電力機車轉(zhuǎn)向架牽引電機懸掛方式選擇研究

蔡嘉鑫

（國能新朔鐵路有限責(zé)任公司機務(wù)分公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級以及人民生活水平的提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)購物為代表的新型商務(wù)模式興起，家電、農(nóng)副產(chǎn)品、鮮活易腐貨物、精密儀器、醫(yī)療衛(wèi)生用品等高附加值產(chǎn)品的運輸需求迅猛增長。以價值高、批量小、時間緊、個性化為特征的快捷貨物運輸產(chǎn)品具有存儲時間短、小批量、多批次等特點，對運輸?shù)谋憬菪?、時效性、安全性、經(jīng)濟性等要求越來越高。因此提升鐵路貨運速度，開發(fā)我國快速貨運鐵路運輸用機車車輛具有重要的現(xiàn)實意義。

一、牽引電機懸掛方式

通常情況下，對牽引電機設(shè)計師來說，最大的挑戰(zhàn)就是選取適當(dāng)?shù)姆绞綄㈦姍C懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。保持電機軸和輪對車軸間正確的幾何布置，以保證在各種運用條件下，電機軸和車軸之間的傳動效率和傳輸系統(tǒng)的潤滑。電機輸出轉(zhuǎn)矩通過減速齒輪傳輸?shù)杰囕S。從牽引電機到小齒輪的整套傳動裝置被稱為驅(qū)動裝置，牽引電機是驅(qū)動部件?；跔恳姍C和驅(qū)動裝置在轉(zhuǎn)向架上如何安裝，通常有軸懸式牽引電機；軸懸式驅(qū)動。然而，也存在其他類型的牽引電機安裝方式，例如底架安裝牽引電機方式，即牽引電機安裝在車輛底架上，通過柔性驅(qū)動來驅(qū)動一根或者數(shù)根車軸。無齒驅(qū)動方式，即利用輪對車軸作為電機軸，而定子則剛性安裝在車體上。安裝方式并不是很通用，因此，軸懸式牽引電機和軸懸式驅(qū)動這是在轉(zhuǎn)向架上安裝牽引電機最為常用的方式，通常也被稱為軸懸式牽引電機系統(tǒng)。在這種電機布置方式下，牽引電機安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，其電樞軸與車軸平行。電機一端通過安裝在電機懸掛系統(tǒng)中的一對懸掛軸承支持，車軸繞此軸承旋轉(zhuǎn)。電機的另一端通過鼻型結(jié)懸掛在位于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上的支架上。這種類型的電機安裝方式，由于電機幾乎近一半的質(zhì)量被剛性安裝在車軸上，故抵抗沖擊的能力差。但這種安裝方式允許電機座相對于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有足夠的移動空間，以適應(yīng)車軸在軸箱內(nèi)的移動量。因為電機軸一直平行于車軸，這是最簡單、魯棒性最好的傳動方式，即只需采用單級減速直齒圓柱齒輪傳動。這就保證了能夠在最小的可能空間內(nèi)安裝牽引電機，允許最小的齒輪中心距。設(shè)計此種布置方式的轉(zhuǎn)向架時，需要合適地考慮位于橫梁中間的懸掛電機的質(zhì)量。在既有列車中，鐵路大多數(shù)轉(zhuǎn)向架都是按此布置方式設(shè)計的。齒輪中心距是最重要的設(shè)計因素，因為它影響下面一些重要參數(shù)的設(shè)計：齒輪傳動比的最大化；車輪直徑可能的最小化；懸掛軸承處軸頸直徑的最大化。

軸懸式牽引電機系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：由于齒輪中心距最小化，在給定的空間情況下能夠使電機尺寸最大化，可以盡可能地利用空間；相對簡單、可靠，也最為經(jīng)濟；驅(qū)動系統(tǒng)幾何外形與轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置無關(guān)。此種布置方式主要的缺點和不足如下：由于牽引電機支承處缺少彈性自由度，電機會直接承受因軌道不平順導(dǎo)致的車輪踏面處的很大沖擊。設(shè)計電機懸掛單元和電機座時必須考慮它們能承受電機齒輪支反力。同樣，牽引電機軸承和電機懸掛裝置軸承的設(shè)計對于牽引電機的性能至關(guān)重要。直斜齒輪的安裝受電樞軸和車軸之間距離以及兩套軸承間隙的影響，可能存在齒端載荷。為了減小齒端載荷，小齒輪牙型需要特別注意，例如在齒端進行錐化處理。由于采用懸突小齒輪，電樞軸的彎曲會引起電機驅(qū)動端軸承不對中，這就使得驅(qū)動端小齒輪內(nèi)部軌道設(shè)計變得復(fù)雜。為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的不對中，要把驅(qū)動端軸承內(nèi)滾道包覆起來。由于牽引電機簧下質(zhì)量偏大，轉(zhuǎn)向架輪對對軌道產(chǎn)生沖擊載荷，導(dǎo)致線路維護費用提高。

龐巴迪公司和西門子公司供應(yīng)的電力和內(nèi)燃機車牽引電機，在運用幾年后，電機轉(zhuǎn)子銅條開始出現(xiàn)裂紋，特別是在運行過程中出現(xiàn)車輪打滑，情況惡劣，牽引電機都采用鼻式懸掛，龐巴迪公司在調(diào)查轉(zhuǎn)子銅條失效的原因時，對 WAG9 型機車進行了振動和沖擊試驗，以測量牽引電機承受的最大沖擊。此試驗分別采用新、舊大小齒輪，除了測量沖擊和振動外，還進行了各種轉(zhuǎn)子性能比較試驗。試驗記錄了采用新齒輪時轉(zhuǎn)子的沖擊和振動值為30g，但在各速度下，齒輪磨損后，電機承受沖擊加速度非常高(6～10 倍系數(shù))。由磨損齒輪導(dǎo)致的沖擊和振動，記錄加速度值可達300g 分別采用新、舊齒輪時，記錄的電機轉(zhuǎn)子沖擊加速度值。國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034—14 建議測量車軸部位安裝的設(shè)備垂向振動加速度測量值為30g，但是，各機車和電動車組制造商記錄測量的振動和沖擊數(shù)值要遠遠高于IEC的推薦值。剝落使得電機直接暴露于沖擊與振動中，導(dǎo)致軸承保持架產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅條破損、電機軸承固死。這些現(xiàn)象在鼻式懸掛牽引電機中非常突出，齒輪磨損后，電機轉(zhuǎn)子的沖擊會增長數(shù)倍。

軸懸式牽引電機布置方式（即軸懸式牽引電機系統(tǒng)）最根本的不足之處在于，牽引電機和傳輸系統(tǒng)的大部分質(zhì)量（大約60%）為簧下質(zhì)量。由于簧下質(zhì)量大，對軌道的作用力大，這種布置方式不適用于速度160 km／h及以上速度級的機車車輛。對于高速和地鐵來說，為了利用高速電機的優(yōu)勢，所有的機車和動車組制造商都采用牽引電機全懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。在電機軸和車軸之間采用柔性驅(qū)動，以允許轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在一系懸掛變形范圍內(nèi)的相對運動。這種系統(tǒng)被稱為軸懸式驅(qū)動，因為傳動裝置或者說由齒輪、柔性聯(lián)軸節(jié)等組成的驅(qū)動系統(tǒng)懸掛直接懸掛在轉(zhuǎn)向架上。上述形式的懸掛方式又稱為架懸電機或者全懸掛電機布置方式，在這種布置方式中，整個電機質(zhì)量都由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承擔(dān)，而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量又由一系懸掛承擔(dān)。故這種布置方式降低了對軌道的沖擊，由于車軸和電機軸之間采用柔性連接并且電機質(zhì)量由轉(zhuǎn)向架一系懸掛承擔(dān)，由于軌道不平順和惡劣的運用條件車輪空轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的沖擊和振動響應(yīng)，要比軸懸式牽引電機布置方式小得多。對采用軸懸式驅(qū)動的情形，需要對轉(zhuǎn)向架進行特殊設(shè)計。

在牽引電機全懸掛的布置方式下，牽引電機要么掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，要么掛在車體底架上，而不是直接安裝在車軸上。其中，牽引電機小齒輪與齒輪軸通過中間齒輪柔性連接，這與軸懸式布置方式相比，可以大大減小牽引電機對軌道不平順的敏感程度。在印度鐵路上，一些列車的牽引機車以130km/h、150km/h的速度運行沒有發(fā)生電機轉(zhuǎn)子銅條破損的案例。故電機懸掛方式是決定轉(zhuǎn)子壽命的一個重要影響因素，這在世界各地其他鐵路系統(tǒng)中也得到了印證。在過去的數(shù)十年中，基于此種軸懸式驅(qū)動的多種懸掛方式得到了廣泛應(yīng)用，它們擁有毋庸置疑的優(yōu)勢，當(dāng)然也存在其不足之處。

二、牽引電機轉(zhuǎn)速及其安裝方式

電機轉(zhuǎn)速與其外形尺寸之間的基本關(guān)系：電機輸出功率與D2LN成正比。其中：D直徑；L電機長度；N轉(zhuǎn)速。對于給定額定功率的牽引電機，轉(zhuǎn)速越高，尺寸越小，反之亦然。在給定的額定功率下，小電機與尺寸較大的電機相比具有自身優(yōu)勢，例如由于使用了較少銅導(dǎo)線，其損耗也少，只需較小的懸掛布置空間、較低的簧下質(zhì)量等。由于電機較小，牽引電機所采用的軸承尺寸也比較小。通常情況下電機只能采用客戶定制設(shè)計的軸承，這要考慮到它們的特殊運行環(huán)境。由于軸承較小，相應(yīng)地保持架、滾子和內(nèi)圈尺寸也較小。例如，軸懸式牽引電機的轉(zhuǎn)速超過3000r/min，劇烈的沖擊和振動會傳輸?shù)綘恳姍C和軸承部件中，軸承中最薄弱的環(huán)節(jié)是保持架，首當(dāng)其沖成為劇烈沖擊和振動的犧牲品。高轉(zhuǎn)速的軸承保持架有很多疲勞斷裂的實例。印度鐵路公司就有轉(zhuǎn)速超過3000r/min的電機驅(qū)動端軸承失效的例子。曾經(jīng)測試過孟買郊區(qū)電動車組的牽引電機所承受的沖擊和振動最大加速度為35 g。其電機轉(zhuǎn)速為3452r/min，裝用磨耗輪時，運行速度為110km/h，投入運行6 個月之內(nèi)，就發(fā)生了一系列的電機驅(qū)動端軸承抱死事件。電動車組驅(qū)動系統(tǒng)的制造商與軸承制造商一起進行了詳細的調(diào)研。軸承失效的原因是由于軸承保持架過早地產(chǎn)生裂紋以及保持架和滾子的間隙過大（達到1.4mm，設(shè)計值僅為0.7mm）。所采用的軸承型號為NU2228，保持架無鉚接。軸承的所有參數(shù)，例如動態(tài)載荷、靜態(tài)載荷和極限轉(zhuǎn)速等，均在軸承設(shè)計技術(shù)參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)。軸承制造商已針對大沖擊和振動的應(yīng)用環(huán)境定制標(biāo)準(zhǔn)軸承，即去掉一個滾子，強化保持架，但保持架和滾子之間的間隙仍保持1.4mm。軌道不平順產(chǎn)生的沖擊直接傳輸?shù)綘恳姍C，導(dǎo)致軸承保持架產(chǎn)生裂紋。作為補救措施，軸承制造商將保持架與滾子之間的間隙減少到0.7mm，這樣就進一步增強了保持架的強度。有限元分析結(jié)果表明改進措施降低了保持架的應(yīng)力水平，但是沒有標(biāo)準(zhǔn)可通過加速老化試驗驗證有限元計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。印度鐵路對軸承布置所做的改進只能靠運用實際來檢驗。另一方面，由于前述懸掛布置方式的原因，在全懸掛布置方式中，傳遞到電機元件的沖擊和振動幾乎可以忽略，軸承及其零件僅承受很小的機械振動。

三、牽引電機軸承的潤滑

軸承制造商通常通過以下公式來選擇軸承潤滑方式，確定軸承是脂潤滑還是油潤滑。采用脂潤滑，要滿足如下公式:max(Dm·N)≤60×104 式中:Dm 是軸承內(nèi)外半徑的平均值，mm;N 是旋轉(zhuǎn)速度，r/min。軸承內(nèi)徑取決于電機軸外徑，電機軸外徑又由其傳輸?shù)墓β屎娃D(zhuǎn)矩決定，功率越高，電機軸外徑越粗，為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，對于脂潤滑軸承來說，轉(zhuǎn)速必然降低。油潤滑，就是采用齒輪箱油進行潤滑，在大齒輪的幫助下，潤滑油通過旋轉(zhuǎn)被提升，通過飛濺方式對軸承進行潤滑。飛濺的潤滑油會重新流回到齒輪箱。油潤滑時，油位超過最低水平，油才可以被提升，如果齒輪箱泄漏或損壞導(dǎo)致潤滑油不足或者油位低于最低刻度時，齒輪就不能對軸承進行潤滑，會導(dǎo)致軸承抱軸固死。此外，運用過程中，無論何種原因，如果油位低于最小值，軸承潤滑不足，軸承就會產(chǎn)生損傷。各種材料對齒輪箱頻繁地造成損傷，導(dǎo)致潤滑油耗盡或滲漏發(fā)生，最終電機軸承抱死。除泄漏外，工作溫度較高時，齒輪也會磨損，產(chǎn)生磨損顆粒。這些相當(dāng)于研磨材料的有色金屬顆粒進入潤滑油中，當(dāng)與潤滑油同時接觸軸承保持架由黃銅制造時，會磨損保持架上的黃銅。雖然齒輪箱上安裝了吸收磨損顆粒的磁性排油堵，但幾乎不起任何作用。研究表明，潤滑油中鐵的含量越高、銅的含量也越高，這種現(xiàn)象會降低軸承壽命。齒輪要正常工作，齒輪箱油黏度指數(shù)要低，也就是在所有運行溫度范圍內(nèi)，齒輪箱潤滑油黏度應(yīng)處于合理水平，以避免金屬與金屬接觸。一旦確定驅(qū)動端軸承要用齒輪油進行潤滑，那么高黏度的潤滑油是不能用于齒輪箱飛濺潤滑的，這是使用油潤滑來潤滑電機軸承時，需要特別注意的問題。

通常高速列車為減少輪軌作用力，采用架懸式牽引電機最合適;對于低速的電力機車，采用鼻式懸掛比較合適;對于同樣的額定功率，為了獲得較低的重量、較小的尺寸等優(yōu)勢，采用高轉(zhuǎn)速的牽引電機時，需要對安裝全懸掛電機的轉(zhuǎn)向架合理設(shè)計。泄漏和齒輪材料的快速磨損都會導(dǎo)致齒輪油中鐵元素含量增加，因此，電機軸承必須使用脂潤滑。

通常情況下，客運列車運行速度高。為了降低軌道作用力，采用全懸掛牽引電機是合適的。全懸掛電機軸懸式驅(qū)動質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速高。由于采用全懸掛牽引電機，因軌道不平順或者車輪空轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的沖擊力對電機部件的影響是最小的。這也是在所有高速運用條件下，小尺寸元件電機仍能取得成功應(yīng)用的原因。除此之外，在電機和車軸之間采用柔性聯(lián)軸節(jié)也是原因之一。由于轉(zhuǎn)向架留給電機的空間是非常有限的，所以小尺寸的牽引電機是很受歡迎的。

軸懸式牽引電機懸掛方式 下，牽引電機直接暴露于軌道不平順、車輪空轉(zhuǎn)和齒輪磨耗產(chǎn)生的沖擊和振動環(huán)境中，為了獲得滿意的牽引電機性能，其元件必須可靠，當(dāng)然只有大尺寸的電機才可能做到這一點。與全懸掛布置方式相比，由于電機和車軸直接耦合，對牽引電機來說有足夠大的空間可用。牽引電機制造商可以充分利用轉(zhuǎn)向架給電機預(yù)留空間大的優(yōu)勢，設(shè)計低轉(zhuǎn)速的牽引電機，這樣電機元件尺寸可以比較大，從而提高元件的可靠性。正如上文所述，只有大尺寸、高可靠性的電機，才能夠承受劇烈的沖擊和振動。因此，對于軸懸式電機懸掛方式來說，低轉(zhuǎn)速的電機更為合適。可以明顯看出，對于額定功率相同的電機而言，為了獲得諸如質(zhì)量輕、尺寸小等優(yōu)勢，采用高轉(zhuǎn)速牽引電機時，需要對安裝軸懸式驅(qū)動的轉(zhuǎn)向架進行合理設(shè)計。在印度鐵路界機車外，其他所有機車、電動車組等全部采用軸懸式牽引電機懸掛方式。為了充分利用既有列車的殘余壽命，一度想對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向架采用交流牽引電機進行改造。在目前所設(shè)計的轉(zhuǎn)向架上采用軸懸式驅(qū)動布置方式是不可能的，故唯一的選擇仍是軸懸式牽引電機布置方式。采用軸懸式牽引電機布置方式，電機轉(zhuǎn)速低3000r/min，對印度鐵路系統(tǒng)苛刻的運行條件來說是最合適的選擇。由于泄漏和齒輪材料的快速磨損，導(dǎo)致齒輪油中鐵元素含量增加，故一般推薦使用脂潤滑軸承。除了一兩家制造商外，其余制造商都對齒輪箱和驅(qū)動端軸承單獨潤滑，這就給設(shè)計師選擇齒輪箱潤滑油提供了便利，便于做出最適合特定運行狀況的選擇。