出口阿根廷米軌機車轉向架設計

陳清建， 任時國， 李廉楓， 彭長福， 葉頂康

(中車資陽機車有限公司 研發部， 四川資陽 641300)

2015年中國機械設備工程股份有限公司(CMEC)與阿根廷鐵路運用部門簽訂了100臺交直流傳動內燃機車的采購合同，其中40臺為米軌機車，由中車資陽公司負責研制。合同主要技術要求：裝車功率2 200 kW，最大運行速度為80 km/h，軌距為1 000 mm，軸式為C0-C0軸式，軸重不大于17 t，輪徑為1 016 mm(新輪)。

該米軌機車主要運用于貝爾格拉諾線路，需穿越平原和山區。通過當地線路考察發現，線路質量整體較差，道路養護簡單，檢修基地檢修能力較弱。針對這些不利因素，項目組充分借鑒了中車資陽公司出口越南、泰國等多款米軌機車轉向架技術，并結合當前和諧機車轉向架先進技術進行設計，使阿根廷米軌機車轉向架具有較高的可靠性和先進性。

1 轉向架結構設計

1.1 轉向架總體布置

轉向架主要由構架、輪對軸箱與一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置、電機懸掛裝置、基礎制動裝置和手制動組成，還包括沙箱、輪緣潤滑裝置、轉向架管路和整體起吊裝置等附屬裝置，見圖1。

1-構架；2-輪對軸箱；3-二系懸掛；4-牽引裝置；5-基礎制動裝置；6-附屬裝置；7-電機懸掛裝置；8-一系懸掛。圖1 轉向架結構圖

轉向架主要技術參數:

軸式 C0-C0

軸距/mm 1 700+1 700

軸重/t 17

軌距/mm 1 000

最大運用速度/(km·h-1) 80

車輪直徑/mm 1 016(新輪)/945(全磨耗)

機車通過最小曲線半徑/m 80

牽引方式 中心銷+八字型拉桿

電機懸掛方式 滾動抱軸鼻式懸掛

制動裝置型式 踏面單元制動+手制動

該轉向架具有以下特點：

(1) 各零部件采用了輕量化設計，轉向架總質量低于16 t。

(2) 米軌輪對內側距空間狹小，機車牽引功率需求高，輪對驅動單元設計難度大。

(3) 構架、輪軸主要承載部件均采用了低應力設計，結構受力均勻。

(4) 輪對驅動采用順置排列，轉向架整體結構布置緊湊，軸重轉移量較小[1]。

(5) 輪對驅動采用模塊化設計，同型號的轉向架間能夠互換。

1.2 主要部件設計

(1) 構架設計

轉向架構架采用“目”字型結構，由側梁、牽引橫梁、橫梁和兩根端梁構成，各梁均為高強度低合金鋼板焊接而成的箱型結構，構架上還設有牽引座、拉桿座、制動器安裝座、橫向止擋座和電機吊座等部件，如圖2所示。

構架整體按照輕量化、低應力和應力分布均勻原則進行結構設計。為增強構架的抗扭剛度和整體變形能力，構架橫梁進行了加強設計。為減少構架的應力集中，各梁連接處均采用大圓弧過渡。構架焊接采用EN 15085 標準進行設計，焊接接頭設計、焊縫標注和檢驗等符合EN 15085標準要求。構架組焊后進行了整體去應力退火處理，消除構架焊接過程中產生的殘余應力，之后由數控加工中心進行整體機械加工，以保證轉向架各組成部件的安裝接口精度。

圖2 構架

(2) 輪對與一系懸掛設計

輪對包括整體車輪、車軸和軸箱組成等基本部件，還包括安裝在車軸上的從動齒輪和抱軸箱等部件。一系懸掛采用Z字型雙拉桿軸箱體定位，包括螺旋鋼圓簧、橡膠減振墊和垂向液壓減振器等部件，見圖3。

圖3 輪對軸箱及一系懸掛

車輪為整體輾鋼車輪，采用了國內成熟的車輪鋼材料，踏面為客戶線路成熟結構，與線路具有良好的匹配關系。車軸采用符合北美標準的F級車軸鋼材料，按照EN 13104標準進行設計。軸箱拉桿兩端設有彈性橡膠關節，上、下軸箱拉桿裝配后，共同實現一系傳遞牽引、制動力的功能，且拉桿結構互為安全冗余。螺旋鋼彈簧安裝在軸箱兩側，軸箱彈簧按照EN 10089標準進行設計，彈簧材料為常用的51CrV4，彈簧組底部設置了橡膠減振墊，用于隔離輪對上的高頻振動沖擊傳入簧上設備。軸箱軸承采用了成熟的整體式自密封結構的雙列圓錐滾子軸承，具有安裝拆卸方便，免維護周期長的優點，其L10計算壽命大于300萬km。

(3) 二系懸掛設計

二系懸掛設置在構架與車體之間，由橡膠堆和橫向液壓減振器等組成，見圖4。為改善橡膠堆在較大橫向位移時的應力狀態，采用了橢圓形疊層低應力橡膠堆結構。為衰減車體和構架之間的橫向振動，在構架中部兩側對稱布置了2個橫向液壓減振器。另外，車體與構架之間還布置了合適的橫向止擋。

圖4 二系懸掛

(4) 牽引裝置設計

轉向架采用中心銷+八字型拉桿牽引方式，見圖5。中心銷焊接在車架主梁上，下端通過橡膠關節和銷套與八字型拉桿聯接，拉桿兩端設有彈性橡膠關節，保證牽引裝置具有較大的縱向剛度和較小的橫向剛度，實現機車牽引和制動功能。通過對牽引裝置拉桿和牽引銷進行強度校核計算，在承受轉向架質量×3g(g取9.81 m/s2)沖擊工況下，拉桿和牽引銷計算應力小于材料屈服極限，在承受轉向架質量×5g(g取9.81 m/s2)沖擊工況下，拉桿和牽引銷計算應力小于材料強度極限。

圖5 牽引裝置

(5) 電機懸掛裝置設計

牽引電機采用滾動抱軸+電機半懸掛于構架方式，主動齒輪為懸臂布置，根據機車牽引性能配置了合適的齒輪傳動比。由于米軌軌距小，輪對內側空間狹窄，該轉向架采用了小體積和輕量化的ZD126G型牽引電機，匹配窄軌用抱軸箱、牽引齒輪、抱軸承和齒輪罩等零部件組成，見圖6。經牽引齒輪強度計算，其計算接觸強度安全系數SHmin=1.96，計算彎曲強度安全系數SFmin=2.39，均具有較高可靠度[2]等級要求。抱軸承采用分體式圓錐滾子軸承，安裝于抱軸箱內，使抱軸箱具有抱車軸和橫向定位功能，其L10計算壽命均大于300萬km。因機車牽引功率需求大，車輪內側空間小，各部件的設計難度較大。

圖6 電機懸掛裝置

(6) 基礎制動裝置設計

基礎制動裝置采用單側踏面制動式單元制動器，每轉向架設置6個單元制動器，采用符合TB/T 3196標準的合成閘瓦，與單元制動器匹配后具有良好的制動性能。其中，機車前端轉向架設有手制動裝置，與單元制動器匹配后實現手制動功能，防滑動安全系數S1和防滾動安全系數S2均大于1，能夠滿足機車在20‰坡道上實施停放制動的要求。

2 主要零部件強度分析

2.1 構架強度校核

根據UIC 615-4動力轉向架構架強度試驗標準對構架進行了靜強度和疲勞強度校核計算，計算結果表明，出口阿根廷米軌機車構架在常用工況和極限工況下的應力水平均較低，且分布均勻，尤其橫梁與側梁連接處采用的大圓弧過渡結構對降低應力具有較好效果，如圖7所示，構架的靜強度具有足夠的安全裕量。將各節點等效平均應力及等效應力幅值點導入Goodman圖進行疲勞強度評估，由圖8可見，出口阿根廷米軌機車構架各測點應力幅值均在Goodman母材及焊縫疲勞極限曲線內，分布均勻。

圖7 構架最大載荷工況Top面von Miss應力值

圖8 構架疲勞極限圖

根據UIC 615-4對首個構架進行了靜強度和疲勞強度試驗驗證(見圖9)。試驗結果顯示，構架在各超常載荷工況下測點應力值均未超過材料的許用應力，各模擬運用載荷工況下，構架測點的應力情況符合相應材料疲勞極限圖的要求。按照標準規定的試驗載荷工況對構架進行了1.0×107次疲勞試驗后，進行磁粉探傷未發現任何形式的裂紋。構架靜強度和疲勞強度均滿足設計要求。

圖9 構架強度試驗

2.2 車軸強度校核

車軸作為關鍵承載部件，在機車運行過程中承受著周期性而又復雜的荷載，包括機車的質量、制動力、輪軸力等，為確保機車車輛的運行安全，車軸須具有足夠的強度。按照EN 13104標準方法對車軸進行強度校核計算，根據計算結果對車軸各截面幾何結構進行反復優化，最終得出了優化后的車軸結構，強度計算結果見表1，車軸各危險截面計算應力均小于疲勞許用應力，滿足EN 13104標準要求。

表1 車軸各截面計算應力

2.3 車輪強度校核

車輪在使用過程中始終處于復雜的三向應力狀態，參照UIC 510-5標準對車輪進行了強度校核計算，根據計算結果主要對腹板和輪轂進行了優化，優化后的車輪靜強度和疲勞強度計算結果見表2和表3。

計算結果表明：

(1) 各工況下車輪的最大等效應力均小于許用應力，車輪靜強度符合UIC 510-5標準評定規則，滿足設計要求。

(2) 各工況下車輪的極限應力均小于允許應力，車輪疲勞強度符合UIC 510-5標準評定規則，滿足設計要求。

表2 各工況最大等效應力

圖10 直線運行工況等效應力云圖

圖11 曲線運行工況等效應力云圖

圖12 通過道岔工況等效應力云圖

2.4 一系鋼彈簧強度校核

將多組一系螺旋鋼彈簧參數按EN 13906-1標準進行靜強度和疲勞強度對比分析計算，確定了一系彈簧最優結構和剛度參數，計算結果分別見表4和圖13。計算結果表明：各工況下，彈簧的應力均小于材料許用應力，彈簧的極限應力均落在彈簧材料的Goodman疲勞曲線區域內，靜強度和疲勞強度均滿足設計要求，并預留了合適的強度安全冗余。

表3 各工況下極限應力較大部分節點的主應力統計 MPa

注：取σmax=σ1max，σmin=σ3min，則Δσ=σ1max-σ3min

表4 一系螺旋鋼彈簧靜強度計算 MPa

圖13 彈簧疲勞曲線(Goodman圖)

3 動力學性能分析與優化

因客戶沒有線路質量標準和數據，通過對客戶部分線路的考察，可以借鑒美國FRA軌道安全標準中的AAR4或AAR5級線路譜進行動力學性能校核分析。

圖14 機車動力學計算模型

通過反復對比幾組轉向架的懸掛和結構參數，利用SIMPACK多體動力學分析軟件，建立機車動力學計算模型(見圖14)，根據TB/T 2360-1993[3]和GB/T 5599-1985[4]、UIC 518-2009[5]規定，對機車的軸重轉移、臨界速度、運行穩定性、運行平穩性、曲線通過性能等進行計算校核，最終確定了轉向架最優的懸掛和結構參數，主要計算結論如下：

(1) 機車的黏著利用率[5]達到91%，滿足機車牽引性能要求。

(2) 車輪踏面等效錐度在0.1～0.3范圍時，機車的線性臨界速度大于130 km/h，滿足80 km/h的最高運用速度要求。

(3) 機車的非線性臨界速度介于160～165 km/h之間，滿足80 km/h的最高運用速度要求。

(4) 通過導入FRA軌道安全標準中的AAR5級線路譜線路條件，機車運行速度≤80 km/h范圍內，機車的垂向和橫向平穩性指標均小于2.75，達到優良等級；通過導入FRA軌道安全標準中的AAR4級線路譜線路條件，機車運行速度≤80 km/h范圍內，機車的垂向和橫向平穩性指標均小于3.10，達到良好等級，見表5。

表5 機車在不同速度下的垂向平穩性指標Wz和橫向平穩性指標Wy

(6) 機車以15 km/h的速度通過80 m半徑的曲線軌道，當軌距加寬達到20 mm時，各項動力學指標均滿足標準要求，見表7。在軌距不加寬的條件下，當輪軌摩擦系數小于等于0.25時，各項動力學指標均滿足標準要求，見表8。

表6 美國四級線路譜下機車動態曲線運行安全性指標

表7 軌距加寬對機車曲線通過性能的影響

表8 輪軌摩擦系數對機車曲線通過性能的影響

4 結束語

該轉向架結構設計緊湊，通過對主要承載部件的強度校核及結構優化，機車動力學性能校核分析及參數優化，使該米軌轉向架具有足夠的使用強度，合理的結構和懸掛參數，良好的輪軌匹配關系，較高的線性和非線性臨界速度，良好的垂向和橫向動力學指標，良好的曲線通過性能及實現了較小的軸重轉移等。

目前該批機車已交付用戶運用運營萬余公里，各項性能指標正常，運用狀態良好。

[1] 鮑維千.機車總體及走行部[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[2] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3] TB/T 2360-1993鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準[S].

[4] GB/T 5599-1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S].

[5] UIC518-2009 Testing and approval of railway vehicles fom the point of view of their dynamic behavior-Safety-Track fatigue-Running behaviour[S].