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    八轴内燃机车转向架的结构型式研究

    时间：2023-02-24 20:00:06来源：百花范文网本文已影响人

    江利国，彭 涌

    （1.湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412006；
    2.株洲华云智仿信息科技有限公司，湖南 株洲 412007）

    研发能牵引5 000 t 级重载列车的大功率八轴内燃机车，是原铁道部“八五”科技发展计划项目之一。2008 年铁道部归纳主要解决两个运输问题，一是高速，二是重载。由于受人力、物力、财力、精力的限制，重载问题当务之急主要是解决京沪、京广、京哈、大秦、京秦、丰沙大、神朔石等主要干线的货物运输问题，但我国有1/3 的山区铁路，这些铁路都是依地形而建，起伏坡度大、曲线半径小，又暂时无条件改造成电气化铁路。有些山区线路仍使用陈旧的C0-C0轴列式的东风4 型机车来牵引列车，不仅无法满足不断增长的运量需要，而且在曲线上运行的轮、轨磨耗严重的问题长期得不到解决[1-2]。目前急需对内燃机车更新换代，需要曲线通过性能更好、功率更大、黏着质量也更大的新型八轴内燃机车来牵引，经过多方案对比分析认为采用B0-B0＋B0-B0轴列式就是一种较好的方案。

    即使采用单节六轴交流传动内燃机车柴油机功率达到2 427 kW（3 300 马力）或以上，在长大坡道上也不能牵引更重的货物列车，会出现一台内燃机车牵引力不够、两台内燃机车牵引力过剩的清况。双节机车重联虽然可以大幅提升在长大坡道上的牵引力，但用户需采购更多机车、消耗更多燃油，增加了机车的购置成本和维护成本。

    初期采购成本会直接影响用户的采购意愿，尤其对地方铁路更是如此。其次，机车的维护成本及技术要求也影响用户对车型的选择。现将预研的单节八轴机车与大量使用的六轴内燃机车3 种车型的采购成本列举如下：双节六轴直流传动内燃机车约1 700 万元、单节六轴交流传动内燃机车约1 500 万元、单节八轴直流传动机车约950 万元。机车检修技术难度为交流传动内燃机车的主传动系统对检修水平要求高，普通机务段不能检修，且电气零部件不能与现有成熟车型互换[3]。

    在这样的背景条件下，本文介绍一些国外应用比较成功的单节八轴机车几种典型转向架的结构和性能，并对我国国产化的单节八轴内燃机车转向架结构型式作了分析研究。

    货运采用八轴机车牵引的国家有前苏联、捷克和斯洛伐克、美国、法国、俄罗斯。所有这些八轴机车转向架归纳起来也只有三种结构型式，分别介绍如下：

    1.1 D0-D0 轴列式

    只有美国采用这种轴列式的单节八轴内燃机车。单节八轴内燃机车由GM 公司生产，有DD35 和DD40-X 两种型号，其装车功率分别为3 675 kW、4 850 kW。美国转向架轴列式DD 就相当于我国D0-D0轴列式，每个轮对都由一个电机单独驱动。DD35 机车的四轴转向架，四根轴都安放在一个铸钢构架中，电动机为轴悬式，采用顺置式排列，且朝向机车中央，以车体横向中心线呈斜对称布置。二系悬挂设在两个侧梁的中部，每个二系悬挂都由三个圆弹簧组成，圆弹簧的横向弹性可以实现转向架相对于车体的横向位移，并起复原装置的作用。一系悬挂每轴箱采用两组圆弹簧，轴箱上无均衡梁。这种形式的转向架结构简单，仅仅是在普通的C0转向架的基础上增加一根动轴，但缺点是其固定轴距较大，如DD35、DD40-X 机车轴距分别为5 200 mm、5 219 mm，这使机车通过曲线产生困难，尤其增加了轮轨磨耗[4-5]，也与研发八轴机车的运用条件和目的不一致。

    C0-C0机车比B0-B0-B0机车曲线性能要差很多，主要体现在C0-C0机车轮轨作用力大，尤其是轮缘磨耗要增加25%左右；
    曲线半径越小，轮缘磨耗还会增加更多，因此，山区铁路采用B0-B0-B0机车比较合适。以此推断，转向架采用D0-D0轴列式，上述两方面性能指标会比C0-C0机车更差，山区铁路采用八轴机车的优势将坦然无存。更重要的是轴距增加会直接导致车体前后两车钩中心距加长，如DD35、DD40-X 机车前后两车钩中心距分别为26 797 mm、30 143 mm，显而易见已超过GB 146.1—1983《标准轨距铁路机车车辆限界》所规定的我国机车长度限制标准，影响行车安全，即使研制出来也不允许上线运行。正因为如此，D0-D0轴列式的机车美国后来再也没有生产过。

    1.2 B0-B0-B0-B0 轴列式

    B0-B0-B0-B0（为书写方便，简记为“4B0”，下同）轴列式机车其想法起源于B0-B0-B0（简记为“3B0”）机车，中间转向架相对车体在横向比较自由，而纵向和垂向受到较强的限制以传递牵引力（或制动力）和车体质量。如前所述，这种3B0轴列式机车的优势主要体现在通过曲线时性能优异，尤其适合于在山区小半径曲线线路上运用，但也有两个明显的缺点，一是结构复杂，维修不便，增加了维护成本；
    同时中间转向架与两端转向架不能互换，也直接增加了制造和维保成本。二是车体对中间转向架的横向运动约束很弱，中间转向架几乎不能承担通过曲线时车体的未平衡离心力（或向心力），它只承担转向架本身的未平衡离心力（或向心力）。采用这种3B0轴列式的机车有我国SS7 系列电力机车、从日本进口的6K 电力机车、瑞士的Re6/6 电力机车以及我国出口缅甸的CKD7 内燃机车等。此外，意大利、南斯拉夫、美国、法国、瑞典、英国和前苏联等均制造了3B0机车，目前世界上投入使用的3B0机车有3 000 台左右。

    机车若采用4B0轴列式，可以预测该机车通过曲线时转向架轴距短、转向容易，轮对冲角小，但由于中间两个转向架都几乎不能承担车体的未平衡离心力（或向心力），导致车体未平衡力将几乎全部由两个端转向架承担，会导致两个端转向架横向轮轨力增加，因而仍然不能很好地解决曲线上轮、轨磨耗问题。同时，对于内燃机车而言，也会使油箱布置困难，车体也得加长。正因为如此，目前世界上还没有哪个国家的铁路真正采用4B0轴列式机车。

    1.3 B0-B0＋B0-B0 轴列式

    正因为单节八轴机车采用上述两种转向架结构型式均不太理想，若将这两种结构形式综合考虑就产生了B0-B0＋B0-B0轴列式机车方案。即先由两个二轴转向架联接而成一个四轴转向架，而车体通过三系悬挂位于两个四轴转向架构架上，这样既能保证机车具有良好的曲线通过性能和较好的运行平稳性，又能借鉴国外许多单节八轴机车的运用情况和实践经验，如前苏联的T3M7[6]、T3 136、2Т3126、Т3Π80、T3PA1机车，美国的U50B、世纪855 机车，法国的BBBB3600、AD64-4B、B0B0B0B06300 机车以及捷克生产的Ч3М25 机车等。根据目前所检索的资料来看，这类机车运用情况良好。

    值得注意的是，1997 年2 月，俄罗斯科洛姆纳工厂生产了该国首台三相交流传动同步电机牵引的高速干线电力机车。机车型号命名为З200，采用B0B0-B0B0轴列式，最高运行速度达到250 km/h，单节机车功率为8 000 kW，轴重21.5t，两车钩中心距长度为25 m。这种轴列式的机车转向架结构与普通意义上的B0B0-B0B0轴列式及D0-D0轴列式转向架都不完全相同，基本上介于这两者之间，是一种新型轴列式转向架，按照教科书[7]中转向架轴列式的分类方法，还没有合适的型号。这种轴列式机车曲线通过性能比B0-B0轴列式略差，但高速稳定性及舒适性都很好，因此，非常适合于高速列车的牵引，换言之，适合于牵引高速客运或货运列车，而国产化方案目前要着重考虑解决曲线上轮、轨磨耗大的问题，而不是高速运输问题，尤其现在我国高速动车组技术、制造、维保及运用经验都达到世界先进水平，一般的高速运输问题都已解决，因此，本文对这种结构型式的机车不作具体介绍。

    目前我国铁路既没有进口，也没有生产单节八轴机车。要解决重载货运列车的牵引和小半径曲线上运行时轮、轨磨耗严重的问题，必须加快八轴机车国产化的研究和试制。如前所述机车采用B0-B0＋B0-B0轴列式比较适宜。但与传统四轴、六轴机车结构有所不同，即在转向架与车体之间多了一个部件——过渡构架，因此，为了使过渡构架也成为机车有机整体的一部分，机车采用三系悬挂。每台机车有2 个四轴转向架单元，每个四轴转向架单元又主要由2 个二轴的B0 转向架、1 个过渡构架、1 组牵引装置和三系悬挂系统构成。

    车体通过三系悬挂装置落在过渡构架上，三系悬挂装置由圆弹簧和垂向减振器、横向减振器组成，过渡构架通过二系悬挂装置落在两个构架上，将两个构架组成一个单元。二系悬挂装置为橡胶堆。每构架通过一系悬挂装置和转臂式轴箱体连接，一系悬挂装置由轴箱弹簧、一系垂向减振器和转臂橡胶关节组成。转臂式轴箱体通过滚动轴承与车轴连接。牵引电机一端通过抱轴箱抱在车轴上，另一端通过橡胶块与构架相连。在二系悬挂中设有横向止挡，三系悬挂中设有摇头止挡和横向止挡。牵引装置通过车体牵引座、转向架牵引座，直接将转向架与车体连接起来，传递纵向牵引力和制动力，因此，机车牵引力和制动力的传递与过渡构架无关，其结构见图1。

    图1 B0-B0＋B0-B0 八轴机车结构简图

    结构设计完成后，对其进行了动力学仿真计算和分析，着重进行了机车曲线通过时的性能分析，计算模型见图2，计算结果见表1。表1 中导向力和横向力为负，说明力的方向指向钢轨外轨。由表1 可知：B0-B0＋B0-B0轴列式机车确实具有良好的动力学性能，尤其具有优良的曲线通过性能。

    表1 机车以70 km/h 通过300 m 半径圆曲线时第一轮对的动力学指标（均值）

    图2 单节八轴机车的计算模型

    计算时曲线设置情况为：30 m 直线-120 m 缓和曲线-200 m 圆曲线-120 m 缓和曲线-30 m 直线组成的一段完整的曲线，曲线半径是300 m，线路无轨距加宽。机车曲线通过时按美国5 级线路不平顺的轨道谱施加激扰，与平稳性计算中考虑的轨道不平顺一样，它包括左、右轨的横向不平顺和垂向不平顺，并同时考虑了不平顺的位移、速度和加速度激扰。当机车通过速度为70 km/h 时，外轨超高分别取60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 进行计算。

    虽然对单节八轴机车结构原理的理解已经很深入了，但使八轴机车真正要满足我国GB 146.1—1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的限界要求却很难，难点在于：

    1）机车长度限界。要发挥八轴货运机车的牵引能力，牵引电机功率要大，才能满足牵引5 000 t 列车的要求。采用直流牵引电机虽然功率大，但质量大、尺寸也大，使得转向架的长度增加，车体长度也随之加长。

    2）机车高度限界。现有设计方案二轴转向架的构架与中间过渡构架在垂向即使错开布置，以尽量降低车体的总高度，在保证两种构架和车体强度及刚度的情况下，车体的总高度也满足不了我国现有的高度限界。

    3）机车宽度限界。若将二轴构架与中间过渡构架在同一个水平内错开布置，宽度限界要求会给这种结构设计方案带来很大困难。因为两种构架既要满足各自的强度要求，又要满足各种运动关系的要求，尤其通过的曲线半径越小，此关系要求更高。

    4）牵引机构限界。单节八轴机车的牵引机构既要使机车的黏着质量利用率高，充分发挥机车大功率的作用，以满足牵引重载列车的要求，又要结构简单、可靠，还要满足转向架与车体之间的各种运动关系的要求，更要兼顾车体限界要求，难度非常之大。

    随着重载铁路运输的不断发展，要求对机车转向架进行结构改进与优化，以增强机车的牵引动力和确保运车安全。转向架要逐步实现轴重大、自重轻、动作用力低的技术进步，采用自导向径向转向架或导向臂式转向架，可缓冲轮轨之间的横向作用力，减少摩擦程度。另外，将计算机信息技术应用到机车制动系统中，在机车制动过程中发挥较大的智能控制作用，实现制动方式的重大飞跃。

    为满足我国繁忙干线开展重载运输、山区铁路提高运能以及抗灾、救灾的需要，应尽速研制大功率的B0-B0＋B0-B0轴列式单节八轴内燃机车，同时也会填补我国内燃机车型谱中的空白。由于八轴机车本质上是采用了两轴转向架，可大大降低轮轨磨损及钢轨更换频率，提高列车运行的安全度，同时减小车轮和钢轨的维修工作量及维保成本。

    现有牵引方案虽然达到了同类机车的世界先进水平，但机车黏着质量利用率还是稍低，启动工况最低利用率仅为87.80%，比DF4 系列机车还略低，比较理想的情形是黏着质量利用率要能达到90%以上。

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