大功率機車轉向架懸掛系統結構及技術特點

李茂春,李冠軍

(中國南車集團 株洲電力機車有限公司,湖南株洲412001)

南車株洲電力機車有限公司先后研制了HXD1、HXD1B和HXD1C 3種大功率交流傳動電力機車車型。其中,HXD1型機車是8軸大功率交流傳動機車,HXD1B型和HXD1C型則是南車株洲電力機車有限公司完全自主研制的6軸大功率交流傳動機車。

在轉向架懸掛系統方面HXD1B和HXD1C很好的繼承并發展了HXD1型機車的懸掛系統,成功的將一些先進技術從2軸轉向架移植到了3軸轉向架上。本文所指的懸掛系統主要包含一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、電機懸掛裝置及牽引裝置。

以HXD1C型大功率機車的懸掛系統為例,對懸掛系統的結構及其技術特點進行分析。

1 一系懸掛裝置

HXD1C型大功率機車轉向架一系懸掛結構借鑒了高速動力轉向架的懸掛結構(見圖1),采用單軸箱拉桿結構,結構簡單,技術成熟,且在我國已有較廣泛的運用。

圖1 一系懸掛裝置

單軸箱拉桿定位的一系懸掛裝置,縱向剛度主要由軸箱拉桿提供,垂向和橫向剛度主要有一系鋼彈簧提供,其縱橫向剛度相對獨立。由于橫向剛度基本由一系鋼彈簧提供,為達到預定橫向剛度,一系鋼彈簧有效圈數一般較少,且簧圈中徑較大。簧圈中徑的增大導致彈簧工作應力也較大,這對一系鋼彈簧提出了較高的要求,不過現在的彈簧材料和制造工藝能使彈簧滿足要求,因此這種結構得以廣泛應用。

單軸箱拉桿結構解決了一系縱、橫向剛度匹配難的問題,保證機車的動力學性能。這種定位方式結構簡單、獨立性強、維修方便、無磨耗且調整方便,符合我國乃至當今世界交流傳動電力機車一系懸掛裝置的發展方向。

在大功率機車轉向架的研制中,一系懸掛裝置曾探討第2方案,即三角形軸箱拉桿定位方案。如圖2所示,三角形軸箱拉桿一角安裝在軸箱上,另兩角安裝在構架拉桿座上,3個安裝點均安裝有橡膠關節。

該方案主要特點是垂向剛度主要由一系鋼彈簧提供,縱向剛度主要由軸箱拉桿提供,橫向剛度則由一系鋼彈簧和軸箱拉桿共同提供。通過調整軸箱拉桿橡膠關節的徑向剛度可調整軸箱定位的橫向剛度和縱向剛度。采用三角形軸箱拉桿,使得一系橫向和縱向剛度可方便的調整,且一系鋼彈簧垂向剛度的選擇也可以擺脫整車對橫向剛度要求的限制,從而滿足不同線路條件和用戶對機車性能及參數的要求。

該方案在西門子公司機車上有廣泛運用,但在國內尚未有運用案例。目前我們對該方案的原理和實現方式研究不夠深入,為了提高可靠性在HXD1C型機車上我們最終選擇了單軸箱拉桿結構形式。

2 二系懸掛裝置

HXD1C機車二系懸掛裝置由加橡膠墊的高圓彈簧和各向減振器組成,如圖3所示,構架每側設置3組高圓彈簧,二系垂向減振器對稱布置在構架兩側,二系橫向減振器斜對稱布置在構架兩端。

圖2 三角形軸箱拉桿方案

圖3 二系懸掛裝置

一般轉向架的橫向減振器布置在構架中間的兩側,由于力臂較小,無法產生足夠的抗蛇行回轉阻力矩,因而一般都會另外加裝抗蛇行減振器。HXD1C機車沒有采用傳統的橫向減振器加抗蛇行減振器結構,而是將橫向減振器呈斜對稱布置在構架端梁上,橫向減振器一方面起到吸收和衰減橫向振動的作用,另一方面形成一個較大的回轉阻力矩,抑制轉向架相對車體之間的回轉運動,起到抗蛇行減振器的作用。

這種布置方式有以下優點:(1)減少了部件的種類和數量;(2)減振器的布置不再受二系彈簧周圍區域的結構和空間限制,尤其是3軸轉向架;(3)改善了二系橫向減振器的可接近性,便于組裝和維護。

這種布置方式對于二系橫向減振器的要求相當高,由于減振器安裝在端部,而且是3軸轉向架,其行程需要非常大。HXD1C型二系橫向減振器行程為 510 mm,而SS9機車抗蛇行減振器的行程為235 mm,其行程是原抗蛇行減振器的兩倍多,這對于油壓減振器在機車上的運用提出了新的要求和新的課題。

3 牽引裝置

HXD1C機車轉向架牽引裝置如圖4所示,采用推挽式雙桿低位牽引方式。牽引桿1水平布置,一端與構架牽引橫梁相連,另一端通過兩根擺桿吊掛于構架端梁,同時,這一端還通過銷關節與牽引桿2相連,牽引桿3的另一端與車體相連。

目前,我國貨運電力機車正在向高速、重載的方向發展,而重載貨運電力機車對機車的起動和制動黏著力利用率提出了更高的要求。

影響黏著力利用的因素有牽引裝置結構型式、牽引裝置布置方式、懸掛系統剛度、轉向架軸距、車鉤中心距軌面高度以及轉向架中心距等。而其中牽引裝置結構型式和牽引裝置布置方式是影響黏著力利用率的主要因素。

為了比較各結構型式牽引裝置對機車黏著力利用率的影響,對推挽式單牽引桿、雙牽引桿以及平拉桿(類似SS9機車牽引裝置結構型式)牽引裝置在采用不同布置方式情況下的黏著力利用率進行了計算,結果見表1。

從表1可以得到如下結論:(1)推挽式單、雙桿低位牽引裝置采用中置比端置的最低黏著質量利用率高;(2)相同布置方式下,推挽式雙牽引桿方案比單牽引桿方案的最低黏著質量利用率高;(3)平拉桿方案的最低黏著質量利用率比單牽引桿和雙牽引桿都低。

受設備布置影響,牽引裝置采用中置方案的車體長度比端置要長700 mm,且車體結構相對復雜。因此,最終將牽引方式鎖定在牽引裝置端置的兩個方案上(推挽式單桿低位牽引和推挽式雙桿低位牽引),表2為兩個方案的對比結果。

表1 黏著質量利用率計算

表2 兩種牽引方案優缺點的比較

圖4 牽引裝置

圖5 電機懸掛裝置1

圖6 電機懸掛裝置2

從總體看,兩種牽引方式均能滿足使用要求,推挽式雙桿低位牽引的優點在于結構穩定且黏著力利用率高,缺點在于其結構復雜且成本相對較高。HXD1C交流傳動電力機車是重載貨運機車,在設計中需重點考慮提高機車黏著質量利用率和牽引裝置可靠性,因此HXD1C型電力機車轉向架選用了推挽式雙桿低位牽引裝置,并采用了端部布置方式。

4 電機懸掛

HXD1C機車轉向架牽引電機采用抱軸懸掛方式,如圖5所示,一端通過滾動軸承支承在輪對車軸上,另一端通過吊桿彈性懸掛于構架橫梁。在構架與牽引電機之間裝有安全托(如圖6),它通過一個銷軸固定于構架上,防止吊桿失效時電機掉落,從而保證機車運行的安全。

電機吊桿是電機懸掛裝置的關鍵部件之一,吊桿的擺動使電機能適應輪對與構架之間的相對運動,兩端安裝的橡膠關節可緩沖牽引電機在運行中的振動。橡膠關節在此承受較大的來自電機的垂向靜、動載以及橫向沖擊載荷,因此在橡膠關節的結構設計中必須注意校核其在垂向載荷和橫向沖擊載荷(尤其是2、5位)綜合作用下的應力水平。

5 結束語

HXD1C機車轉向架懸掛系統采用了HXD1機車的很多先進結構,如單軸箱拉桿定位、高撓圓彈簧加橡膠墊、構架端部布置橫向減振器、推挽式雙桿低位牽引以及電機彈性吊掛等,成熟的技術和先進的結構保證了大功率機車的運行安全和動力學性能。HXD1C型大功率機車的大量使用和安全可靠運行,充分驗證了大功率機車轉向架懸掛系統的優越性能。

[1] 傅成俊.牽引裝置的結構型式和布置對重載貨運電力機車黏著質量利用率的影響[J].電力機車與城軌車輛,2009,32(2),1-4.