適用于中亞鐵路的機車轉向架設計

張鴻濤

(南車集團公司資陽機車有限公司 機車研發部,四川資陽641301)

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

中亞國家現有機車多為上世紀中下葉前蘇聯生產的機車,備件缺乏,而且由于技術人員的大量流失,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的國家出口包括客運、貨運、調車3種車型的內燃機車超過了100臺,成功完成了適用中亞鐵路的機車型譜。

1 設計思路

上世紀通過歐亞大陸橋建設,中國鐵路在阿拉山口與中亞國家的鐵路實現了連接,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)經濟的過軌方式。

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

轉向架采用C0-C0軸式,轉向架的構成,如圖1所示。

圖1 轉向架的構成

轉向架主要技術參數

2 結構設計

2.1 構架

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

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°壓力角結構,同時根據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圈組合的結構方式,彈簧材質采用60Si2CrVAT。軸箱體材質采用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構。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,調車機車的橡膠堆位置與GKD3B機車一致,以滿足利用現有轉向架運輸的需要。

表1 材料的機械性能

2.4 牽引裝置

由于側梁中心距增加85 mm,因此將兩個拐臂分別減少42.5 mm,連接桿長度相應增加85 mm,牽引桿與國內現車保持一致,采用此方案使得新設計的機車與現有供國內機車轉向架的接口一致,有利于新設計的機車車體在國內線路上運輸。

2.5 電動機懸掛裝置

電動機懸掛裝置采用鼻式彈性懸掛,滑動抱軸承結構;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。兩種轉向架齒輪罩的主體結構相同,僅是由于安裝位置的變化需設置相應的安裝座,齒輪為飛濺式潤滑,采用8K電力機車牽引齒輪油。

2.6 基礎制動裝置

基礎制動應用戶要求采用帶閘瓦間隙調節器的單側制動,每個轉向架由6個制動缸獨立帶動各自的桿系及閘瓦,結構型式同DF4B型機車。

3 分析及試驗

3.1 動力學分析

轉向架物理模型由西南交通大學牽引動力國家重點實驗室進行動力學計算,結果分析如下。

(1)臨界速度

客貨運機車的非線性臨界速度為150 km/h,滿足設計要求;

(2)垂向平穩性指標

在4級線路上的垂向平穩性指標良好,在5級線路上的垂向平穩性指標,當運行速度為70 km/h以下時為優良,80～100 km/h時為良好,110、120 km/h時為合格;

(3)橫向平穩性指標

在4級線路上能達到良好標準,在5級線路上達到優良標準。機車在4、5級線路上的橫向輪軌動作用力的統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 動力學性能試驗

為驗證機車的各項性能指標,在西南交通大學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個月的動力學性能試驗,試驗結果表明:

(1)機車具有良好的運行平穩性能,平穩性指標小于3.10,達到良好級。

(2)機車具有良好的穩定性,在一系垂向減振全部失效后,機車在90 km/h加激擾后出現失穩,但停止激擾后,失穩很快消失。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范圍內運行時未出現蛇行運動。

(3)機車主動帶功試驗時,軸箱溫度最高為66℃。

4 結束語

首批出口土庫曼斯坦的客運機車到機務段后,我們深入展開了對用戶的培訓,我方售后服務人員也積極對機車進行維護,機車運用狀態一直保持良好。

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

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

[3] 孫竹生.內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8B型內燃機車[M].北京:中國鐵道出版社,1999.