曲云飛 吳化敏 秦美超
(中車大連機(jī)車車輛有限公司技術(shù)開發(fā)部 遼寧 大連 116022)
HXN3B型交流傳動調(diào)車機(jī)車是中車大連機(jī)車車輛有限公司以成熟的HXN3型內(nèi)燃機(jī)車為平臺,自主研發(fā)的新產(chǎn)品,也是目前國內(nèi)功率最大的調(diào)車機(jī)車。為了適應(yīng)HXN3B型大功率調(diào)車機(jī)車的動力學(xué)要求,一系懸掛裝置應(yīng)采用軸箱拉桿、一系彈簧和減振墊來提供合適的定位剛度。為便于機(jī)車運(yùn)用過程中的維護(hù)及提供合適的橫動量,采用100萬km免維護(hù)型軸箱軸承。
HXN3B型機(jī)車一系懸掛裝置主要由軸箱拉桿、軸箱底蓋、軸箱體、一系垂向減振器、構(gòu)架、雙圓簧、橡膠墊等組成(見圖1)。軸箱中安裝有圓柱滾子軸承、防塵圈、接地裝置及速度傳感器等。
圖1 一系懸掛裝置示意圖
(1)采用彈簧與垂向減振器的組合,緩和及衰減機(jī)車運(yùn)行在有缺陷的軌道時(shí)產(chǎn)生的沖擊振動。
(2)軸箱采用單拉桿定位方式,軸箱拉桿兩端采用球型橡膠關(guān)節(jié),一端連接在軸箱上,另一端連接在構(gòu)架上,軸箱縱向定位剛度主要由軸箱拉桿提供,橫向剛度主要由一系彈簧提供,結(jié)構(gòu)簡單,定位剛度值準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。軸箱拉桿基本無垂向附加剛度,滿足機(jī)車的剛度要求。
(3)總體結(jié)構(gòu)緊湊,簧下加調(diào)整墊容易,便于調(diào)節(jié)軸重分配。
(4)為改善機(jī)車的運(yùn)行品質(zhì)及順利通過小曲線,同時(shí)適應(yīng)軌道的要求,輪對需要有一定的橫動量。HXN3B型機(jī)車軸箱軸承采用圓錐滾子軸承,自密封、自潤滑,由軸承內(nèi)外圈相對橫動量來控制軸箱對車軸的橫動量。其中,中間軸軸箱需要的橫動量較大,端軸需要的橫動量較小。
(1)軸箱拉桿
軸箱拉桿主要作用為定位軸箱體,傳遞牽引力和制動力。為保證機(jī)車順利通過曲線,軸箱需要一定的橫動量。這樣在設(shè)計(jì)軸箱拉桿時(shí)必須考慮其與軸箱和構(gòu)架為彈性連接,同時(shí)要保證軸箱拉桿體的強(qiáng)度。軸箱拉桿由拉桿關(guān)節(jié)及拉桿體組成,如圖2所示。
為提供軸箱合適的定位剛度,軸箱拉桿關(guān)節(jié)采用球型橡膠節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)由芯軸、橡膠、外套組成。
圖2 軸箱拉桿示意圖
拉桿體材料為42CrMo,拉桿體毛坯由模具一次鍛造而成,其表面缺陷應(yīng)不超過GB/T 12362—2003《鋼質(zhì)模鍛件 公差及機(jī)械加工余量》標(biāo)準(zhǔn)的要求。拉桿體主要受拉壓應(yīng)力的作用,以機(jī)車單軸最大牽引力93 kN計(jì)算,校核拉桿體的強(qiáng)度如下,軸箱拉桿的危險(xiǎn)截面最大拉應(yīng)力為:
σ=單軸箱拉桿所受牽引力/軸向拉桿最小橫截面積=46.5/0.0024=19.4 MPa[1]。
該應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料42CrMo的屈服強(qiáng)度930 MPa。同時(shí)用ANSYS有限元計(jì)算程序分析軸箱拉桿的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都能滿足運(yùn)用要求。
(2)彈簧裝置與減振器
彈簧裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,其作用為:當(dāng)機(jī)車車輛行經(jīng)線路不平順處或因輪對缺陷而發(fā)生振動和沖擊時(shí),可以緩和沖擊,衰減振動;使同一轉(zhuǎn)向架各輪對之間的重量分配適當(dāng)[2]。為了增大彈簧軸向和橫向的柔性,提高機(jī)車的走行質(zhì)量,彈簧下端加裝減振墊。
圖3 彈簧裝置
彈簧的材料為高強(qiáng)度彈簧鋼52CrMoV4,具有淬透性高,熱處理工藝性能好的特點(diǎn),其材料化學(xué)成分符合GB/T 1222—1984標(biāo)準(zhǔn)要求。材料強(qiáng)度極限為:(1.55~1.65) kN/mm2,彈簧鋼絲應(yīng)進(jìn)行剝皮,兩端磨削加工,卷簧前要求磁粉探傷,不得有任何缺陷。按照TB/T 1758—1986標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噴丸處理,彈簧須以一定載荷進(jìn)行3次壓并負(fù)荷壓縮試驗(yàn),無永久變形。
減振墊由橡膠及上、下黏結(jié)板經(jīng)硫化處理而成,符合TB/T 2843—2007《機(jī)車車輛橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的要求。材料為橡膠Z-NR4,使用溫度為-40 ℃~50 ℃,橡膠不得有氣孔、裂紋和夾層。其測量方法符合GB/T 11211—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠與金屬黏合強(qiáng)度的測定 二板法》標(biāo)準(zhǔn)的要求。
減振器用來抑制彈簧吸振后反彈時(shí)的振蕩及來自軌面的沖擊,安裝在一系懸掛裝置上的減振器稱為一系垂向減振器,用于減小軸箱與轉(zhuǎn)向架之間的垂向振動,特別是衰減轉(zhuǎn)向架相對于輪對的點(diǎn)頭振動,該減振器為液壓減振器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 減振器簡圖
減振器工作時(shí),活塞桿相對于儲油缸作拉伸與壓縮運(yùn)動,內(nèi)部的油液通過阻尼調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生減振阻力,將振動機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為油液的熱量散到空氣中。
當(dāng)減振器拉伸時(shí),活塞單向閥關(guān)閉,底閥單向閥開啟,活塞上部的油液經(jīng)阻尼調(diào)節(jié)閥流到儲油缸,同時(shí),儲油缸中的油液經(jīng)底閥單向閥流到活塞下部的油缸中。
當(dāng)減振器壓縮時(shí),底閥單向閥關(guān)閉,活塞單向閥開啟,活塞下部的油液經(jīng)活塞單向閥流到活塞上部,同時(shí),活塞上部的油液經(jīng)阻尼調(diào)節(jié)閥流到儲油缸中。
(3)軸箱體裝配
軸箱體裝配在車軸兩端軸頸上,用來將包括鉛垂方向的動載荷在內(nèi)的全部簧上載荷傳給車軸,并將輪對的牽引力或制動力傳到構(gòu)架上去,此外還傳遞輪對與構(gòu)架間的橫向和縱向作用力,要求有足夠的強(qiáng)度。
該軸箱體裝配為兩體式軸箱體設(shè)計(jì),由軸箱體和軸箱底蓋組成(見圖5)。軸箱體提供軸承安裝界面,傳遞垂向和縱向載荷。軸箱底蓋起到起吊輪對以及加強(qiáng)軸箱裝配強(qiáng)度的作用。
圖5 軸箱體裝配示意圖
兩體式軸箱裝配的優(yōu)點(diǎn)為:兩體式軸箱裝配大大簡化了零件更換工作, 輪對裝配從整車上的拆卸
變得很容易,落輪時(shí)僅需拆軸箱下箱體(底蓋)、電機(jī)大線,將電機(jī)與電機(jī)吊桿分開即可。同時(shí),落輪時(shí)減振器、彈簧和牽引拉桿仍可保留在構(gòu)架裝配上,簡化了拆裝工序。兩體式軸箱也有益于提高可靠性,由于減振器和牽引拉桿仍可保留在構(gòu)架裝配上,不需要拆下零件的緊固件,因此,螺栓松動的危險(xiǎn)性大大降低。同時(shí),在更換輪對的過程中,不接觸或打開軸承,不存在軸承和潤滑脂污染的危險(xiǎn)。
該軸箱體結(jié)構(gòu)緊湊,強(qiáng)度高,其材料為ZG230-450鋼,整體外形通過一次性鑄造而成,鑄件符合TB/T 2942—1999《鐵道用鑄鋼件采購與驗(yàn)收技術(shù)條件》,鑄造公差符合GB/T 6414—1999《鑄件 尺寸公差與機(jī)械加工余量》的規(guī)定,鑄件沒有夾砂、縮孔等鑄造缺陷。
HXN3B型交流傳動調(diào)車機(jī)車的一系懸掛設(shè)計(jì)滿足了機(jī)車的整體性能參數(shù)要求,依托于目前成熟可靠的技術(shù)平臺,經(jīng)過一系列計(jì)算和機(jī)車的運(yùn)用考核表明,一系懸掛設(shè)計(jì)具有良好的可靠性和疲勞性能,保證了機(jī)車的平穩(wěn)運(yùn)行,為今后調(diào)車機(jī)車的平臺化設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
[1]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]鮑維千.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架[M].北京:中國鐵道出版社,2010.□