橫向動力學(xué)性能[1]。

3 盤形制動技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)TB/T 3488—2017標準對客運機車的要求,初速度為160 km/h的單機,其緊急制動距離不得大于1 400 m[2]。然而,踏面制動對車輪產(chǎn)生的熱負荷已經(jīng)使準高速機車無法滿足制動能力的要求,只有采用盤形制動技術(shù)來解決這一問題。常見的盤形制動可以分為輪盤和軸盤兩種形式。通過盤形制動,原先踏面制動在車輪上形成的熱負荷全部轉(zhuǎn)移至制動盤,解放了車輪。

盤形制動優(yōu)于踏面制動,主要表現(xiàn)在兩點。第一,摩擦面積大,且為平面接觸,摩擦條件穩(wěn)定[3]。第二,由獨立的摩擦元件來承擔制動摩擦的功能,若能采用優(yōu)質(zhì)的摩擦元件材質(zhì),則能達到更佳的制動性能,消除原有踏面磨耗的問題。

4 轉(zhuǎn)向架方案概述

新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、軸箱、中間輪對、驅(qū)動裝置、二系懸掛、電機懸掛裝置、牽引裝置、基礎(chǔ)制動裝置、附件等組成[4],結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)向架為A1A軸式,一、三軸電機對置。基礎(chǔ)制動采用輪盤制動方式,構(gòu)架采用箱形梁目字形焊接結(jié)構(gòu),軸箱采用單側(cè)拉桿定位結(jié)構(gòu)[5-6]。二系懸掛由高柔度螺旋圓彈簧和油壓減振器等組成,牽引裝置采用平行四連桿牽引機構(gòu)。另外,轉(zhuǎn)向架設(shè)置掃石器等附屬設(shè)施。轉(zhuǎn)向架基本參數(shù)見表1,下部限界遵從GB 146.1—2020標準中的車限-1B[7]。

表1 轉(zhuǎn)向架基本參數(shù)

▲圖1 新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架基本采用牽引電機剛性架懸的結(jié)構(gòu),筆者介紹的轉(zhuǎn)向架采用了彈性架懸結(jié)構(gòu),驅(qū)動裝置彈性懸掛如圖2所示。電機側(cè)布置有一個球形橡膠關(guān)節(jié),掛在構(gòu)架橫梁上。非電機側(cè)有兩根擺桿,分別布置在長吊臂和齒輪箱上,兩根擺桿的另一端都掛于構(gòu)架端梁上。驅(qū)動裝置承受橫向沖擊時,可以橫向擺動,釋放一部分簧間力。

新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架采用輪盤制動的方式,每個車輪腹板的兩側(cè)各裝有一塊制動盤,與夾鉗制動單元的兩塊閘片形成兩對摩擦副。每個轉(zhuǎn)向架有兩套夾鉗制動單元,具有停放制動功能。傳統(tǒng)內(nèi)燃機車的輪徑為1 050 mm,在該輪徑下同時布置驅(qū)動裝置傳動銷和制動盤的可行性非常低。對此,選擇突破1 050 mm輪徑,采用1 250 mm輪徑來實現(xiàn)內(nèi)燃機車的輪裝制動盤集成,由此做到了車輪、制動盤在準高速客運內(nèi)燃機車和電力機車上的統(tǒng)一。

▲圖2 驅(qū)動裝置彈性懸掛

5 動力學(xué)性能驗證

為了研究采用驅(qū)動裝置彈性懸掛的新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架在動力學(xué)性能方面是否有提升,分別對采用彈性懸掛和剛性懸掛的機車進行動力學(xué)仿真計算對比分析,除驅(qū)動懸掛參數(shù)不同外,其余整車參數(shù)均相同。

平穩(wěn)性計算一般在時域中進行,線路不平順等級為美國AAR5級,包括左、右軌橫向不平順和垂向不平順。橫向平穩(wěn)性指標的評定等級按照TB/T 2360—1993標準執(zhí)行,見表2[8]。

表2 橫向平穩(wěn)性指標評定等級

新一代準高速客運內(nèi)燃機車仿真運行時,驅(qū)動裝置采用剛性懸掛和彈性懸掛,前司機室橫向平穩(wěn)性指標計算結(jié)果如圖3所示。采用美國AAR5級線路仿真運行,驅(qū)動裝置剛性懸掛和彈性懸掛橫向平衡性指標對比見表3。

表3 橫向平穩(wěn)性指標仿真對比

計算結(jié)果顯示,驅(qū)動裝置剛性懸掛,司機室橫向平穩(wěn)性指標達到優(yōu)良的速度范圍為60 km/h～170 km/h,達到良好的速度范圍為170 km/h～200 km/h,而驅(qū)動裝置彈性懸掛,司機室橫向平穩(wěn)性指標在60 km/h～200 km/h的速度范圍內(nèi)均為優(yōu)良。通過數(shù)據(jù)可以清楚地看出,驅(qū)動裝置彈性懸掛橫向平穩(wěn)性指標明顯優(yōu)于驅(qū)動裝置剛性懸掛,尤其在180 km/h以上的高速區(qū)段,前司機室橫向平穩(wěn)性指標的提升量達到12.90%,后司機室橫向平穩(wěn)性指標的提升量達到19.53%。

為了進一步驗證動力學(xué)仿真計算的結(jié)論,2017年3月20日至23日,在北京鐵路局管內(nèi)線路進行了驅(qū)動裝置彈性懸掛客運內(nèi)燃機車的動力學(xué)試驗,并將試驗結(jié)果與以往驅(qū)動裝置剛性懸掛客運內(nèi)燃機車進行對比。

▲圖3 前司機室橫向平穩(wěn)性指標

車體平穩(wěn)性指標W基于實測車體的橫向振動加速度通過計算得到。測試用的振動加速度傳感器布置在司機室內(nèi)司機座椅附近的地板上。

(1)

式中:Ai為頻率為fi的振動加速度幅值,cm/s2;fi為第i級振動頻率,Hz;F(fi)為頻率加權(quán)函數(shù)。

(2)

兩種懸掛方式的橫向平穩(wěn)性指標試驗數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 橫向平穩(wěn)性指標試驗對比

動力學(xué)試驗數(shù)據(jù)表明,驅(qū)動裝置彈性懸掛的橫向平穩(wěn)性指標明顯優(yōu)于剛性懸掛。由此可見,無論是仿真計算還是性能試驗,均驗證了驅(qū)動裝置彈性懸掛對動力學(xué)性能有較大提升,尤其是在高速時,具有優(yōu)秀的動力學(xué)表現(xiàn),這也充分說明了驅(qū)動裝置彈性懸掛在準高速客運內(nèi)燃機車上應(yīng)用的必要性。

6 制動能力驗證

針對踏面制動與輪盤制動進行制動能力對比。以軸質(zhì)量為23 t的六軸客運內(nèi)燃機車為例,每個車輪均配備一套制動單元,制動缸壓力為450 kPa。采用踏面制動時,閘瓦材料為粉末冶金,輪瓦間的摩擦因數(shù)為0.28。采用輪盤制動時,制動盤和閘片的材質(zhì)分別為鑄鋼、末冶金[9],由于另設(shè)制動盤,摩擦因數(shù)可達0.32。經(jīng)計算,初速度為160 km/h采取緊急制動時,踏面制動和輪盤制動的單機緊急制動距離分別為1 517 m、1 214 m。在制動黏著不打滑的前提下,輪盤制動的制動距離遠小于踏面制動。

2017年5月19日,在北京環(huán)鐵線進行了輪盤制動客運內(nèi)燃機車的緊急制動線路試驗。經(jīng)試驗,初速度為160 km/h的客運內(nèi)燃機車,緊急制動的實測距離為1 258.6 m。以往相同軸質(zhì)量的踏面制動客運內(nèi)燃機車,在初速度為160 km/h的情況下緊急制動的實測距離為1 506 m。

由計算和試驗結(jié)果可見,在相同軸質(zhì)量、相同初速度的情況下,輪盤制動的制動能力優(yōu)于踏面制動,并且避免了緊急制動時對車輪產(chǎn)生的較高熱負荷,有利于延長車輪的使用壽命。由此可見,準高速客運內(nèi)燃機車采用輪盤制動的方式是非常有必要的。

7 結(jié)束語

通過新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架的研制及試驗,在準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架上成功應(yīng)用了新技術(shù),如輪盤制動、驅(qū)動裝置彈性懸掛等。將計算、仿真及試驗相結(jié)合,從理論出發(fā),用試驗驗證,證明了轉(zhuǎn)向架新技術(shù)的成功應(yīng)用,并達到了提升性能的目的。通過研制,形成了新一代準高速客運內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架的產(chǎn)品平臺,為將來準高速、高速客運機車轉(zhuǎn)向架的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[10]。