（光学工程专业论文）大功率交流传动货运机车整体驱动系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为我国自主开发大功率交流传动货运机车先进的驱动系统，本文重点研究 我国引进的1 2 0 k m h 交流传动货运机车的整体驱动系统技术。通过对国际上交 流传动货运机车三种主要驱动系统方案的比较分析，确定该驱动系统的结构方 案为主动齿轮两端支承、叠片式膜片联轴器、斜齿圆柱齿轮传动、齿轮箱和电 机一体式的整体驱动系统。 根据列车牵引性能和规定剩余加速度的要求，确定c o m c o 机车的单轴功率 为1 6 0 0 k w ，牵引5 0 0 0 t 6 0 0 0 t 重量，在平直线路上速度为1 2 0 k m h 时，剩余加 速度为0 0 1 3 m s 2 。主动齿轮采用两端支承，四点角接触球轴承轴向定位，根 据s k f 额定寿命计算公式，轴承寿命均大于3 0 0 万公里。 基于在a n s y s 计算三种工况下传动齿轮的单点和双点啮合时，轮齿的齿根 弯曲应力和齿面接触应力。结果表明：主动齿轮齿根弯曲应力和接触应力沿齿 宽方向逐渐减小，靠近扭矩输入端出现最大值且变化率较大，远离扭矩输入端 应力变化平缓，单点啮合较两点啮合危险。 在电机轴和主动齿轮轴之间采用叠片式膜片联轴器，首先确定膜片联轴器 的结构方案和主要结构参数，从而分析联轴器的强度和扭转刚度、弯曲刚度、 轴向刚度和径向刚度等。该联轴器：扭转刚度，基本为常量3 7 8 1 0 7 n m t a d ； 弯曲刚度随弯曲轴转动，呈余弦变化趋势，周期6 0 度，最大弯曲刚度为 3 6 5 4 x 1 0 3 n m t a d ；径向刚度为1 0 9 数量级。 计算扭矩变化的六种不同工况下，由电机轴和主动齿轮轴的附加位移对轴 承载荷的影响在2 以内。在电机转速为4 0 6 5 r m i n 和2 2 7 5 r m i n 时，转子系统 在g 1 6 、g 6 3 和g 2 5 三种平衡精度等级下，动不平衡对轴承载荷的影响在7 以内。采用径向梯形齿均匀端齿盘联结联轴器和主动齿轮轴，有效的解决大扭 矩的传递和空间紧张问题。最后给出整体驱动系统的装配工艺方案，并分析主 动齿轮轴和从动齿轮轴平行度的尺寸链，为保证传动齿轮运动的6 级精度，需 要各组成环的精度等级均在六级以上。 该驱动系统方案可满足单轴功率为l6 0 0k w 的机车需要；该系统的核心技 术为叠片式膜片联轴器，保证足够大的径向刚度和合适的弯曲刚度是该系统的 关键。 关键词：机车驱动系统：牵引功率；联轴器；刚度：端齿盘； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fw h o l ed r i v es y s t e mf o rf r e i g h tl o c o m o t i v eo fa cd r i v ea tt h e s p e e do f12 0 k m hi ss t u d i e d ，i no r d e rt od e v e l o pi n d e p e n d e n t l ya d v a n c e dd r i v e s y s t e mf o ri t t h es t r u c t u r es c h e m eo fd r i v es y s t e mt h a ti s d r i v eg e a rs u p p o r t e d a v e r a g e l yb yt w op o i n t s ，f l e x i b l ec o u p l i n ga d o p t e d ，d r i v e db yh e l i c a lc y l i n d r i c a lg e a r , g e a r b o xw i t hm o t o rt o g e t h e ri sm a d es u r e ，b yc o m p a r i n go nt h r e em a i ni n t e m a t i o n a l d r i v es y s t e m s t h eu n i a x i a lp o w e ro fc o - - c 0l o c o m o t i v ei sc h o s e na s16 0 0 k w , w h i c hc a nh a u l 5 0 0 0 to r6 0 0 0 to nt h es t r a i g h tr o a da st h ev e l o c i t yo f12 0k m hw i t hr e s i d u a l a c c e l e r a t i o no fo 013 r n s z ，a c c o r d i n gt ot r a c t i o ni n d e xa n dp r e s c r i p t i v er e s i d u a l a c c e l e r a t i o n d r i v eg e a ri ss u p p o r t e da v e r a g e l yb yt w op o i n t s ，a n df o u r - p o i n tc o n t a c t b a l li su s e dt ob ea x i a lp o s i t i o n i n go fi t i nr e s p o n s et os k fc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f b e a r i n gl i f e ，t h el i v e sa r em o r e t h a nt h r e em i l l i o nk i l o m e t e r s t h eb e n d i n gs t r e s so ft o o t hr o o ta n dc o n t a c ts t r e s so ft o o t hs u r f a c ef o rd r i v e g e a ra r ec a l c u l a t e do nt h r e ec o n d i t i o n sb ya n s y s ，w h e nm e s h i n go fg e a ri so nt h e o n ep o i n ta n dt w op o i n t s t h er e s u l t sa r ei n d i c a t e dt h a tt h eb e n d i n ga n dc o n t a c ts t r e s s r e d u c eg r a d u a l l yt h r o u g ht o o t hb r e a d t hd i r e c t i o n ，a n dt h er a t ei sl a r g e rc l o s et ot h e e n do fi n p u t t i n gt o r q u e ，a n dt h er a t ei ss m a l l e rf a rt oi t ，a n dt h ec o n d i t i o no fs i n g l e m e s h i n g i sm o r ed a n g e r o u st h a nt h a to fd o u b l e p o i n tm e s h i n g t h ef l e x i b l ec o u p l i n gi sa d o p t e db e t w e e nt h ea x l eo fm o t o ra n dt h ea x l eo fd r i v e g e a r f i r s t l y , t h es t r u c t u r a l s c h e m ea n dm a i np a r a m e t e r sa r em a d es u r e ，t h e n a n a l y z i n gs t r e n g t h ，t o r s i o n a ls t i f f n e s s ，b e n d i n gs t i f f n e s s ，a x i a ls t i f f n e s sa n dr a d i a l s t i f f n e s sf o rt h e c o u p l i n g t h e t o r s i o n a ls t i f f n e s si sac o n s t a n tv a l u et h a ti s 3 7 8 e + t n m r a d ，a n dt h eb e n d i n gs t i f f n e s sh a st h et r e n do fc o s i n ea st h ep e r i o do f6 0 d e g r e eb yr o t a t i n ga r o u n db e n d i n ga x l e ，a n dt h em a x i m u mo fb e n d i n gs t i f f n e s si s 3 6 5 4 e + 3 n m r a d t h er a d i a ls t i f f n e s si st h em a g n i t u d eo f10 9 n m b yc a l c u l a t i n gs i xc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt o r s i o n s ，w ek n o wt h a tt h ea d d i t i o n a l d i s p l a c e m e n to fm o t o ra x l ea n dd r i v eg e a ra x l ea f f e c t st h el o a do fb e a r i n gw i t h i n2 t h ed y n a m i c - u n b a l a n c eo fr o t o rs y s t e ma f f e c t st h el o a do fb e a r i n gw i t h i n7 i nt h e g 1 6 ，g 6 3a n dg 2 5b a l a n c ea c c u r a c yg r a d e sa tt h er a t i o n a ls p e e do f4 0 6 5 r m i na n d 2 2 7 5 r m i n t h ep r o b l e m so fs m a l ls p a c ea n dt r a n s f e r r i n gl a r g et o r q u ea r es o l v e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll i 页 a v a i l a b l yb ya d o p t i n gu n i f o r mc r o w nw h e e lb e t w e e nd r i v eg e a ra x l ea n dc o u p l i n g a t l a s tt h es c h e m eo fa s s e m b l yp r o c e s sf o rt h ew h o l ed r i v es y s t e mi s g a i n e d ，a n d a n a l y z i n gt h ed i m e n s i o nc h a i no fp a r a l l e l i s mb e t w e e nt h ed r i v eg e a ra x l ea n dt h e d r i v e ng e a ra x l e t h ep r e c i s i o ng r a d e so fc o m p o s i t i o nl i n k sm u s tb ew i t h i nt h es i x t h g r a d ei no r d e rt oe n s u r et h es i x t hg r a d eo fm o t i o nf o rd r i v eg e a r t h er e s u l to fs t u d ys h o w st h a tt h i sd r i v es y s t e mi ss a t i s f i e dw i t ht h el o c o m o t i v e o ft h eu n i a x i a lp o w e ro f16 0 0 k w t h ek e yt e c h n o l o g yi st h ef l e x i b l ec o u p l i n g ，a n d t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st oe n s u r el a r g ee n o u g hr a d i a ls t i f f n e s sa n da p p r o p r i a t e b e n d i n gs t i f f n e s s k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e ；d r i v i n gs y s t e m ；t r a c t i v ep o w e r ；c o u p l i n g ；s t i f f n e s s ；c r o w n w h e e l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密匦使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：弼。孥 指导老师签名：夥幼乌彬 日期： 翮7 日期： 多蒯p 参叼 | 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 在交流传动货运机车驱动系统中采用壳式弹性联轴器联结电机轴和主 动齿轮轴，进行结构和参数设计研究，并仿真计算联轴器的扭转刚度、弯 曲刚度、径向刚度等。 ( 2 ) 在主动齿轮箱和从动齿轮箱接合面采用竖直分型。 学位论文作者签名：侧， 日期：枷吕，1 7 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第l 章绪论 近几年，我国轨道交通发展迅速，加快了机车车辆技术的发展。我国铁路 客运已实现六次大提速，时速1 6 0 k m h 以上的线路延展里程达到1 4 万公里， 时速2 0 0 k m h 以上的线路延展里程达6 0 0 3 公里。重载运输得到全面发展，大秦 线路大量开行1 万吨和2 万吨重载组合列车，将实现年运量3 0 亿吨。 客运列车向高速发展，货运列车向重载发展，无论高速或重载技术，机车 转向架是最关键的部件之一。驱动装置( 亦称牵引传动装置) 作为转向架的重 要部件，决定了转向架的运行性能和牵引性能。随着交流传动技术的快速发展， 三相异步牵引电机也向高转速、大扭矩、大功率方向发展。由于牵引电机的上 述特点，对于电机驱动侧轴承选择是一大难题。该轴承不仅承受较大的载荷， 同时需适宜于高转速。这样会使轴承产生“混杂润滑”形式的破坏，引起轴承 的早期故障。所以对于主动齿轮悬臂布置的传统结构( 简称悬臂结构) ，无法解 决这一矛盾。需开发一种新型的驱动系统，德国a e g 公司开发了g e a l a i f 驱 动装置【l 】。将主动齿轮支承不再是悬臂支承，而改为双侧支承( 简称两端结构) ， 齿轮箱与电机做成一个整体( 即整体承载结构) ，它具有较佳的牵引力传递路线 和新的冷却空气通路。因而作用在主动齿轮轴轴承上的作用力比采用悬臂主动 齿轮方案小5 0 ，同时提高了轴承的轴承寿命。同时，它也改变了主动齿轮轴 的悬臂结构，大大减小了小齿轮轴的变形挠度，改善了传动齿轮的啮合状态。 另外一种改进结构是将电机驱动端轴承移到主动齿轮外端( 简称外端结构) ，此 方案的整体性能优于悬臂结构，但较两端结构差。我国东风和韶山系列轴悬机 车驱动系统的主动齿轮一般采用悬臂结构，德国西门子的1 0 1 6 、1 1 1 6 机车驱动 系统采用了外端结构，而1 8 9 型机车则采用了两端结构。 2 0 0 7 年8 月18 日，铁道部与中国南车集团株洲电力机车有限公司在长沙签 署了总金额近3 0 0 亿元的1 2 0 0 台1 2 0 k m h 六轴大功率交流传动电力机车购销协 议，并正式签订了其中5 0 0 台的购销合同。此次购销协议中的六轴大功率交流 传动电力机车，单轴功率1 6 0 0 千瓦、总功率9 6 0 0 千瓦。这意味着大功率交流 货运机车的运用已在我国拉开了序幕，根据引进吸收再创新的原则，对该项目 中机车整体驱动系统进行分析研究。 该项研究意义在于，为我国开发1 2 0 k m h 大功率货运机车的转向架研制铺 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 平道路，提供该项目技术消化吸收工作，并为我国自主研发货运机车整体驱动 系统奠定基础。 1 2 国内外机车驱动装置发展历史及现状m ：一】 根据牵引电动机在转向架上安装方式的不同，驱动机构主要有轴悬式、架 悬式、体悬式( 或半体悬式) 三种。轴悬式即牵引电动机的一端由两个抱轴轴 承刚性地支承在车轴的轴身上( 或经弹性装置支承于轮心上) ，另一端弹性地悬 挂在转向架构架上；架悬式主要特点是将牵引电动机固装在转向架构架上，牵 引电动机属于簧上部分，牵引电动机与轮对之间用能适应各向相对运动的弹性 联轴器作为中间联结装置并传递扭矩。体悬式( 或半体悬式) 主要特点是将牵 引电动机固装在车体上( 或部分质量承载在车体上) ，其它结构与架悬类似。 自二十世纪六十年代中期以来，国际上机车动车的运行速度大幅度提高， 干线货运机车的结构速度为1 2 0 1 6 0 k m h ，干线客运机车的结构速度为1 6 0 - - - 2 5 0 k m h ，高速动车的结构速度为2 0 0 - - - 3 0 0 k m h ，个别型号动车己达3 5 0 k m h 。 为满足高速运行的经济指标，机车动车的功率也不断增大。三相异步交流电机 在机车上的应用获得成功，使每台牵引电动机的功率由7 0 0 - - - 8 0 0 k w 增大到 1 2 0 0 一- - 1 6 0 0 k w 。单电机转向架问世后，组合传动的牵引电动机，其功率就更大 了，如法国c c 2 1 0 0 0 型电力机车，其牵引电动机的小时功率达3 0 0 0 k w 。可见， 传动装置为适应机车动车的需要而向高速、大功率发展成为必然的趋势。然而， 各国的发展是不同的，差距也较大。以下就国内外机车驱动系统的现状介绍如 下： 法国：法国是机车、动车，特别是电力机车和电动车组较发达的国家之一。 二十世纪四十年代以前，由于机车的结构速度不高( 1 0 5 1 1 5 k m h ) ，牵引电动 机采用轴支承式悬挂，传动装置采用刚性或弹性齿轮传动方式，几乎有半个世 纪之久。四十年代末期，在动车组z 5 1 0 0 上进行了架支承式和轴支承式牵引电 动机传动装置的对比试验。试验结果表明，架支承式牵引传动装置具有许多的 优点。自此，新造机车动车逐渐改为采用架支承式电动机传动装置。1 9 4 9 年制 造了第一批结构速度为1 6 0 2 0 0 k m h 的c c 7 0 0 0 型电力机车，采用架支承式 a l s t h o m 传动装置。综观法国机车，其所采用的架支承式传动装置有两种基型： a l s t h o m 传动装置和j a c q u e m i n 传动装置。六十年代中期以前，前者应用较为广 泛。机车的轴功率一般在8 0 0 k w 以内。随着机车功率的不断提高，加之a l s t h o m 传动装置在动力学性能方面存在着严重的不足之处，在六十年代中期以后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 j a c q u e m i n 传动装置逐渐取代a l s t h o m 传动装置而成为更广泛采用的传动方式。 其机车轴功率达1 0 0 0 k w 以上，如b 留7 7 2 0 0 和b 信7 2 2 2 0 0 系列电力机车为 1 1 0 5 k w 。大致可以说，机车轴功率8 0 0 k w 是应用这两种传动装置的分界线。 1 9 5 8 年单电机转向架问世，它首先被应用在法国和瑞士联合设计制造的 b b 2 0 1 0 3 4 型电力机车和法国b b l 6 5 0 0 系列电力机车上。前者采用了j a c q u e m i n 传动装置，而后者采用了a l s t h o m 传动装置。单电机转向架为组合传动，各轴 间采用齿轮耦合。单电机转向架的应用日渐增多，法国在这方面积累了很多经 验，有较高的技术水平。 七十年代后期，运营速度达3 0 0 k m h 的t g v 电动车组试制成功。该车采用 “t r i p o d 传动装置，有较高的技术水平。试验时最高速度达到5 1 5 3 k m h 。 联邦德国：联邦德国在机车动车方面也是发展较早较快的国家之一。在二 十世纪前半个世纪内，大多数机车采用连杆式组合传动和弹性主动齿轮结构以 及轴支承式牵引电动机传动装置。机车的最高速度为9 0 k m h 。五十年代初期， 机车结构速度逐渐提高到1 3 0 1 5 0 k m h ，开始进行新结构传动装置的尝试。在 e 4 4 0 3 8 机车上进行了轴支承式和弹性轴支承式传动装置的比较试验。同时，试 制五台e 1 0 系列电力机车，分别装有四种传动装置：架支承式a l s t h o m 传动装 置、架支承式电机空心轴圆盘式弹性万向联轴节的b b c 传动装置、扇形橡皮块 弹性轴支承式的s i e m e n s 传动装置和电机空心轴十字形钢片弹性万向联轴节的 s 6 c h e r o n 传动装置。根据试验结果，决定自1 9 5 6 年起在批量生产的主型电力机 车( e 1 0 、e 4 0 、e 4 1 和e 5 0 等系列) 上采用弹性轴支承式的s i e m e n s 传动装置。 进入六十年代后，机车运行速度进而提高到1 6 0 k m h 、轴功率增至1 0 9 0 k w 。于 1 9 6 2 - - - ，1 9 6 5 年间制造了两台最高速度达2 0 0 k m h 的e 1 0 2 9 9 和e 1 0 3 0 0 电力机车。 它们分别采用h e n s c h e l - - a l s t h o m 传动装置和b b c - - s i e m e n s 传动装置。1 9 6 5 年，在这两台车试验的基础上又造了五台c o ，c o7 e 0 3 电力机车，轴功率最大达 1 5 0 8 k w ，最高速度仍为2 0 0 k m h 。对上述两种传动装置作进一步考验。试验最 高速度达2 5 6 k m h 。试验对b b c - - s i e m e n s 传动装置得出了肯定的结论。并在批 量生产机车上采用。1 9 7 9 年试制的e 1 2 0 电力机车也采用了相类似的传动装置， 区别仅在于扇形橡皮块改用六连杆机构。 联邦德国应用s i e m e n s 和b b c - - s i e m e n s 两种传动装置比较广泛。机车最 高速度在1 6 0 k m h 以内者采用弹性轴支承式的s i e m e n s 传动装置；大于此速度 的机车则采用b b c s i e m e n s 传动装置。 日本：二十世纪二十年代到五十年代中期，机车速度一般都在9 0 k m h 以下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 机车全部采用轴支承式牵引电动机传动装置。并曾先后用过片簧式和圆簧式以 及近年来广泛采用的橡胶弹性元件的弹性从动齿轮。五十年代中期，日本国铁 开始研究架支承式传动装置。1 9 5 7 年制造出了第一台装有q d 2 型架支承式牵引 电动机和空心轴传动装置的e d 7 0 型电力机车。此后，在五年多的时间内共造 了1 2 3 台装有这种传动装置的七种型号的机车。这些机车在实际运行中出现了 极为严重的缺点：由于齿轮箱同大气连通，砂尘侵入，混入润滑油中使齿轮轮 齿磨耗异常，轴系产生激振，引起各部尤其是牵引电动机频繁发生故障。更主 要的是这种结构的传动装置，其固振频率同机车常用速度( 4 0 5 5 k m h ) 下的 迫振频率极为接近，引起共振。这是无法补救的致命弱点。因此，自1 9 6 2 年起 停止应用这种q d 2 型传动装置，仍采用轴支承式牵引电动机传动装置。与此同 时，转向研究和试制数种形式的传动装置，如e d 7 1 4 5 型机车、e f 6 6 型机车装 有弹性轴支承式传动装置、原来装q d 2 型传动装置的e d 7 1 机车之一改装q d l 1 型传动装置( 同a l s t h o m 传动装置相似) 、e f 8 0 型机车装了q d 9 型传动装置( 同 j a c q u e m i n 传动装置相似) 、还有两种型式的单电机转向架机车( e f 3 0 和e f 8 0 ) 等，欲对这些传动装置作长期实际运用考验后择优选用。据近年来试用结果， 有采用弹性轴支承式传动装置的趋向。七十年代初，东海道新干线的电动车组 采用了平行力，少y 式传动装置，试运速度达2 8 6 k m h ，为动车的传动装置提供 了样机。 国内：对于轴悬机车，国产韶山和东风系列货运机车驱动系统总体可分为 两种类型：一种是电机在轮对端，用滑动抱轴承刚性支承在车轴的轴身上，在 非轮对端，电动机通过吊杆弹性吊挂在构架横梁上。主动齿轮与电机输出轴采 用过盈配合，将动力传给从动齿轮，然后从动齿轮再传给动轴。如d f 8 b 型内燃 机车、s s 。改型电力机车等；另一种是电机在轮对端通过滚动抱轴承刚性支承在 车轴的轴身上，其它结构与第一种类似，如d f 。内燃机车、s s ，电力机车等。 国内电机架悬驱动装置的类型，如具有轮盘制动结构的轮对空心轴式架悬 六连杆驱动装置。这种驱动装置的变速齿轮箱的输出大齿轮通过弹性六连杆联 轴节与空心轴相联，空心轴的另一端又通过另一组弹性六连杆联轴节驱动轮对 的一侧车轮，驱动力矩通过车轴传给另一侧车轮。该机构同时采用双侧轮盘制 动，即在车轮辐板的内外两侧上安装制动盘。采用这种驱动装置的有：株洲电 力机车有限公司研制的k z 4 a 型机车；1 9 9 9 年中国南车集团株洲电力机车厂研制 的d j 型2 0 0 k m h 交流传动电力机车的转向架；中国北车集团大同电力机车有限 责任公司试制的2 0 0 k m h 交流传动“天梭 号电力机车转向架。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 随着大功率交流传动技术的快速发展，现代电力机车的牵引电机，向着高 转速、大扭矩、大功率的方向发展。紧凑的大功率异步交流电机，可使机车牵 引电机的比功率( 单位质量的功率) 较直流电机提高3 倍左右，从而实现机车 大功率牵引。牵引电机的高转速、大功率、大转矩致使电机驱动端的轴承和齿 轮承受较大的载荷。对于电机主动齿轮悬臂布置的传统结构( 简称悬臂结构) 方式，由于杠杆比放大作用，使其驱动端轴承和齿轮的工作状况更加恶劣。并 且机车三相交流电机的冷却空气从牵引电动机的非输出端输入，热的废气在电 动机的传动齿轮箱侧排出，故而承受高载荷的输出端轴承还要承受电机废热的 热负荷，更加剧了轴承的工作环境，造成轴承的早期破坏。为改善其受力状况， 先进的大功率交流驱动系统采取两种改进结构，一种将电机驱动端轴承移到主 动齿轮的外端( 简称外端结构) ，另一种是在主动齿轮两端对称布置轴承，并采 用弹性联轴器传递扭矩( 简称两端结构) 。德国西门子的1 0 1 6 、1 1 1 6 机车驱动 系统采用了外端结构、而1 8 9 型机车则采用了两端结构。本文对两端结构的驱 动系统进行分析研究，并结合我国货运机车的现状对联轴器、端齿盘以及传动 齿轮进行详细的分析。 1 3 论文的主要研究内容 本文将着重研究解决以下问题： ( 1 ) 驱动系统的总体设计 ( 2 ) 传动系统方案和轴承选型分析 ( 3 ) 传动齿轮的结构设计与分析 ( 4 ) 联轴器结构方案和性能研究 ( 5 ) 端齿盘方的结构及性能研究 ( 6 ) 驱动系统的装配工艺方案分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章驱动系统的总体设计 2 1 驱动系统方案选择 2 1 1 驱动系统的设计原则 机车或动车的驱动系统是一种机械连接和动力传递机构，它包括从牵引电 动机到轮对的传动环节中的全部零件。其功能不仅确保牵引电动机的输出功率 可靠地传递给轮对，同时又要隔离轮轨冲击对电动机的影响。作为转向架的重 要部件，驱动系统决定着转向架的运行性能和牵引性能。对于理想驱动系统要 满足以下几个方面要求【2 4 】： ( 1 ) 驱动系统应具有旋转弹性。 机车起动时，特别是重载启动时，牵引电动机受有相当大的启动电流，牵 引电动机所发挥的旋转力矩存在着较强烈的脉冲，这会引起整个系统发生振动。 在采用刚性轴支承式传动装置的机车上，它们直接传至轮对。轮对出现滑动现 象，影响粘着利用，机车牵引力不能得到充分发挥。架承式驱动系统常采用具 有一定弹性的联轴器，将电机和轮对连接起来。具有旋转弹性的驱动系统，由 于弹性元件吸收振动而使粘着利用获得改善，机车牵引力也将有所提高。 ( 2 ) 不约束轮对的垂向运动，即对一系弹簧悬挂装置的影响应尽量小。 轮对通过一系弹簧悬挂装置和轴箱定位活节连接装置同转向架构架呈弹性 连接。作用在轮对上的各种力都经过这些装置直接传递给转向架构架。假如驱 动装置对轴箱弹簧有垂向内阻力存在，那么，作用在轮对上的各种力，有一部 分将按驱动装置和一系弹簧悬挂装置两者弹性常数的比例关系由驱动装置传 递。换句话说，就是驱动装置参与了一系弹簧悬挂装置的作用。而后者不再以 原设计参数工作。因此，驱动装置与转向架构架的垂向弹性连接刚度应足够的 小，以不影响一系悬挂装置的垂向工作状态为原则。 ( 3 ) 不约束轮对的横向运动，即对轮对的横向弹性不发生影响或影响尽量 小。 机车动车在线路上运行时，轮对上作用有横向力和横向冲击。为了缓和和 减小这冲击和作用力，轮对和构架之间的连接装置应具有一定的横向弹性。假 如驱动装置对轮对的横向运动有内阻力存在，那么，作用在轮对上的各横向力， 有一部分将按它们之间弹性常数的比例关系由驱动装置传递。而后者本身也承 受这些附加的横向力。所以，在设计驱动装置时，应当考虑到轮对的定位、导 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 向和弹性都仅只由轴箱弹簧装置和轴箱定位活节连接装置来保证。而驱动装置 尽量不影响或者尽可能小地影响轮对的横向运动。 ( 4 ) 不约束轮对的角位移，即对轮对相对构架的侧滚和摇头运动不发生影 响或影响尽量小。 轴支承式牵引驱动装置的电机常利用滚动或滑动轴承，两点支撑在车轴上， 一点悬挂在构架上。当轮对相对构架产生角位移运动时，电机悬挂装置仅应平 衡驱动力矩，而不应约束轮对的角位移运动。 架承式牵引驱动装置的电机常三点刚性或弹性安装在构架上，电机与轮对 间通过联轴器连接，传递驱动力矩。由于联轴器的万向作用，可将电机的驱动 力矩有效地传递给轮对，而不对轮对产生角位移约束。 驱动装置中，影响轮对的角位移的元件是电机悬挂装置或联轴器，因此， 其结构和弹性参数设计，需考虑有效地驱动轮对，而尽量小地影响轮对相对构 架的角位移。若设计不当，将会使轮对的跳动激扰直接传递给构架，影响转向 架的性能。 ( 5 ) 除轮对外，其他零部件应尽可能都是簧承质量。 机车的非簧承质量越大，机车通过钢轨接头和道岔时所引起的垂直加速度 和垂直冲击就越大。这种冲击力随机车运行速度的提高而急剧增大。高速机车 特别希望非簧承质量尽可能地小，以减小轮对的动力作用及其所引起的轴重变 化和改善牵引力的传递。 ( 6 ) 传动元件在发生持续或断续轴位移时不引起外部惯性力，即不发生不 平衡的作用力。 机车的轴重，是在机车组装和调试完毕后逐个称出的，并经调整轴箱弹簧 达到基本均衡。由于转向架构架、车轴活节式连接装置和电机机座等制造误差、 轴箱弹簧调整的误差及其位置变化等原因，在机车运行过程中轴位移实际上是 连续发生的。传动装置所处的位置总是使牵引电动机机座围绕转向架纵向中心 发生倾复的趋势，促使转向架产生摇摆振动，此外还使轴重引起增减的变化。 ( 7 ) 传动元件在发生持续或断续轴位移时，不引起内部惯性力。 轮对每转一圈都会引起连杆和平衡元件发生运动而产生附加的内部惯性 力。若轮对短时加速度达2 0 9 左右，则短时轴位移所产生的不平衡力和内部惯 性力将达到极高的瞬时值。因为不平衡力和内部惯性力同机车运行速度的平方 成正比地增长，所以很快就会达到临界状态。采用具有不平衡力和惯性力的传 动装置不仅在振动和运行技术方面，而且在应力和结构方面都将造成很大的困 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 难。不平衡力和内部惯性力的关系对各种连杆传动装置是不同的，只能作一个 总的评论：一般在轴位移相同时，不平衡力较小者，其内部惯性力就较大。 ( 8 ) 驱动装置应当不易磨损及无须维护。 ( 9 ) 驱动装置应允许轮对有足够的横动量。 为使机车动车，特别是三轴转向架的机车通过曲线时不致产生过大的导向 力和构架力。中间轮对有一定的横向移动一横动量，使其能在此范围内自由摆 动。因此，要求驱动装置对此横向位移不产生内阻力，或者尽量减小其影响。 2 1 2 驱动系统的方案确定 交流传动技术是当今世界铁路牵引动力的发展方向，因为它有着许多显著 的优越性，现代国外高速和大功率机车均采用交流传动技术。交流电动机由于 没有了换向器和碳刷装置的转速限制，可能使交流电机具有较高的转速和大的 扭矩，现在国外的机车交流电动机转速都在4 0 0 0 r m i n 以上，扭矩达到1 6 0 0 k w 。 由于转速的提高和扭矩的增大，电机重量可降低，体积可减小。转向架上交流 电动机的应用，给转向架的设计采用先进技术和新结构提供难得的机遇和可能。 以期充分发挥出交流电动机具有的大功率、高转速、低重量、小体积的特蒯5 1 。 机车采用异步交流电机之后，牵引电机的质量、体积和工作条件都有所改 善。因此，目前我国研制生产的1 2 0 k m h 大功率货运机车均采用异步交流电机。 对于货运机车国内外大部分采用轴悬驱动系统。目前国内外典型的轴悬式转向 架驱动系统有以下几种： ( a ) 传统的主动齿轮悬臂式安装的轴悬驱动系统，如图2 1 所示。牵引电 动机为轴悬式悬挂，即电机一端通过两个滚动轴承( 或滑动轴承) 刚性地支承 在车轴的轴颈上，另一端经橡胶垫或吊杆弹性地悬挂在转向架构架上。电机轴 输出端与主动齿轮相连，输出端轴承置于电机和主动齿轮之间，主动齿轮再将 电机输出扭矩传至从动齿轮，最后传到轮对上转化为牵引力。齿轮箱采用水平 分型，主动齿轮啮合力仅由电机输出端轴承承担。如东风4 b 型、东风4 d 型内燃 机车分别采用滑动抱轴承、滚动抱轴承轴悬驱动系统【7 1 。 这种驱动系统电机悬挂方式简单、拆装方便、易检修、成本较低、运用比 较可靠，广泛应用于国产第二代点传动机车。由于抱轴瓦与抱轴颈之间为滑动 摩擦，加之负荷较大、工作条件较差，运用中易发生抱轴瓦发热、碾片、剥离 甚至化瓦等故障，影响机车的运行安全。而采用滚动抱轴承驱动系统避免了以 上问题，但一般运用在速度低于1 2 0 k m h 以下，同时增加了成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 1 主动齿轮悬臂式安装的轴悬驱动 ( b ) 主动齿轮轴承外端式轴悬驱动系统，如图2 2 所示。牵引电机为轴 悬式悬挂，即电机一端通过滚动轴承抱轴箱装置悬挂在车轴上，另一端经装有 橡胶元件的吊杆弹性地悬挂在转向架构架上。主动齿轮通过过盈配合套在电机 轴上，将电机的输出扭矩传递到主动齿轮上，然后通过从动齿轮传至轮对。电 机输出扭矩的传递路线与图2 一l 基本相同，但电机输出端轴承布置在从动齿轮 外侧，齿轮箱承受载荷。如西门子e 6 3 1 0 0 和阿尔斯通d j 4 驱动系统均采用主动 齿轮轴承外端式驱动系统。 图2 - 2 主动齿轮轴承外端式轴悬驱动 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 外端式驱动系统改善了电机输出端轴承受力状况，提高了轴承的寿命。根 据相关研究删表明：在给定轴长参数条件下，外端结构轴承寿命为悬臂结构轴承 寿命的26 7 倍。齿轮的啮合状况也较悬臂结构有改善，同时轮齿的接触应力和 齿根弯曲应力都有减少。由于轴承仅布置在主动齿轮的外侧，齿轮箱的一侧承 受较大的载荷，将会产生偏载现象。 翻2 3 主动齿轮轴承两端式轴悬驱动 ( c ) 主动齿轮轴承两端式轴悬驱动系统o j ，如图2 3 所示。牵引电机的悬 挂与上述两种轴悬驱动系统相同，一端通过滚动轴承抱轴箱悬挂在车轴上，另 一端由装有弹性元件的吊杆吊挂在转向架上。电机输出端轴通过联轴器与主动 齿轮轴( 齿轮轴与齿轮做成一体) 相联，将扭矩传递到从动齿轮上，从而传至 轮对。在主动齿轮轴两端布置轴承，电机输出端轴仅传递扭矩，不承受由齿轮 啮合力产生的载荷。齿轮箱与电机做成整体式，将轴承承受的啮合力由齿轮箱 传至电机，通过电机传递到构架上。如b r l 4 5 1 8 5 和西门子1 8 9 机车驱动系统 采用两端式轴悬驱动系统。 两端式轴悬驱动系统减小了电机输出端轴承的载荷，提高了轴承寿命，在 给定轴长参数条件下，两端结构的轴承寿命为悬臂结构轴承寿命的1 85 1 倍。齿 轮的啮合状况较外端结构有显著的改善，轮齿的接触应力和齿根弯曲应力最大 值较悬臂结构有明显的降低4 j 。 对于我国引进的1 2 0 k m h 货运交流机车，电机的转速和功率都很大。若采 用传动的悬臂式轴悬驱动系统，电机输出端轴承要承受很大的齿轮啮合力，轴 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 承的尺寸很大才能满足要求。由于轴承尺寸较大，不适宜电机高转速工作，而 该轴承必须在很高转速和很小载荷下都能正常工作，这会使轴承发生“混杂润 滑”形式的破坏，引起轴承早期故障，并且轮齿受力的不均匀性将给设计制造 均带来困难，所以悬臂式轴悬驱动系统不适于应用在大功率、大扭矩、高转速 的交流驱动系统。对于外端式轴悬驱动系统，轴承载荷减少不太明显，并且轮 齿的啮合状况不够理想，所以本文采用主动齿轮轴承两端式轴悬驱动系统，并 对其结构及特性进行研究。 该驱动系统的特点 9 】是： ( 1 ) 它使滚动轴承的状态得到很大改善，作用在小齿轮轴轴承上的力比采 用悬臂小齿轮的方案小5 0 。同时可以采用较小的轴承，具有较高的额定转速， 同时提高了轴承寿命。 ( 2 ) 将牵引电机和前传动齿轮箱做成一个整体单元，由扭矩变化所产生的 作用力完全由牵引传动齿轮箱箱体承受，然后传递至电机上，最后传递到构架 上，优化了驱动装置中牵引力的传递路线，减少了簧下重量。 ( 3 ) 对于同样尺寸的电机轴，提高了可靠性。由于牵引电机和牵引齿轮箱 的组合，取消了输出侧轴承端盖。转子通过一个无维护易弯曲的在圆周方向和 半径方向均为刚性的联轴器支承在小齿轮上，而在非驱动侧用滚动轴承支承。 此时电机轴只承受电机转矩和自重，不承受由于齿轮啮合作用力形成的弯矩。 与悬臂支承小齿轮的电机相比，受力明显减小。 ( 4 ) 驱动系统冷却空气可以在电机输出侧引入，从电机的非输出侧排出， 避免输出侧轴承的热负荷，有效改善轴承工作条件。 ( 5 ) 齿轮箱设计为承载式齿轮箱。齿轮箱与电机用螺栓联结成一体，箱体 采用加强筋进行优化。由于齿轮箱箱体承受载荷，为避免组装过程中轴承座处 的变形，中间部分不设水平分箱面，而是在主动齿轮和从动齿轮啮合处呈垂直 向剖分，便于支承电机和主动齿轮的转轴，方便组装。 ( 6 ) 系统在车轴上的轴向定位采用深沟球轴承，省去了抱轴箱体，显著减 轻簧下重量，改善轴承受力状态，并简化了轮对与电机的装配工艺。 ( 7 ) 电机与齿轮箱组成整体式的结构，可显著提高齿轮传动系统的装配精 度，有利于系统改善润滑条件和采用非接触式密封结构。 通过对国内外轴悬驱动系统的分析卜匕铰结合我国发展大功率货运机军的 前提，本文选择西门子1 8 9 驱动系统作为参照体，研究设计我国1 2 0 k m h 货运 交流机车驱动系统。驱动动系统结构方案详见附图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 机车所需功率分析 现在货运机车向重载运输发展，大秦线是我国重载运输的一个缩影。我国 部分干线已经实施5 0 0 0 t 以上的重载运输，在2 0 0 6 年大秦线已成功实现了2 0 0 0 0 t 的重载运输。我国货运机车的单机牵引吨位一般在5 0 0 0 t - - 6 0 0 0 t ，至于大于 6 0 0 0 t 如1 0 0 0 0 t 或2 0 0 0 0 t ，一般通过多机牵引实现。所以本文按照单机牵引 5 0 0 0 t 和6 0 0 0 t 进行分析计算。 2 2 1 机车功率确定的原则 货运电力机车的功率按列车平直道上以最大速度运行时所需的功率来确 定，机车功率由下式计算【6 】： n k = f x v m a x 3 6 ( 2 一1 ) 式中：帆一机车功率( k w ) ； ，一机车牵引力( k n ) ； v m a x 一机车( 或列车) 最大速度( k m h ) 。 2 2 2 列车剩余加速度和后备功率 机车在牵引列车时，机车的牵引力除克服列车的阻力外，还必须有一定的 加速力，即剩余加速度。需要列车较快达到最