新型單軸箱拉桿機車轉向架技術平臺

楊勇軍， 魏春陽

(中車戚墅堰機車有限公司 產品設計部， 江蘇常州 213011)

機車轉向架作為鐵路機車的關鍵部件，其技術水平和結構型式直接決定了機車走行性能的優劣，機車彈簧懸掛系統則對機車動力學性能的好壞有根本性的影響。總結了當前機車常見懸掛系統結構型式和常見軸箱定位結構型式，分析了導框定位結構轉向架的特點。

1 常見機車懸掛系統結構型式

現代機車走行部基本上都采用轉向架的形式[1]。轉向架的任務是承受機車上部重力，將驅動裝置的驅動扭矩轉化成輪軌牽引力傳遞給機車，確保機車沿著軌道前進，緩和線路不平順對機車的沖擊，根據機車制動指令產生必要的制動力確保減速或停車等。為實現這些任務，并提供良好的走行性能，鐵路機車必須配置彈簧緩沖減振裝置來緩和線路不平順產生的沖擊。早期機車只有一系懸掛，如DF型機車，只在轉向架和輪對之間布置有彈簧裝置。后來，由于機車運行速度的提高，為進一步提高緩沖性能，除在轉向架和輪對之間布置有彈簧減振裝置以外，還在轉向架和車體架之間布置了彈簧減振裝置，也稱為二系懸掛。DF4、DF8、DF11、HXN5、HXD1等目前國內在用機車基本都是兩系懸掛的結構型式。

根據機車結構空間和性能的需要，兩系懸掛又可分成“一系軟、二系硬”和“一系的硬、二系軟”兩類，如DF4、DF8、HXN5等屬于前者，而DF11、SS9、HXD1等則屬于后者。

2 常見機車軸箱定位結構型式

機車行進中，輪對在鋼軌上主要以滾動的形式移動，它與轉向架之間，需要用活動關節進行連接，確保將輪對相對于轉向架進行相對位置的定位、傳遞鋼軌與車輪之間的牽引或制動力、沿著鋼軌前進的導向力，并承受機車的質量。這些就是軸箱定位的主要功能。

軸箱定位有兩大類，分別是導框式定位和無導框定位。DF、ND5、NJ2、HXN5原型機車采用了導框式定位，如圖1所示。其他在役的鐵路機車則大都采用了軸箱拉桿形式的無導框式定位結構，圖2給出了兩種常見無導框定位的軸箱結構(雙軸箱拉桿定位和單軸箱拉桿定位)。

1-軸箱體；2-磨耗板；3-構架導框。圖1 導框式定位軸箱示例(東風型)

圖2 無導框定位軸箱示例

3 導框定位結構轉向架的特點

導框定位結構轉向架，軸箱與構架之間縱向定位和橫向定位由軸箱體與構架導框的互相限位結構實現。與無框定位結構轉向架相比，零部件數量相對較少，結構相對簡潔；轉向架整體高度相對較低，為機車總體布置、尤其是上部結構設計在空間上提供了便利條件。這些是導框式定位結構轉向架的優點。

導框定位結構轉向架的缺點是，軸箱與構架之間的導向功能及載荷傳遞，由兩者之間的摩擦副實現。而摩擦副的存在，必然導致長期運用過程中的磨損磨耗、進而由于間隙的擴大產生性能上的差異；機車運行過程中，構架相對于軸箱之間的上下沉浮運動和左右橫向運動是必然存在的，而相對運動需要克服摩擦副的摩擦阻力，因此，摩擦副摩擦性能的不穩定性將會產生較大的沖擊振動，以及非預期的故障。例如，NJ2型機車初期性能試驗中表現垂向性能差，據分析認為是由于導框間隙過小導致的構架相對軸箱之間的垂向運動卡滯而造成的。再如，裝用導框式轉向架的HXN5型機車早期在哈爾濱鐵路局運用過程中，非導向車輪出現了踏面凹陷現象，導框定位以及機車單方向行駛是出現這種非導向車輪踏面異常磨耗的主要原因。

4 新型單軸箱拉桿機車轉向架技術平臺概況

為解決早期HXN5型機車導框定位轉向架運用中出現的問題，提出了一種新型單軸箱拉桿機車轉向架技術平臺，其兩側的彈簧座面很低，從而可以在使用較大撓度的一系彈簧時，仍然實現上彈簧支承面有較低的高度以及軸箱拉桿聯接接口，這樣在既能獲得良好的機車動力學性能的同時，又實現了轉向架整體較低的高度。這是該轉向架技術平臺的顯著特點，同時也是該轉向架技術平臺的創新點，它充分借鑒了導框定位結構轉向架整體高度低的優點，同時又克服了導框定位轉向架的不足，適用于最高運行速度120 km/h以內的干線貨運或調車機車用三軸機車轉向架。

5 新型單軸箱拉桿機車轉向架主要部件結構形式和特點

5.1 軸箱及一系懸掛

本轉向架技術平臺采用了如圖3所示的新型軸箱，它主要由軸箱體、2個一系彈簧、1根軸箱拉桿、支架、側擋、減振器、軸承保持座等組成。

該型軸箱典型特征是兩側的彈簧座面很低，實現了具有較大靜撓度的同時，上彈簧座與構架的安裝面高度較低。另外，該型軸箱因配套使用了預潤滑全密封單元軸承，軸箱體的軸承腔設計為開放式的，大大方便了檢修時的組裝與拆卸，如圖4所示，正常工作時，軸承下方設置有軸承保持座，它將軸承限定在開放式軸承腔中；當需要拆卸時，先拆軸承保持座，即可方便地將軸箱體從軸頸軸承上移出。這是該型軸箱的又一顯著特點。根據配合軸頸軸承的需要，本平臺目前為止開發有兩種規格的軸箱體。

1-軸箱；2-一系彈簧；3-軸箱拉桿；4-支架；5-側擋；6-減振器；7-軸承保持座。圖3 軸箱結構示意圖

圖4 軸承保持座布置

目前為止，本平臺為適合國內及出口各種機車產品的不同參數要求，開發了多種規格的一系彈簧。主要參數見表1。

表1 一系彈簧主要參數

軸箱拉桿主體為鑄鋼件，兩端配有橡膠關節。組裝時，兩裝分別通過兩根螺栓與軸箱體和構架相連。目前為止，本轉向架平臺所使用的軸箱拉桿均相同，即只有一種規格。

為限制軸箱相對于構架的橫向位移，支架與安裝在構架上的側擋相配合，承擔了限位功能。另外，支架上部左右兩側各有一耳形凸起，與構架的L形支架相配合，一方面承擔輪對整體起吊的功能，另一方面還承擔了垂向限位功能。

5.2 構架

構架采用高強度結構鋼焊接形成轉向架的骨架，具體結構及尺寸根據轉向架整體布置需要設計。其中，根據軸箱拉桿連接的需要，每軸箱對應位置設置有一拉桿座以及上彈簧座安裝接口、軸箱側擋安裝接口等；根據牽引裝置安裝需要，每構架設置有一根牽引梁，其上有與牽引裝置相對應的安裝接口。此外，構架上設置有制動單元安裝接口、電機吊掛接口、二系懸掛接口等。

5.3 輪軸驅動裝置

輪軸驅動裝置由輪對(車輪-牽引從動齒輪-車軸)、驅動軸承與抱軸箱及密封件、軸頸軸承等構成。輪軸驅動裝置是鐵路機車的核心關鍵部件，它直接決定了轉向架的可靠性，在很大程度上決定了轉向架的技術水平，對轉向架的走行性能有重大影響。本平臺已開發有適用于1 435 mm和1 676 mm兩種軌距的輪軸驅動裝置產品，其主要零部件結構形式如下。

(1)驅動軸承選型驅動軸承是輪軸驅動系統的關鍵部件，直接影響了輪軸驅動裝置的可靠性。本技術平臺開發有兩套驅動軸承方案，其主要規格尺寸和性能參數見表2。

表2 驅動軸承主要參數

(2)軸頸軸承選型

車軸兩端的軸頸上壓裝有兩個自潤滑全密封式雙列圓錐滾子軸承，從而實現輪對與軸箱之間的回轉運動。目前為止，該平臺開發了兩種規格的軸頸軸承，規格尺寸分別為AAR G級(7×12″)和AAR K級(6.5×9″)。

(3)車輪結構形式

車輪根據用戶需求，可以采用整體式車輪，也可采用套箍式車輪。車輪直徑，根據用戶要求確定。本平臺目前開發有1 050 mm和1 250 mm兩種規格的車輪。

5.4 電機懸掛裝置

本平臺牽引電動機采用滾動軸承抱軸懸掛方式，其一端通過齒側和非齒側的驅動軸承支承在車軸上，另一端通過吊桿懸掛到轉向架構架上。根據用戶要求，牽引電動機可采用直流電機或交流電機。主動齒輪則根據牽引性能的需要以及結構布置空間，可采用套裝或內插過盈壓裝，或采用與牽引電動機樞軸加工成一起的整體齒軸結構。為保護齒輪副、實現良好潤滑，產品配套有用薄板焊接制成的齒輪罩，用作潤滑劑容器，并使齒輪副處于相對密封的工作空間中。

5.5 二系懸掛

二系懸掛采用橡膠堆作為主承載件，并配置有橫向減振器用于衰減振動。根據機車動力學性能的需要，可能會配置抗蛇行減振器。

5.6 牽引裝置

牽引裝置采用了中心銷結構型式，如圖5所示。其中中心銷焊裝于車架牽引梁上，與牽引梁形成一整體焊接結構。在轉向架上，以牽引座為中心，前后兩側各設置有一牽引緩沖墊，并用牽引箱蓋壓裝在構架的牽引梁上，從而形成完整的牽引緩沖結構。在牽引座左右兩側各設置有一橫向止擋，在轉向架相對于機車車體橫向位移超過自由橫動量后將起緩沖作用。牽引座的下方，設置有托架，通過螺栓安裝在中心銷下端面。托架承擔了機車連同轉向架整車起吊時抬升轉向架的功能。在牽引座內孔與中心銷之間，設置有尼龍襯套，充分利用尼龍的耐磨特性，極大減緩了中心銷與牽引座在相對回轉運動和垂向滑動時的磨損磨耗。

1-構架牽引梁；2-牽引緩沖墊；3-橫向止擋；4-托架；5-牽引箱蓋；6-牽引緩沖墊；7-牽引座；8-尼龍襯套；9-壓板；10-中心銷。圖5 牽引裝置結構示意圖

5.7 基礎制動

基礎制動采用了踏面制動結構型式。制動器為具有閘瓦間隙自動調整功能的制動單元。制動單元的具體型號或結構尺寸等，根據轉向架整體布置需要設計。

6 技術平臺應用

6.1 首款轉向架產品

新型單軸箱拉桿機車轉向架技術平臺下首款轉向架產品，是為HXN5型交流傳動機車配套研發的轉向架，生產了50臺機車，全部在沈陽鐵路局投入運營。首臺機車(HXN5-2001號機車)研制過程中，轉向架零部件及裝用該型轉向架的整車按照相關規定進行了型式試驗及線路運用考核試驗。運用考核期間轉向架未發生故障，狀況良好[2]。

線路運用考核表明，與原HXN5型機車相比，雙司機室HXN5-2001號機車各軸位輪緣和踏面磨耗趨于均勻，整車輪緣和踏面平均磨耗比原HXN5型機車分別改善了49%和 17%；未出現原HXN5型機車非導向輪中間的凹陷現象，通過曲線時運行平穩，未出現原HXN5型機車早期出現的異常垂向振動現象。

6.2 其余轉向架產品

首款新型單軸箱拉桿機車轉向架研制成功后，根據相關機車采購合同要求，又開發出口伊朗適用于小限界線路的轉向架產品、適用于大功率調車機車運用的HXN5B型機車轉向架產品、出口阿根廷用于貝爾格拉諾線的寬軌和準軌轉向架產品。這3種轉向架均已投入實際線路運營，運用效果良好。

7 結束語

在回顧現有常見鐵路機車轉向架懸掛結構型式、軸箱定位結構特點的基礎上，介紹了一種新型單軸箱拉桿機車轉向架技術平臺、及其結構組成、技術特點和主要技術參數，并結合平臺下已研發產品實際情況介紹了主要零部件的結構和參數，最后介紹了轉向架技術平臺的應用情況。

從該平臺下已有研發產品的實際運行情況來看，該技術平臺是成功的，取得了良好的實際應用效果、較好的社會效益和經濟效益，具有廣泛的推廣應用價值。