李傳龍，曲天威，高震天，王耀超

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022）

HXD3D型交流傳動快速客運電力機車轉(zhuǎn)向架

李傳龍，曲天威，高震天，王耀超

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022）

介紹了最高運行速度為160 km/h、HXD3D型6軸交流傳動快速客運電力機車轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)及結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)了其構(gòu)架、一系懸掛裝置、輪對、二系懸掛裝置、基礎(chǔ)制動裝置、驅(qū)動裝置、電動機懸掛裝置、牽引裝置和附屬裝置等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)特點。

客運電力機車；機車轉(zhuǎn)向架；技術(shù)參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；特點

近幾年，隨著原鐵道部機車項目的技術(shù)引進，國內(nèi)研制成功了軸功率1 200 k W和1 600 k W，最高運行速度120 km/h的交流傳動貨運電力機車，但還沒有最高運行速度160 km/h，C0－C0軸式的交流傳動快速客運電力機車。6軸交流傳動快速客運電力機車研制的關(guān)鍵是160 km/h等級3軸轉(zhuǎn)向架的開發(fā)。在技術(shù)引進以前，幾個鐵路機車工廠也相繼研制出了160 km/h轉(zhuǎn)向架，但機車動力學(xué)性能和可靠性均不高。HXD3D型交流傳動快速客運電力機車轉(zhuǎn)向架在引進、消化、吸收的基礎(chǔ)上，充分借鑒DF4D準(zhǔn)高速機車、SS7E等既有機車轉(zhuǎn)向架的運用經(jīng)驗，進行創(chuàng)新設(shè)計的新型快速機車轉(zhuǎn)向架。

1 轉(zhuǎn)向架總體及特點

HXD3D型交流傳動快速客運電力機車轉(zhuǎn)向架為3軸全（架）懸掛客運機車轉(zhuǎn)向架，主要由構(gòu)架、一系懸掛裝置、輪對裝配、二系懸掛裝置、基礎(chǔ)制動裝置、驅(qū)動裝置、電動機懸掛裝置、牽引裝置、附屬裝置等組成（見圖1）。

該機車轉(zhuǎn)向架具有以下特點：

（1）牽引電機的布置采用2軸、3軸位對置方式。

（2）驅(qū)動單元（包括牽引電機、齒輪箱總成和6連桿空心軸等）的懸掛采用剛性架懸。

（3）驅(qū)動系統(tǒng)采用輪對空心軸驅(qū)動方式，齒輪箱為承載式，軸承采用油潤滑，以適應(yīng)轉(zhuǎn)向架160 km/h速度等級的要求。

圖1 HXD3D 型交流傳動快速客運電力機車轉(zhuǎn)向架總圖

（4）軸箱軸承采用免維護的雙列圓柱滾子軸承單元。

（5）一系懸掛裝置采用單拉桿軸箱定位＋螺旋彈簧方式，1、3軸安裝垂向減振器；二系懸掛裝置采用高圓螺旋彈簧＋橡膠墊結(jié)構(gòu)，輔以各向減振器。

（6）牽引裝置采用低位推挽牽引桿牽引，以提高機車的黏著力利用率。

（7）基礎(chǔ)制動采用輪盤制動方式。

2 主要技術(shù)參數(shù)

該機車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如下：

3 主要結(jié)構(gòu)特點

3.1 構(gòu)架

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架各部件的安裝基礎(chǔ)，承受并傳遞各種載荷，強度設(shè)計和剛度設(shè)計是構(gòu)架設(shè)計的重點，并著重考慮構(gòu)架上有關(guān)零部件的相對位置及安裝空間，盡量使結(jié)構(gòu)質(zhì)量和受力分布比較均勻。

如圖2所示，構(gòu)架為“目”字形的鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由兩根側(cè)梁、兩根橫梁和兩根端梁構(gòu)成。各梁均為鋼板焊接成的箱形梁，在各梁內(nèi)部布置相應(yīng)的筋板以改善受力狀態(tài)并減少焊接收縮。鋼板材料為Q345E，其中有些吊座使用ZG230－450。構(gòu)架的焊接執(zhí)行EN 15085標(biāo)準(zhǔn)，焊縫遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)，所有焊縫已通過疲勞壽命分析及靜強度計算。通過有限元計算構(gòu)架強度和剛度均滿足靜強度和疲勞強度要求。

3.2 一、二系懸掛裝置

一系懸掛裝置采用了高速動力轉(zhuǎn)向架的懸掛結(jié)構(gòu)，如圖3所示，主要包括軸箱、軸箱拉桿、一系彈簧、一系垂向減振器等。每軸有一個軸箱安裝接地裝置，保證構(gòu)架與車軸之間具有良好的導(dǎo)電通路，避免軸承產(chǎn)生電蝕。同時，在每軸不安裝接地裝置端的軸箱上設(shè)有防滑速度傳感器。

軸箱采用單側(cè)軸箱拉桿定位，軸箱拉桿兩端采用球形橡膠關(guān)節(jié)，采用該結(jié)構(gòu)，軸箱的上下、左右及前后定位剛度可以各自獨立設(shè)定，以滿足轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)的最佳設(shè)計要求。軸箱采用獨立懸掛，軸箱相對構(gòu)架的上下和橫向移動靠軸箱彈簧和橡膠件的彈性變形來獲得。軸箱彈簧采用螺旋彈簧，材料符合EN 10089要求，彈簧底部增加絕緣墊，使構(gòu)架與軸箱之間具有良好的絕緣。在端軸軸箱與構(gòu)架間配有一系垂向油壓減振器，用以衰減振動和吸收振動能量。軸箱軸承采用圓柱滾子自密封軸承，軸承的免維護周期可達(dá)100萬km，提高了軸承的使用壽命。

圖2 構(gòu)架

圖3 一系懸掛裝置

二系懸掛裝置主要用來傳遞車體上部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架間的垂向力、橫向力和沖擊載荷，通過適當(dāng)?shù)膹椈膳渲?，使得分配到每根車軸上的最終載荷基本均勻一致。通過二系懸掛的合理配置，可使轉(zhuǎn)向架靜態(tài)和動態(tài)時均能保持穩(wěn)定。在車體和轉(zhuǎn)向架間設(shè)置合理的彈性裝置，可保證轉(zhuǎn)向架能相對于車體在一定范圍內(nèi)彈性橫動，在機車通過曲線時，允許轉(zhuǎn)向架相對于車體在合理范圍內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動。

二系懸掛裝置由二系高圓彈簧、減振墊、二系垂向減振器、二系橫向減振器、抗蛇行減振器、橫向止擋、垂向止擋等組成。每個轉(zhuǎn)向架上設(shè)有兩組高圓彈簧（每組兩個），布置在左右側(cè)架中央部分。每個轉(zhuǎn)向架有兩個橫向和兩個垂向減振器及兩個抗蛇行減振器連接車體與轉(zhuǎn)向架。減振墊具有減振及絕緣的用途，減振墊由鋼板和夾在中間的橡膠元件組成。

3.3 輪對裝配

輪對主要由車軸、車輪、制動盤等組成。車輪為整體輾鋼車輪，材料采用符合UIC 812－3和EN 13262標(biāo)準(zhǔn)的R8T級車輪鋼，踏面采用符合TB/T 449的JM3磨耗型踏面，采用這兩種措施后，可減少輪緣磨耗，提高車輪的使用壽命。車輪殘余靜不平衡值不大于50 g·m；車軸材料采用符合TB/T 3093－2004的35Cr Mo A合金鋼；輪對組裝符合TB/T 1463標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動采用輪盤制動，每個車輪安裝一套獨立的制動單元，制動單元為3點吊掛式制動單元，無踏面清掃裝置，采用鑄鋼制動盤，閘片采用粉末冶金閘片。每個轉(zhuǎn)向架有兩個帶彈簧停車制動的制動單元，分別布置在每個轉(zhuǎn)向架的一軸和三軸右側(cè)，以滿足在30‰坡道停車的要求。

3.5 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置采用輪對空心軸驅(qū)動方式，單級斜齒輪傳動，主要由牽引電機、空心軸裝配、連桿盤、齒輪箱裝配、連桿、連桿關(guān)節(jié)、傳動銷等組成（見圖4）。電機產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)牽引齒輪的嚙合后以扭矩的方式經(jīng)從動齒輪輸出端輸出，并先后經(jīng)過齒側(cè)連桿盤、空心軸裝配、非齒側(cè)連桿盤后，最終傳遞到輪對。

圖4 驅(qū)動裝置

電機與齒輪箱組成剛性結(jié)構(gòu)，齒輪箱與電機之間是通過定子外殼法蘭與齒輪箱骨架之間的螺栓進行連接的?？招妮S的一端通過連桿盤、6連桿機構(gòu)及傳動銷連接在齒輪箱的從動齒輪齒芯上，另一端通過連桿盤、6連桿機構(gòu)及傳動銷與所驅(qū)動的車輪相連。

電機僅有一個軸承，位于電機的非輸出端。輸出端的電機軸由安裝在齒輪箱內(nèi)的小齒輪軸上的薄板式聯(lián)軸器支承。該薄板式聯(lián)軸器由兩個主要部分組成，一部分連接在電機軸上，另一部分安裝在小齒輪軸上，這兩部分在電機組裝到齒輪箱的過程中用螺栓相連接。

電機輸出的扭矩通過薄板式聯(lián)軸器、小齒輪、大齒輪、內(nèi)空心軸、連桿盤，最后通過傳動銷傳遞到車輪，使機車向前或向后運行。

傳動連桿盤和傳動銷之間、傳動連桿盤與大齒輪之間都有橡膠關(guān)節(jié)，提供三向剛度，以適應(yīng)機車蛇行運動及過曲線時出現(xiàn)的構(gòu)架和輪對之間的橫向和縱向位移及相應(yīng)的角位移。

牽引電動機為交流異步電動機，功率1 250 k W。

齒輪箱裝配由承載式齒輪箱體、主從動齒輪、軸承、薄板聯(lián)軸器、油盤及各密封機構(gòu)組成。承載式齒輪箱體為鑄鐵結(jié)構(gòu)，材料為EN－GJS－400－18－LT，承擔(dān)軸承載荷及驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)載荷，齒輪箱體上設(shè)置有軸承潤滑集油槽和回油孔。齒輪采用斜齒輪，傳動比3.769；主動齒輪采用兩端軸承支承，軸承為2個圓柱滾子軸承加1個球軸承，圓柱滾子軸承承載齒輪的徑向載荷，四點球軸承承載主動齒輪的軸向力。從動齒輪軸承為2個圓柱滾子軸承（NU和NUP型），對稱分布，軸承載荷通過軸承座作用在齒輪箱上，NU圓柱滾子軸承承載從動齒輪受到的徑向力，NUP圓柱滾子軸承在承載徑向力的同時還承載從動齒輪受到的軸向力。軸承采用齒輪油潤滑，即齒輪轉(zhuǎn)動帶來的潤滑油通過齒輪箱內(nèi)集油槽流入軸承內(nèi)部，給予潤滑；薄板聯(lián)軸器端齒側(cè)和主動齒輪連接，另一側(cè)與牽引電機轉(zhuǎn)子連接傳遞電機輸出的扭矩。油盤采用鑄鋁結(jié)構(gòu)。

空心軸為錐形套結(jié)構(gòu)，靠齒輪箱端焊有三爪連桿盤，另一端采用端齒連接的三爪連桿盤，以利于拆裝。

3.6 電機懸掛裝置

為保證交流傳動快速機車具有良好的動力學(xué)性能，較低的輪軌動作用力，特別是小的橫向振動和優(yōu)良的橫向動力學(xué)性能，電機布置采用2位、3位對置，電機懸掛采用剛性架懸方案。電機和齒輪箱剛性連接成為一個整體單元，通過非電機端的一個前吊點和電機端的兩個后吊點吊掛在構(gòu)架上，吊掛點采用橡膠關(guān)節(jié)。電機支承座和齒輪箱之間通過支架和調(diào)整螺套連接。同時，電機懸掛裝置設(shè)有安全托，防止在電機發(fā)生脫落時直接掉在軌道上引起安全事故。

如圖5所示，電機懸掛裝置由電機支承座1、電機支承座2、橡膠關(guān)節(jié)、支架、安全托等組成。

3.7 牽引裝置

如圖6所示，牽引裝置采用低位傾斜單牽引桿，以減少軸重轉(zhuǎn)移，新輪起動狀態(tài)下的黏著利用率為94.45%。牽引裝置布置在機車中心側(cè)，與轉(zhuǎn)向架相連側(cè)牽引梁布置在轉(zhuǎn)向架后端。牽引桿通過螺栓分別與兩端的牽引座筒相連，便于拆卸，牽引座筒通過一個彈性圈套在牽引銷上，在牽引桿的兩端安裝了安全鋼絲繩。作為轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件之一，牽引桿應(yīng)能承受轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乘30 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生永久變形，承受轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乘50 m/s2的縱向載荷而不發(fā)生損壞。通過用有限元對螺栓和牽引桿進行強度計算，結(jié)果表明強度完全滿足使用要求。

圖5 電機懸掛裝置

圖6 牽引裝置

3.8 附屬裝置

附屬裝置主要包括撒沙裝置、掃石器、輪緣潤滑裝置、轉(zhuǎn)向架配管、車梯、軸溫監(jiān)測裝置等。

每個轉(zhuǎn)向架對應(yīng)布置4個沙箱，沙箱安裝在車體上。

輪緣潤滑采用HB－2型輪緣潤滑裝置，噴頭安裝在1位、6位輪對上，在機車通過曲線時給機車導(dǎo)向輪進行噴脂，油脂噴射到輪緣根部并隨機車動輪轉(zhuǎn)動將油脂傳遞到鋼軌內(nèi)側(cè)。

4 機車動力學(xué)計算及試驗

4.1 仿真模型建立

采用SIMPACK動力學(xué)軟件建立2C0軸式機車模型，由車體、2個構(gòu)架、6個牽引電動機和6個輪對組成，考慮了軌枕的彈性。為了更好地比較驅(qū)動裝置剛性對置與彈性對置兩種不同方案機車的動力學(xué)性能，分別建立了剛性對置和彈性對置兩個模型。剛性對置架懸機車模型共35個剛體，總計136個自由度。驅(qū)動裝置具有6個自由度，驅(qū)動裝置與構(gòu)架通過3點連接，其中鉸接點具有3向平動和轉(zhuǎn)動剛度與阻尼。彈性對置架懸機車模型在剛性對置模型基礎(chǔ)上，每個驅(qū)動裝置增加了2根吊桿，共47個剛體，總計160個自由度。

采用JM3磨耗型踏面與60 kg/m鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系，線路條件：軌道不平順采用美國AAR4、AAR5級線路和德國高干擾線路（既有線路）。

4.2 計算結(jié)果

機車動力學(xué)的性能主要由機車穩(wěn)定性、直線運行性能和曲線通過性能來評價。

非線性穩(wěn)定性計算時，非線性穩(wěn)定性計算截取一段長度為50 m的AAR4級不平順時域譜作為激擾，機車以一定速度通過不平順后，在無不平順直道上繼續(xù)運行到300 m時，考察各剛體位移的收斂和發(fā)散情況來判斷其穩(wěn)定性。

圖7是機車在惰行工況時，不同速度下輪對橫向位移極限環(huán)振幅曲線。剛性對置機車非線性臨界速度為320 km/h。彈性對置機車非線性臨界速度大于400 km/h。

圖7 機車非線性臨界速度計算結(jié)果

機車以80～200 km/h速度，在由德國高干擾功率譜密度轉(zhuǎn)換成的時域不平順和秦沈線路實測不平順直線上運行時，在速度180 km/h以下，剛性對置機車平穩(wěn)性指標(biāo)和加速度都處于優(yōu)良等級，端軸脫軌系數(shù)和輪重減載率指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的極限值，機車的最大輪軸橫向力都小于極限值，說明機車具有良好的平穩(wěn)性和安全性。

分別按照TB/T 2360－93《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》選取R300 m曲線，GB 50090－99《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》選取R400 m曲線，《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》選取R800 m和R1 600 m曲線，秦沈線選取R600 m和R4 000 m典型曲線為計算工況。結(jié)果表明機車可以安全通過大、中、小半徑曲線，各動力學(xué)指標(biāo)小于相關(guān)動力學(xué)要求的極限值。

4.3 試驗

2012年8月10日至13日，首臺機車在鄭州鐵路局管內(nèi)新焦線、太焦線及京廣線進行了動力學(xué)和動應(yīng)力試驗。其中8月10日和11日在新鄉(xiāng)—晉城北間進行R300 m曲線和側(cè)向通過道岔試驗，8月12日在新鄉(xiāng)—安陽間進行直線和直向通過道岔試驗，8月13日在臨穎－許昌間進行176 km/h直線運行試驗。結(jié)果表明，機車的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪重減載率、車體的橫向和垂向振動加速度均滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

該轉(zhuǎn)向架為大功率交流傳動快速、客運電力機車用3軸轉(zhuǎn)向架，其先進性體現(xiàn)在技術(shù)先進，性能優(yōu)良，低磨耗，高效能，清潔環(huán)保等特征；具有較高的可靠性，其可靠性體現(xiàn)在具有良好的動力學(xué)性能和較高的強度性能等特征；較高的使用壽命，易于制造和檢修，體現(xiàn)在良好的工藝性，適于批量生產(chǎn)等特征。與直流電傳動機車比較，全壽命周期成本大大降低。

［1］ 孫竹生，鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部［M］.北京：中國鐵道出版社，1995.

［2］ 王伯銘.高速動車組總體及轉(zhuǎn)向架［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

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Bogie for Six Axles AC Drive High-speed Passenger Electric Locomotive

LI Chuanlong，QU Tianwei，GAO Zhentian，WANG Yaochao
（Technology Development Department，CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Dalian 116022 Liaoning，China）

This paper presents the main technical and structure characteristics of the bogie for six axles AC drive high-speed passenger electric locomotive of type HXD3D with the maximum velocity of 160 km/h，and summarizes the structure and characteristics of its main parts，such as frame，primary suspension，wheel set，secondary suspension，brake rigging，drive device，motor suspension，traction rod and auxiliary device etc.

passenger electric locomotive；locomotive bogie；technical characteristics；structure design；characteristic

U266.1.331

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.03

1008－7842（2014）03－0010－04

8—）男，高級工程師（

2013－12－13）