張志和, 李華祥, 李 前, 趙清海

(中車大同電力機(jī)車有限公司 研究院， 山西大同 037038)

軌道交通車輛的傳統(tǒng)的動力轉(zhuǎn)向架，一般都采用傳動齒輪箱將牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩放大一定(傳動比)倍數(shù)后傳遞到輪對，這種牽引電機(jī)+齒輪箱+輪對的間接驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有利的方面是牽引電機(jī)能夠設(shè)計(jì)為體積小、低轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速的電機(jī)；不利的方面是齒輪箱兩端要分別與牽引電機(jī)和輪對連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)齒輪箱由于潤滑、密封、噪聲和功率損失等客觀條件而帶來節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。隨著車輛速度和軸重的提高，這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動裝置在轉(zhuǎn)向架上的安裝更趨復(fù)雜，目的是通過合理的安裝方式降低由于速度和軸重的增加而加大的輪軌間動作用力，提高車輛運(yùn)行的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

隨著社會發(fā)展要求的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在運(yùn)行可靠性、運(yùn)營成本、節(jié)能和環(huán)保等幾方面對軌道交通運(yùn)輸提出來更高的要求。因此，從上世紀(jì)90年代，軌道交通領(lǐng)域開始研究采用永磁電動機(jī)代替異步電動機(jī)，一種驅(qū)動系統(tǒng)仍然保留齒輪箱，另一種驅(qū)動系統(tǒng)則采用取消齒輪箱的直接驅(qū)動輪對的方式，早期的永磁電機(jī)功率較小，主要用于有軌電車、地鐵等城市軌道交通領(lǐng)域，由于質(zhì)量和體積也較異步電動機(jī)更小，更有利于轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)。近年來的研究成果表明，采用牽引電機(jī)直接驅(qū)動輪對的方式，比較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架取消了齒輪箱，結(jié)構(gòu)簡化，在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等方面有明顯的優(yōu)勢。

同樣地，在機(jī)車領(lǐng)域，采用永磁電機(jī)的直接驅(qū)動方式也會有明顯的優(yōu)勢，但機(jī)車最大的特點(diǎn)是牽引電機(jī)功率大、轉(zhuǎn)矩大。驅(qū)動裝置在取消齒輪箱后，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩將成(傳動比)倍數(shù)增大，相應(yīng)的電機(jī)質(zhì)量也增加很多。由于牽引電機(jī)質(zhì)量較大，使得電機(jī)在轉(zhuǎn)向架上的安裝方式對機(jī)車動力學(xué)性能有很大影響，對轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)也有決定性作用。在有限的空間條件下，如何將牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接傳遞給輪對，成為永磁電機(jī)在重載轉(zhuǎn)向架上運(yùn)用的關(guān)鍵。

1 采用永磁電機(jī)的直驅(qū)輪對

1.1 牽引電機(jī)安裝方式的選擇

對于小功率的電機(jī)，由于體積小質(zhì)量輕在城軌車輛上可以采用軸裝方式。對于機(jī)車，采用直驅(qū)方式的牽引電機(jī)，相對齒輪箱驅(qū)動方式的電機(jī)轉(zhuǎn)矩成(傳動比)倍數(shù)增加，使得電機(jī)質(zhì)量將達(dá)到3 t多，軸裝方式將使得簧下質(zhì)量大幅增加，導(dǎo)致輪軌動作用力加大，降低機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)和加大對線路的有害作用。采用電機(jī)全懸掛方式，使電機(jī)質(zhì)量成為簧上質(zhì)量，簧下質(zhì)量的大幅降低有利于降低輪軌作用力和改善機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)。因此，對于大功率的直驅(qū)輪對，牽引電機(jī)宜采用架懸方式。

1.2 電機(jī)與輪對連接方式(聯(lián)軸器)的選擇

直接驅(qū)動方式?jīng)Q定了理論上牽引電機(jī)與車軸是同軸線布置，需要通過聯(lián)軸器連接傳遞轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器要滿足空間條件、運(yùn)動關(guān)系、強(qiáng)度可靠性和剛度匹配等要求。有兩種聯(lián)軸器可以考慮，一種是應(yīng)用成熟的雙側(cè)采用六連桿橡膠關(guān)節(jié)的聯(lián)軸器，一種是撓性板聯(lián)軸器，具體結(jié)構(gòu)如圖1～圖2所示。由于輪對內(nèi)側(cè)距和限界的約束，結(jié)合電機(jī)外形結(jié)構(gòu)，綜合考慮各方面因素，確定了采用撓性板聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)與輪對。撓性板聯(lián)軸器傳動機(jī)構(gòu)的研究成果可在其他車型進(jìn)行成果推廣及應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的空心軸六連桿傳動機(jī)構(gòu)，促進(jìn)鐵路技術(shù)革新。其特點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：(1)整體結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)空心軸六連桿傳動結(jié)構(gòu)簡單，裝配拆卸較方便；(2)質(zhì)量較輕，聯(lián)軸器傳動結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量約330 kg，較傳統(tǒng)空心軸六連桿傳動結(jié)構(gòu)減重約22%左右；(3)各裝配部位拆裝空間較六連桿機(jī)構(gòu)寬松；(4)整體免維護(hù)。

缺點(diǎn)：直驅(qū)驅(qū)動方式在機(jī)車領(lǐng)域是首次研制，缺乏可借鑒的成熟案例，相對缺乏經(jīng)驗(yàn)。

圖1 六連桿橡膠關(guān)節(jié)聯(lián)軸器示意圖

圖2 撓性板聯(lián)軸器示意圖

1.3 直驅(qū)輪對結(jié)構(gòu)

直驅(qū)輪對主要由輪對、電機(jī)及聯(lián)軸器組成，連接輪對與電機(jī)的聯(lián)軸器采用撓性板聯(lián)軸器。如圖3所示電機(jī)與傳力盤由端齒連接傳遞轉(zhuǎn)矩，傳力盤通過撓性板結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給空心軸，空心軸左端端齒與傳動盤相連將轉(zhuǎn)矩傳遞給傳動盤，傳動盤通過撓性板結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪。

圖3 直驅(qū)輪對結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 聯(lián)軸器性能及驗(yàn)證

聯(lián)軸器是用來聯(lián)接電機(jī)與輪對的部件，對其有下列性能要求：適應(yīng)工作環(huán)境的能力、傳遞電機(jī)與輪對間的相互作用轉(zhuǎn)矩、適應(yīng)電機(jī)相對于輪對位置變化的能力、長期可靠工作的能力。為驗(yàn)證聯(lián)軸器性能進(jìn)行的主要試驗(yàn)有：剛度試驗(yàn)、沖擊振動試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。通過試驗(yàn)表明：聯(lián)軸器能夠適應(yīng)符合IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工作環(huán)境條件下的振動沖擊；在工作轉(zhuǎn)矩和位移變化條件下的疲勞性能滿足無限壽命設(shè)計(jì)要求；經(jīng)過沖擊振動和疲勞試驗(yàn)后的剛度性能穩(wěn)定，與輪對定位剛度相匹配，能夠滿足長期可靠的使用要求。

表1 聯(lián)軸器兩側(cè)法蘭相對最大位移要求

撓性板聯(lián)軸器及其相關(guān)參數(shù)能夠滿足輪對與構(gòu)架之間的各向位移。

(1)傳動盤的設(shè)計(jì)是安全可靠的，電機(jī)短路扭矩下端面齒的安全系數(shù)為1.48。從圖4可以看出，在額定扭矩和短路扭矩下，傳動盤端面齒最大應(yīng)力均在螺栓孔與端面齒相交區(qū)域的齒根處；

表2 傳動盤端面齒強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

(2)空心軸的設(shè)計(jì)是安全可靠的，短路扭矩下端面齒的安全系數(shù)為1.34；

(3) 傳力盤的設(shè)計(jì)是安全可靠的，短路扭矩下端面齒的安全系數(shù)為1.56；

(4)與車輪連接的傳動銷設(shè)計(jì)是安全可靠的，短路扭矩下的擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的安全系數(shù)分別為18.2和9.3；

(5)疊片組件是整個(gè)疊片撓性聯(lián)軸器中的關(guān)鍵部件，它在傳遞扭矩的同時(shí)還需補(bǔ)償兩軸之間的不對中，容易出現(xiàn)損壞，屬于薄弱環(huán)節(jié)。疊片組件在啟動扭矩下，補(bǔ)償同時(shí)達(dá)到最大的疲勞安全系數(shù)為1.19。

2 采用直接驅(qū)動的機(jī)車轉(zhuǎn)向架

采用上述直驅(qū)輪對的重載機(jī)車轉(zhuǎn)向架主要由直驅(qū)輪對、構(gòu)架、一系懸掛、二系懸掛、電機(jī)懸掛、基礎(chǔ)制動、牽引桿等部件組成。

轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 傳動盤端面齒等效應(yīng)力云圖

圖5 轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：(1)一系懸掛為單拉桿雙彈簧方式，并配以垂向減振器，一系定位縱向剛度主要由軸箱拉桿提供，垂向和橫向剛度由鋼彈簧提供；(2)二系懸掛采用高撓鋼彈簧，每側(cè)架中部布置有3個(gè)高圓鋼彈簧，每轉(zhuǎn)向架布置2個(gè)橫向減振器、2個(gè)抗蛇行減振器和2個(gè)垂向減振器；(3)牽引裝置采用單拉桿方式，牽引桿一端連接轉(zhuǎn)向架內(nèi)端梁，另一端連接車體；(4)驅(qū)動裝置采用永磁直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)一側(cè)通過橡膠球鉸彈性固定于構(gòu)架外端梁或中間橫梁上，另一側(cè)通過2根吊桿吊掛于構(gòu)架中間橫梁或內(nèi)端梁上，形成彈性架懸方式，通過撓性板聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)電機(jī)與輪對偏轉(zhuǎn)、橫移相對運(yùn)動的補(bǔ)償；(5)采用輪盤單元制動器；(6)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為“目”字形焊接箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)端梁上設(shè)牽引桿座、側(cè)梁下蓋板設(shè)置軸箱拉桿座、在各端梁和橫梁上根據(jù)電機(jī)吊掛需要設(shè)置有相應(yīng)安裝座、以及相應(yīng)減振器座和止擋座。

表3 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架在結(jié)構(gòu)方面對動力學(xué)影響顯著的變化是軸距較小，這一變化對曲線通過更為有利。輪對采用直驅(qū)方式，取消了傳統(tǒng)驅(qū)動裝置中的齒輪箱，整體結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，轉(zhuǎn)動慣量更小。

動力學(xué)性能分析表明：新輪新軌條件下，機(jī)車非線性臨界速度能滿足車輛對最大試驗(yàn)速度的要求；

在美國6級和5級線路上，計(jì)算機(jī)車兩端司機(jī)室在直線運(yùn)行時(shí)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)，結(jié)果見圖6。在美國6級、5級線路上，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)直至200 km/h速度均未超過2.75，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在美國6級線路上，直至200 km/h未超過2.75，在美國5級線路上，速度超過160 km/h后，超過2.75，但直至200 km/h未超過3.1。計(jì)算表明，機(jī)車的橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在200 km/h保持良好。

機(jī)車具有良好的直線運(yùn)行性能，在AAR5級、AAR6級線路條件下機(jī)車以160 km/h最大速度運(yùn)行，機(jī)車的評價(jià)指標(biāo)均良好，各向指標(biāo)的最大值發(fā)生在AAR5級線路上，機(jī)車輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)最大值分別為35.03 kN、146.92 kN、0.42、0.24，遠(yuǎn)小于限制值80 kN、195 kN、0.6、0.8；機(jī)車具有較好的曲線通過性能，對R300、R600和R800 3種曲線分別以80 km/h、100 km/h和120 km/h以下速度通過曲線時(shí)，輪軌作用各項(xiàng)安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)。計(jì)算同時(shí)表明，采用的撓性板聯(lián)軸器及其相關(guān)參數(shù)能夠滿足直線快速運(yùn)行和曲線通過的要求，空心軸的橫向振動在聯(lián)軸器的最大許可位移范圍之內(nèi)，撓性板的橫向振動位移通常不超過8 mm，繞縱向軸的偏轉(zhuǎn)角度不會超過0.2°。

圖6 車體前后端平穩(wěn)性指標(biāo)

3 直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用展望

3.1 良好的可靠性和可維修性

直驅(qū)輪對驅(qū)動系統(tǒng)沒有齒輪箱裝配，省掉了齒輪箱組件部分，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性、可維修性；

直驅(qū)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，裝配及拆卸方便；聯(lián)軸器整體免維護(hù)，其免維護(hù)周期可達(dá)200萬km；

3.2 節(jié)能、對環(huán)境友好

直驅(qū)輪對驅(qū)動系統(tǒng)沒有齒輪傳動噪聲、功率損耗和潤滑油污染。

3.3 良好的動力學(xué)性能

較小的轉(zhuǎn)向架固定軸距和轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動慣量，有利于減輕輪軌沖擊和提升曲線通過能力、減輕輪緣磨耗。