HXN3B机车设计原理转向架图文.docx
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HXN3B机车设计原理转向架图文
文件类别:
时间:
设计说明20120319项目名称及编号:
文件编号:
交流传动内燃调车机车技术方案研究
2011J010-B
8F9Z-1
拟稿:
校核:
审核:
批准:
刘庸高震天曲天威张思庆
交流传动内燃调车机车
转向架设计说明
中国北车集团大连机车车辆有限公司
2012年4月
目录
1转向架总体概述...................................................2
2主要技术参数.....................................................3
3计算验证.........................................................4
4关键零部件介绍...................................................54.1构架.......................................................54.2轴箱及其定位结构...........................................64.3悬挂装置..................................................104.4轮对及驱动装置............................................124.5牵引装置..................................................154.6基础制动装置..............................................154.7附属装置..................................................16
4.8各种间隙及止挡............................................17
5主要部件通用化介绍..............................................17
6计算文件........................................................19
1转向架总体概述
转向架是机车的关键部件之一,对机车运行的安全性、稳定性、舒适性和可靠性产生极为重要的影响,应具有足够的安全可靠性及运动稳定性储备,优良的运行平稳性以及较小的轮轨动作用力,并兼顾曲线通过性能,调车机车转向架的设计满足了以上的要求。
作为交流传动调车机车,为满足GB146.1‐83《标准轨距铁路机车车辆限界》中车限3的要求,该车车轮采用了直径为1250的整体车轮,使机车底部加高,保
证了顺利通过机械化驼峰的要求。
该车转向架继承了HXN3机车转向架良好的动力学通过性能,在新轮新轨条件下,该机车的非线性稳定性临界速度为190km/h,满足实际运行最高速度100km/h的运用要求;机车具有良好的直线运行性能。
直线上,机车在最大运用速度范围内,在AAR5级线路运行时,机车端部横向平稳性指标略超过良好的限制范围,在AAR6级线路上运行时,机车端部横向平稳性略低于良好的限制范围,在两种线路上机车端部垂向平稳性均在优秀范围。
在直线上最大运用速度范围内,机车轮轴力、脱轨系数、轮重减载率等各项指标均低于标准的安全限值。
同时,该转向架具有良好的曲线通过性能。
在美国4级线路上,对于R100、R300、R400、R600四种不同的曲线,只要机车曲线通过时未平衡离心加速度在0.6m/s2之下,机车各项评价指标都满足要求。
在美国5级线路上,机车的曲线通过性能还略优于4级线路。
转向架设计本着“先进、成熟、经济、可靠”的精神,采用经实践检验的 成熟可靠的先进技术,在保证转向架具有良好的动力学性能的同时,还融入了HXN3机车少维护、长检修周期和良好的可接近性等设计理念,并且尽量满足了标准化、模块化的要求。
该转向架的主要技术特点:
1直径为1250的整体车轮,满足调车机车通过机械化驼峰的要求。
2牵引电机的布置采用顺置方式。
3电机悬挂采用刚性轴悬结构。
4轴箱轴承采用免维护的AAR K级圆锥滚子整体单元轴承。
5一系悬挂系统采用单拉杆轴箱定位+螺旋弹簧方式,一、三轴安装垂向
减振器。
6二系悬挂系统采用橡胶旁承结构,辅以各向减振器。
7牵引装置采用成熟可靠的四连杆牵引结构。
8基础制动采用踏面制动方式。
图1 转向架总图
2主要技术参数
轴式 C0‐C0
最高运行速度（km/h 100
最高试验速度（km/h 110
轨距（mm 1435
轴重（t 2533
+
-% 轴距（mm 1900
两转向架中心距（mm 12140
机车全轴距 （mm 15940
轮径（mm（新/全磨耗 1250/1150 轮对内侧距 （mm 1353
踏面形状 JM3
牵引电机功率（kW 690
传动方式 单侧斜齿传动 传动比 5.6875（91/16 启动牵引力/转向架（kN 280
电机悬挂方式 刚性轴悬
轴箱止挡自由横动量（mm 2—15—2
弹簧静挠度:
一系（mm 117mm
二系（mm 19mm
一系垂向刚度（kN/mm（每轴箱 2×0.419
一系横向刚度（kN/mm（每轴箱 2×0.4
二系垂向刚度 （kN/mm 4×6.5
二系横向刚度（kN/mm 4×0.2
牵引点高度（mm 825
基础制动方式 踏面制动
机车通过最小曲线半径（m 100（V≤5km/h 驱动装置最低点距轨面高度（mm（新轮 168
转向架总重（t 25.0
簧下质量（kg 4984
转向架相对车体最大回转角（° 4.3
扫石器距轨面高度（mm
（在踏面允许磨耗范围内可调30
3计算验证
根据设计结构和技术参数进行了如下计算验证:
机车动力学计算、齿轮强度计算、制动距离计算、一系弹簧计算、二系弹簧计算、机车几何曲线通过计算、构架强度计算。
以上计算的结果证明了该转向架的设计完全能够满足调车机车的正常运用,为转向架的设计提供了理论依据。
4关键零部件介绍
4.1构架
构架是转向架各部件的安装基础,承受并传递各种载荷,强度设计和刚度设计是构架设计的重点。
方案设计着重考虑构架上有关零部件的相对位置及安装空间,尽量使结构重量和受力分布比较均匀。
构架采用三轴转向架构架传统的“目”字形焊接钢结构,由两根侧梁、两根横梁和前、后端梁构成,各梁均为薄板焊接成的箱形梁。
侧梁采用直梁结构,并设置轴箱拉杆座、各油压减振器座和各止挡座等部件。
为减少构架的应力集中,各梁连接处采用圆弧过渡。
构架焊接符合EN15085标准体系,构架在焊接完成后,进行整体退火、喷完强化等处理和整体机加工。
依据UIC615-4《Motivepowerunits-Bogiesandrunninggear-Bogieframestructurestrengthtests》,TB/T2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》三个标准,目前已完成该构架的静强度和疲劳强度计算。
计算结果表明在静强度计算工况下,构架结构能够满足UIC615-4标准的静强度及TB/T1335-1996要求;在疲劳强度计算工况下,疲劳强度满足UIC615-4中采用Goodman曲线对疲劳强度评定的要求。
图
2构架
图3构架上的各安装座
4.2轴箱及其定位结构
主要包括轴箱上箱体、轴箱拉杆、一系弹簧、一系垂向减振器、减振垫、横向止挡、轴箱底盖等。
轴箱采用单侧轴箱拉杆定位,轴箱拉杆长度为
660mm,轴箱拉杆两端采用球型橡胶关节,和轴箱弹簧一起实现轴箱定位。
轴箱是一个剖分式的结构,由上、下两部分组成,前盖、横向止挡与上箱体集成在一起,这种结构的一个优点就是提高了轴箱的整体强度,同时减少了轴箱的加工量和螺栓等零件的安装数量。
轴箱体结构如图4、图5所示。
图4轴箱装配
1.上箱体2.底盖
图5轴箱上箱体
轴箱上箱体提供轴承安装界面,传递垂向和纵向载荷,下箱体起到起吊轮对以及加强轴箱装配强度的作用。
两体式轴箱装配大大减化了零件更换工作,便于转向架车轮的维修。
轴箱与构架通过单侧轴箱拉杆弹性连接,把机车簧上部分的重量传递给轮对,同时将来自轮对的牵引力、制动力、横向力等传递到构架上。
轴箱拉12
杆两端为橡胶球关节,杆身断面为工字形的。
由于橡胶关节径向刚度大,回转刚度小,因而使轴箱纵向具有较大的定位刚度,并可使轴箱相对于构架能自由沉浮及绕本身轴线回转。
轴箱拉杆与轴箱的连接点在车轴中心线的水平面上,这样在传递牵引力时不会使轴箱产生偏转力矩,保证左右两组轴箱弹簧受力均匀。
轮对牵引电机装配的横动量是通过安装在轴箱体上的一个垫板和用螺栓紧固在构架上的非金属垫板（横向止挡相互配合来保证在规定的范围内,这种设计保证了横动量易于检查,同时又非常易于调整和更换,见图6。
端轴轴箱上的弹性横向止挡能够保证止挡单边间隙为2~3mm,以保证良好的稳定性;中间轴轴箱上的刚性横向止挡能够保证止挡间隙为15mm,满足曲线通过的需要。
图6横向止挡
1.调整垫片2.横向止挡横向止挡是一种硫化橡胶的金属板,它能够提供合适的刚度,以实现良好的横向运行性能,较高的稳定性,并且为横向力从轴箱传递到构架提供接触点。
这种定位和安装方式能够确保在不落轮的前提下,为保持合适的横向间隙而进行检查、加垫调整或更换时的易操作性。
垂向止挡是由轴箱体的上平面和轴箱横向止挡座下表面配合形成的。
在机车的整备状态下,垂向止挡的名义高度间隙为55mm。
如图7所示,为保持弹簧所处的位置不变,在每组弹簧内部和轴箱间装
有一个自锁装配。
这个自锁装配包含了一个焊在构架上的上自锁支座,以及
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一个安装在轴箱体锥形孔内的下自锁支座。
一条自锁链条通过圆柱销和开口销与上下支座连在一起,下支座通过一个压板固定在轴箱体内。
轴箱里有链条保护装置,它可以防止自锁链条接触到弹簧。
自锁链条的作用有两个,一个是防止转向架起吊过程轮对和构架脱离,另一个作用是在进行轮对解体维修时,保证轴箱弹簧、轴箱体上部等零件与构架仍连为一体,降低拆卸和组装工作量。
图7一系互锁装配
1.一系自锁链条2.轴箱上箱体3.下支座和压板
轴箱轴承装配采用双列圆锥滚子全密封式的整体单元轴承,轴承油脂已提前注入,在组装过程中不需加脂。
这种全密封的轴承最大的优点是轴箱不需要任何密封设计,在车轮的寿命周期内不需要进行任何的添加润滑和保养,见图
8。
图8轴箱轴承装配
1.后盖2.轴承装配3.端盖4.锁片5.高强度螺栓1
2
3
4.3悬挂装置
悬挂系统主要是由一系悬挂、二系悬挂及电机悬挂等组成,见图9。
图9一系悬挂
1.垂向减振器2.轴箱体3.轴箱拉杆4.橡胶减振垫5.双圈弹簧一系悬挂主要由双圈弹簧组成,横向和垂向方向分别由横向止挡和垂向止挡来限制,纵向方向由轴箱拉杆来限制。
一、三轴上的横向止挡通过1mm厚的调整垫片来维持与焊接在构架上的横向挡板之间的间隙在2‐3mm的范围之内;中间轴的横向止挡则保证与横向挡板之间的间隙在15mm左右。
横向挡板是一个尼龙材料的磨耗件,在机车的正常运用过程中,随着横向挡板的磨耗损失,横向间隙会加大,过大的横向间隙虽然有利于机车的曲线通过,但会加大机车在平直轨道上的蛇形运动,所以,横向间隙需定期检查,使之保证在一定的范围内。
横向挡板是通过4个安装螺栓把紧在构架的一个焊接支座上,焊接支座的底部是一个加工平面,与轴向体的上平面组成垂向止挡,垂向止挡间隙为55mm,起到了一个在垂向方向上限制构架移动的作用。
垂向止挡在完全接触时,弹簧离全压缩挠度仍有20 mm的裕量。
一系弹簧静挠度较大,配合橡胶减振垫和垂向减振器,衰减和吸收轮对的振动和冲击。
二系悬挂主要由橡胶旁承、横向减振器、抗蛇形减振器等部件组成,这三大部件分别与车体连接在一起,起到进一步衰减和吸收车下所传递来的高频振动的作用,保证了机车的运行平稳性和驾乘的舒适性,见图10。
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图10二系悬挂
1.橡胶旁承2.横向减振器3.抗蛇形减振器两个二系抗蛇行减振器纵向对称安装在构架和车体底架之间,用来衰减转向架的蛇行运动以实现机车在高速运行时的稳定性。
两个二系横向减振器分别朝着左右两个方向安装在构架的两个横梁立板上,另一端与车体底架上的安装座连接在一起,确保机车具有良好的横向运行品质。
构架上设有二系弹性横向止挡来限制转向架和车体底架之间的横向移动,在构架上同样设有四个摇头止挡,来限制转向架旋转,防止诸如二系弹簧、二系减振器、牵引电机通风道、电机大线、空气软管等转向架和底架间的连接部件超限。
牵引电机的悬挂方式采用的是轴悬式,与轮对、滚动抱轴箱、齿轮箱等一起组装成一个整体,然后座落到构架上。
牵引电机的一端由两个抱轴承刚性支承在车轴的抱轴径上;另一端弹性地悬挂在转向架的构架上。
吊杆不论从结构上还是性能上都是电机悬挂中一个重要的部件,吊杆的两端设有橡胶球关节,保证了牵引电机与构架的弹性连接,可以有效地吸收从轮对电机传递过来的高频振动。
同时,为了安全起见,构架上设置了安全托板,防止在吊杆失效时,牵引电机脱落到轨道上,如图11所示。
2
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图11电机吊杆的安装位置
1.安全托2.电机吊杆
4.4轮对及驱动装置
如图12所示,主要包括车轮、车轴、轴箱轴承、牵引电机及驱动装置等。
图12轮对电机装配
1.车轮2.滚动抱轴箱3.齿轮箱4.轴箱轴承5.车轴6.牵引电机
1232456
1
车轴材质是按照AARM101标准选定的,材料是F级车轴钢,轴颈的设计与AARK级轴承相匹配。
车轴所有与轴肩相连的圆角都为单半径圆角,齿轮座与轮座间的卸载槽加工后进行滚压。
为满足机车顺利通过机械化驼峰的要求,车轮直径采用φ1250,区别于以往调车机车。
车轮为整体碾钢车轮,按照《中国铁路机车用粗制整体辗钢车轮订货技术条件》选定,外形在SSG4机车的整体车轮方案的基础上稍作改动,保证了结构的成熟可靠。
驱动装置主要包括滚动抱轴箱装配、主、从动齿轮以及齿轮箱装配等。
图13驱动装置
滚动抱轴箱装配主要包括滚动抱轴箱体、换向器端抱轴承、主动齿轮端抱轴承等。
抱轴箱体为铸造箱体,两端的抱轴承选取的都是圆锥滚子轴承,能够承受来自径向和轴向载荷,见图14。
图14滚动抱轴箱装配
从动齿轮为斜齿齿轮,旋向为左旋,齿数Z=91,材质为8822H钢,齿表面经渗碳处理;主动齿轮齿数旋向为右,齿数Z=16,材质为43B17钢,主、从动齿轮的中心距为515mm。
齿轮箱为焊接结构,分上、下箱体,下箱体的侧面焊接有一个凸台,下箱体通过凸台与抱轴箱之间用高强度的螺栓相连接。
上、下箱体的轴孔配合面装有特殊材料所制成的密封圈,配合以相应的密封胶,能够保证很好的密封性能。
上箱体的侧面有一个通气器,其主要作用就是机车在运行过程中,由于齿轮润滑油温度升高,箱体内空气压力增大,维持箱体内外的气压平衡,具体结构见图15。
图15齿轮箱装配
4.5牵引装置
牵引装置是连接车体与转向架的重要部件,其主要作用是传递机车的牵引力或制动力。
并且机车运行时,牵引装置应适应机车车体与转向架之间的各种相对运动,使这些运动不应存在约束。
该车牵引装置采用了与东风4机车类似的四连杆机构,由2个牵引杆,2个拐臂和1个连接杆等组成,通常称为牵引杆装配,其结构如图16所示。
图16牵引杆装配
牵引杆由杆体（钢管、叉头等组焊而成,两端分别连接到拐臂和车体的牵引座。
为保证车体和转向架之间的相对运动,牵引杆两端的连接部位均采用了免维护的关节球轴承和销轴的结构,保证了转向架和车体之间各个方向的力的传递。
免维护的关节球轴承可以通过其内部的自润滑材料保证其在大修其内完全免维护,化繁为简,大大减少了机车正常运行过程中的检修维护工作。
4.6基础制动装置
基础制动装置采用的单侧踏面单元制动器,以空气作动力,由制动缸、传动机构和间隙调整器组成,闸瓦采用的是高摩合成闸瓦。
转向架的端轴和中间轴分别安装一个弹簧停车单元制动器,可以满足在30‰坡道停车的要求;其余部位安装常用空气单元制动器,可以满足在100 km/h初速度情况下,紧急制动距离≤800 m的要求。
两种单元制动器基本结构如图17所示。
图17单元制动器
4.7附属装置
附属装置主要包括撒砂管、扫石器、轮缘润滑装置、转向架配管、进风道等。
轮缘润滑采用HB‐2型轮缘润滑装置,布置于转向架前端。
砂箱安装在车体上。
扫石器装配区别于HXN3机车原有的悬臂结构,通过结合构架前端梁的重新设计,安放于前端梁的安装座上,彻底消除了扫石器的安全隐患,保证了扫石器的安全可靠运用,见图18。
图18HXN3
机车与该车扫石器结构对比
4.8各种间隙及止挡
为确保机车运行安全,转向架上设有安全止挡。
一系横向止挡间隙:
2（自由+5（弹性-15-2（自由+5（弹性;一系垂向止挡,间隙:
55mm;
二系横向止挡,间隙:
55mm,其中40mm自由间隙,15mm弹性间隙;二系摇头止挡,间隙:
130mm,按转向架与车体回转角4.3°考虑;
5主要部件通用化介绍
5.1主要部件统计表
序号名称采用成熟部件成熟部件改进设计新开
发
备注
1转向架◇
2侧旁承◇
3轴箱弹簧◇
4转向架构架◇
5车轮◇
6车轮毛坯◇
7车轴◇
8车轴毛坯◇
9轴箱◇
10轴箱轴承◇
11垂向减震器◇
12横向减震器◇
13抗蛇形减震器◇
14轮缘润滑装置◇
15牵引装置◇
16抱轴承◇
17主动齿轮◇
18从动齿轮◇
19抱轴箱体◇
20轴箱拉杆◇
21电机吊杆◇
22一系弹簧◇
23制动单元◇
24整体起吊◇
25齿轮箱◇
5.2主要部件通用化图表
图19 部件数量对比图标
图20部件数量对比百分数图表
6计算文件
附件10:
交流传动内燃调车机车动力学计算报告
附件11:
交流传动内燃调车机车转向架构架静强度与疲劳强度计算报告附件12:
交流传动内燃调车机车一系弹簧计算
附件13:
交流传动调车机车二系橡胶旁承计算
附件14:
交流传动内燃调机车牵引齿轮计算报告
附件15:
交流传动内燃调车机车几何曲线通过计算
附件16:
交流传动内燃调车机车制动距离计算
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