牽引電機軸承布置對齒輪傳動裝置的影響

王立杰,封全保,張志和

(1 鐵道部運輸局 裝備部,北京100844;2 中國北車集團 大同電力機車有限責任公司,山西大同037038)

牽引電機是鐵道車輛驅動裝置的關鍵部件,牽引電機以齒輪傳動方式將輸出的轉矩傳遞給輪對,與牽引電機連接的齒輪為主動齒輪。齒輪傳動裝置是鐵道車輛動力轉向架的主要部件之一,基本組件包括牽引電機、傳動齒輪、齒輪箱以及傳動齒輪與輪對之間的連接等。

牽引電機轉子軸承布置方式會改變轉子(主動齒輪)軸和軸承的受力情況,進而對齒輪傳動裝置系統的結構、可靠性、可維護性和使用壽命有很大的影響。

早期采用直流牽引電機的齒輪傳動裝置,如韶山系列機車采用主動齒輪在電機轉子軸上懸臂布置結構,由于牽引電機功率較小和轉速較低,實踐證明懸臂結構也能夠滿足這些機車的使用。隨著交流傳動技術的發展和鐵路高速重載的發展需求,由于交流電機具有功率大轉速高的特點,使得交流牽引電機被更多地運用于新型鐵道車輛上。大功率的交流牽引電機若采用懸臂結構,因輸出端的軸承載荷較大而需選用較大尺寸的軸承,但尺寸大的軸承高速性能較差,不能充分發揮交流電機的主要優點;同時由于采用懸臂結構的電機轉子軸在較大的彎曲載荷作用下產生較大的彎曲彈性變形,影響到傳動齒輪的正確嚙合;為解決懸臂結構存在的上述問題,出現了主動齒輪在電機轉子軸上簡支布置結構,如和諧2電力機車齒輪傳動裝置,該齒輪傳動裝置結構也已成功地應用于和諧2系列的HXD2B和HXD2C機車。

1 結構

和諧2型電力機車齒輪傳動裝置結構如圖1所示,主、從動齒輪分別安裝在電機轉子軸和車軸上,兩齒輪安裝軸的中心距由電機殼體和安裝在車軸上的抱軸箱體用螺栓固定連接后確定。

和諧2型機車齒輪傳動裝置中的主動齒輪與牽引電機轉子軸采用過盈連接,主動齒輪位于電機轉子支承的兩組軸承之間,主動齒輪在電機轉子軸上的安裝屬于簡支結構安裝,具體結構如圖2,主動齒輪側的軸承安裝在電機端蓋上。

和諧2型機車齒輪傳動裝置中的從動齒輪與車軸采用過盈連接,具體安裝結構如圖3。

圖1 和諧2型電力機車齒輪傳動裝置結構圖

圖2 主動齒輪在電機軸上的安裝

圖3 從動齒輪在車軸上的安裝

2 技術參數

牽引電機機械特性相關數據如下:

傳動齒輪數據如下:

3 結構特點

如圖1所示,和諧2型電力機車齒輪傳動裝置中的主動齒輪布置在電機轉子兩個軸承之間,主動齒輪是安裝在一個簡支結構上。

主動齒輪在電機轉子軸上的簡支結構布置是和諧2型電力機車齒輪傳動裝置的主要結構特點。主動齒輪在上述兩種不同的安裝結構下,在傳遞動力時對電機轉子軸承作用力和轉子軸變形的作用效果不同。為合理地對兩種結構的作用效果進行比較,設定以上兩種結構中主動齒輪及其安裝軸向位置、非驅動端軸承及其安裝軸向位置和傳遞功率完全一樣。

牽引電機轉子軸承與主動齒輪位置關系如圖4、圖5所示。

圖4 懸臂結構電機轉子支承示意圖

圖5 簡支結構電機轉子支承示意圖

3.1 對軸承作用力的影響

假定在某線路其中一個運行工況:牽引電機當量平均扭矩為Ceq=7 600 N?m。

軸承受力情況:在Ceq=7 600 N?m時,作用在轉子軸上的徑向力F=88 kN;轉子質量1 000 kg,按重心位置重力由兩軸承共同承擔,軸承受力情況列入表1。

對表1的結果比較可知,兩種結構軸承的受力有較大的差異。采用簡支結構時,與懸臂結構的軸承受力相比,軸承A作用力降低約28%,軸承B作用力降低約25%。

表1 軸承受力情況

通過對表1數據分析可以得出結論:采用和諧2型電力機車齒輪傳動裝置結構,可以降低對軸承的作用力。

3.2 對電機轉子軸變形的影響

在傳遞動力時,兩種支承結構的電機轉子軸彈性變形情況如圖6、圖7所示。

圖6 懸臂結構電機轉子軸彈性變形

圖7 簡支結構電機轉子軸彈性變形

圖6、圖7反映了電機啟動時轉子軸在啟動轉矩作用下的彎曲變形,懸臂結構的最大變形位于轉子軸末端,最大變形量為0.175 mm。簡支結構的最大變形位于主動齒輪左端,處于兩軸承安裝位之間,最大變形量為0.085 mm。

電機轉子軸的變形,反映出對傳動齒輪齒向修形量的要求。在齒輪傳動過程中,安裝主動齒輪的電機轉子軸、安裝大齒輪的車軸或其他部件都會有相對位移或彈性變形。為保證輪齒的正確嚙合,在齒輪設計時必須對齒輪參數和齒形(包括齒廓修形與齒向修形)進行優化設計,綜合考慮各工況時的變形,對輪齒合理修形,但僅能對一種主要工況進行修形設計,很難保證每個工況牽引齒輪嚙合完全理想,電機轉子軸較大的變形給牽引齒輪的設計和制造帶來了很大的困難。

通過對圖6、圖7對比,采用和諧2型電力機車齒輪傳動裝置結構,由于轉子軸彎曲變形量減少約50%,有利于主動齒輪的設計和制造,能夠保證每個工況牽引齒輪嚙合更趨于合理。

4 結束語

主動齒輪在電機轉子軸上的簡支布置是和諧2型電力機車齒輪傳動裝置的主要結構特點,是一種使作用力影響更為合理的結構,能夠降低電機轉子端軸承作用力約25%,有利于高轉速性能軸承的選用;同時轉子軸彎曲變形降低約50%,有利于主動齒輪的設計和制造。

主動齒輪在電機轉子軸上的簡支布置更適宜于大功率牽引電機的使用。

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