德国ICE动力转向架及其结构分析.docx

德国动力转向架及其结构分析张红军(西南交通大学 机车车辆研究所, 四川 成都 610031)ic e研究开发作者简介: 张红军 ( 1950- ) ,男, 1977 年毕业于西南交通 大学机械制造专业, 硕士学 位, 教授, 从事高速机车总体 及结构强度研究工作。摘 要: 详细地介绍了 ic e 动力转向架的结构, 并对结构设计思想进行了分析, 归纳出该转向架的特点。 ic e 动力转向架的成功结构, 可对我国高速动力车的研制起借鉴作用。关键词: 动力转向架; 动力车;ic e;德国; 结构分析文章编号: 10002128x (2000) 0120010205中图分类号: u 260. 331文献标识码: bice power bog ie an d its struc ture ana ly s iszha ng hon g- jun(r e s. in st. o f r a il v eh ic le s, so u thw e st j iao to ng u n ive r sity, c h engdu , s ich uan 610031, c h ina)a bstrac t: t h e st ruc tu re o f ic e pow e r bo g ie is de sc r ibed, th e de sign tho ugh t is ana lyzed and bo g ie ch a rac te r ist ic s is induced.t h e st ruc tu re de sign o f ic e pow e r bo g ie can be u sed fo r refe rence to th e deve lopm en t o f h igh sp eed pow e r ca r in c h ina.key words: pow e r bo g ie; pow e r ca r; ic e; ge rm any; st ruc tu re ana ly sis半体悬悬挂; 牵引装置采用推挽单牵引杆; 轴箱采用单轴箱拉杆定位。德国在 d e 2500u ma n 机车上进行了大量的试验 研究, 对驱动质量联接方式、轴箱定位方式和回转阻尼的多种方案进行比较试验, 加深了对高速动力转向架的认识。1982 年 9 月, 德国确定制造试验型城间高速列车ic e v , 目标速度为 300 km h。 ic e v 动力转向架基 本 上沿用了 d e 2500 机车的 u ma n 转向架结构。 原u ma n 转向架驱动制动单元的主动控制横向质量转 换装置, 改为被动联接的液压减振器; 转向架上, 除了每轴 3 个制动盘外, 增添了线性涡流制动。0概述ic e 是德国 1982 年底由联邦铁路负责领导设计制造的城间高速列车, 代表了德国轮轨技术发展的最新阶段。ic e 动力转向架达到较高技术水平, 其发展不 是一蹴而就的, 而是建立在多年来德国客运机车转向架不断发展的基础上, 通过不断完善而研制成功的, 经 历了漫长的研究、试验与运用考验过程。ic e 动力转向架的发展可以追溯到德国 e 110 机 车、e 111 机车、br 120 机车和 d e 2 500 u ma n 内燃机车转向架以及 ic e v 试验转向架, 最后以 ic e v转ic e v于 1985 年 7 月 投 入 运 行, 同 年 达 到 317向架定型为 ic e 动力转向架, 前后历经 20 多年的发展过程。为了发展高速客运, 1979 年 8 月德国联邦技术部 批准研制驱动质量可控转换的 u ma n 转向架, 并用这种转向架 改 装 了 一 台 d e 2500 内 燃 机 车 进 行 高 速 试验。d e 2500u ma n 转向架继承了 br 120 转向架的交 流传动、bbc 轮对空心轴驱动、空心车轴技术和磨耗形踏面与二系采用高挠圆簧加抗蛇行减振器匹配技术。驱动装置与制动装置合为一体构成驱动制动单元,km h 的最高记录。1988 年 5 月创造了 406. 9 km h 的世界纪录。 转向架运行良好, 没有发现有失稳的势头。1985 年 12 月, 德国联邦铁路决定以 ic e v为基础, 批量生产 ic e 动力转向架, 并对 ic e v 转向架加以改造, 取消了线性涡流制动; 每轴采用 2 个制动盘;轮径由 1 000 mm 增至 1 040 mm ; 拉压牵引杆采用可 分式拉压牵引杆; 一、二系弹簧悬挂装置端部采用橡胶垫。ic e 列车自 1991 年 6 月正式运营以来, 现有 60多列列车在德国高速线上运营。收稿日期: 1999209215 10 第 1 期张红军: 德国 ic e 动力转向架及其结构分析1. 3动力转向架零部件质量分配动力转向架的各部分质量分配如表 2 所示。1数ic e 动力转向架的基本结构及主要技术参表 2动力转向架零部件质量分配k g1. 1动力转向架基本结构转向架为轮对双空心轴传动和牵引电机半体悬的 转向架。采用再生制动和盘形制动的复合制动方式。转 向架主要由驱动制动单元、框型构架、一系和二系悬挂系统、轮对轴箱及单牵引杆的牵引装置等部件组成。1. 2动力转向架的主要技术参数ic e 动力转向架的主要技术参数见表 1。名称质量一位转向架二位转向架 构架轮对 基础制动驱动制动单元 ( 包括制动圆盘)弹簧悬挂装置 牵引电机安全托 管道布置轴箱装置 ( 带接地保护) 轴箱装置 ( 带防滑保护及 zw g) 轴箱装置 ( 带防滑保护及 l zb、zw g) l zb 天线托座 ( 一位转向架) 牵引装置排障器 ( 一位轮对)其中主要零件质量 ( 单件)车轴 车轮 轴箱体 轴承 轴箱拉杆 一系圆簧 二系圆簧一系垂向液压减振器 二系垂向液压减振器 二系横向液压减振器 二系抗蛇行减振器 耦合减振器14 43214 3121 4981 388216523 914275580. 5表 1ic e 动力转向架的主要技术参数轴式b 0- b 0轨距1 435 mm65. 5195. 72180. 5固定轴距3 000 mm轴重20 t183额定功率4 800 kw12最大设计速度280 km h224. 4最大运行速度250 km h114. 1车轮滚动圆直径1 040 mm ( 新)950 mm ( 旧)359509953710. 914. 479. 31516182422启动牵引力200 kn通过最小曲线半径150 m转向架回转中心距11 460 mm机车限界u ic 505- 1一系悬挂参数每轴箱弹簧垂向刚度2. 398 kn mm每轴箱弹簧横向刚度5. 390 kn mm静挠度36. 4 mm垂向液压减振器阻尼力 ( 振动速度为 0. 1 m s)2 943 kn二系悬挂参数注: l zb 连续式列车自动运行控制装置;控制装置。zw g 位移、速度每侧 2 个二系弹簧垂向刚度0. 886 kn mm每侧 2 个二系弹簧横向刚度0. 37 kn mm轮对双空心轴传动和驱动制动单元2静挠度169. 1 mm2. 1 轮对双空心轴驱动ic e 轮对双空心轴驱动机构由 bbc 轮对空心轴 驱动装置发展而来。 轮对双空心轴机构由内外空心轴及六连杆机构组成 (见附图)。 内空心轴一端与外空心 轴一端由六连杆机构联接, 内空心轴另一端与轮对一 侧车轮的轮辐也由六连杆机构联接。外空心轴上安装有驱动齿轮和制动盘, 用以传递驱动力矩和制动力矩。内空心轴做成锥形结构, 以节省 运动空间。六连杆机构由连杆和连接盘构成, 在各连杆 两端装有球形橡胶关节。 由于球形橡胶关节有较大的二系垂向液压减振器阻尼力 ( 振动速度为 0. 1 m s)4 414. 5 n二系横向液压减振器阻尼力 ( 振动速度为 0. 1 m s)4 905 n二系抗蛇行液压减振器阻尼力 ( 振动速度为 0. 1 m s)9 810 n耦合减振器阻尼力 ( 振动速度为 0. 01 m s)2 943 n基础制动制动缸直径254 mm制动倍率5. 04制动缸压力260 k p a 11 机车电传动2000 年径向刚度和较小的回转刚度, 因而轮对双空心轴机构具有较大的驱动刚度。此外, 橡胶元件同空心轴及连杆 的联合作用, 使轮对在小阻尼力情况下可自由地沉浮和单跳。轮对双空心轴的驱动电机半体悬结构, 可使转向 架簧下质量减到最小, 适应高速运行的需要。由于具有 较大的驱动刚度, 也可适应大功率、大牵引力的动力转向架需要。为适应轮对相对驱动装置的各种运动, 轮对双空 心轴的轴与轴间, 比架承式转向架需更大的径向间隙。 为减小不平衡力对转向架的影响, 空心轴机构在内外 空心轴轴线对中时, 应保证一定精度的动不平衡量。2. 2 驱动制动单元ic e 动力转向架采用了 u ma n 转向架的驱动制 动单元结构, 将驱动电机、基础制动、齿轮传动系统合为一体; 牵引电机、齿轮箱、制动横梁和托架形成一个 框形结构, 构成驱动制动单元 (见附图)。驱动制动单元设计时尽量考虑其轻型化, 并使其转动惯量最小。 驱动制动单元牵引电机端用橡胶关节吊挂在车体上, 基础制动横梁端用 2 根两端带有橡胶关节的铝制 摆杆吊挂在构架端梁上, 形成半体悬悬挂方式。其中约 三分之二的质量吊挂在车体上, 三分之一的质量吊挂在构架上。 驱动制动单元横向由耦合减振器与车体相连, 并与上述摆杆构成等效弹性系统, 用以衰减转向架在高 速运行时由驱动单元引起的横向振动。驱动制动单元吊挂的橡胶关节设计, 应保证转向架动力驱动性能, 同时保证转向架相对车体自由运动而不受约束。 齿轮传动系统为带中间齿轮的一级降速系统, 传动比为 12. 586, 齿轮采用人字齿轮。 齿轮箱为承载式剖分式箱体, 用以承载驱动反力矩和便于安装。传动 链中, 从动齿轮由螺栓联接在外空心轴上; 外空心轴由 托架端的深沟球轴承和齿轮箱端的无挡边圆柱滚子轴承支承。由于人字齿轮可以自动对中, 因此中间介轮轴 承需用无挡边圆柱滚子轴承支承, 实现中间介轮轴向 浮动。 传动链的轴向由托架端的深沟球轴承实现轴向定位。 传动系统采用 o p t igea r220 号润滑油润滑。ic e 动力车制动盘采用三件式盘、毂连接装置。制 动盘用螺栓安装在过渡毂上, 毂采用过盈配合安装在外空心轴身上。 每轴 2 个制动盘, 盘直径为 750 mm ,厚 40 mm ; 制动盘采用特别耐热的铸造合金钢 ( 后改 成锻钢) , 制动闸片采用粉末冶金材料。 制动缸采用具有空气制动、停车储能制动和闸片间隙调整功能的三 合一制动缸。弹簧储能制动能保证单机在 40的坡道上制停。制动盘及闸片的性能大大优于传统的灰铸铁或球 墨铸铁制动盘和有机材料制成的闸瓦。 在高温下具有 良好的耐磨性能, 摩擦系数基本不受湿度、温度及压力等影响; 具有较高的热稳定性和微小的湿敏感性; 在尺 寸相同的条件下, 可比传统制动盘多吸收 40% 的制动能; 在 250 km h 下常用制动时, 通过热力学计算得到 的闸片温度为 280 ; 在 350 km h 紧急制动时, 计算所得的闸片最终温度为 400 。为了减轻重量和转动惯量, 驱动制动 单元的齿轮箱体和托架均采用高强度铝合金铸 造而成。一、二系悬挂33. 1 悬挂方式ic e 转 向 架 悬 挂 方 式 为 一 系 硬 二 系 软,静挠比为 0. 1770. 823。 一系需较大的垂向刚度, 采用有效圈 数1. 5 的 螺 旋 弹 簧; 弹 簧 下 端 装 有 圆 形 平 橡 胶垫, 橡胶的主要作用是防止电流直接通过轴 箱轴承, 腐蚀轴承, 并可以隔离部分轮轨传递 上来的高频振动。每轴箱安装 2 个一系弹簧, 并联 1 个垂向液压减振器。 一系弹簧结构参数 为 簧 径 37 mm , 中 径 217 mm , 有 效 圈 数1. 5, 弹 簧 自 由 高 164. 4 mm , 弹 簧 工 作 高128 mm , 当 量 摆 杆 长 度 16. 2 m , 当 量 摆 频 率3. 92 h z。 一系弹簧在工作高条件下, 应力为563. 4 m p a, 极限工作应力为 1 096. 3 m p a,附图 驱动制动单元 12 第 1 期张红军: 德国 ic e 动力转向架及其结构分析材料为 50c rv 4 (d in 17221)。二系采用高挠螺旋钢弹簧。 转向架每侧 2 根二系 弹簧并联 1 个垂向液压减振器、1 个横向液压减振器和 1 个抗蛇行减振器。 二系弹簧两端装有圆形平橡胶垫。二系弹簧两端采用固定定位方式, 具有较高的弹簧 稳定性。 橡胶垫主要作用是隔离高频振动。 在弹簧受 横向力时, 橡胶垫不能起降低弹簧剪切应力的作用。ic e 二系高挠圆簧是一种在高应力状态下工作的弹 簧, 在工作高度下, 应力为 781 m p a, 运行时要承受着20% 左右的垂向动负荷和转向架相对车体回转的横向变形载荷, 极限工况下应力可达 1 118 m p a。高应力的 高挠圆簧的制造需要较复杂的工艺手段。二系采用具有横向特性软的高挠圆簧并联抗蛇行 减振器, 可以大大改善高速下的横向动力学性能及曲 线通过性能。高挠圆簧的结构参数为: 弹簧中径 242 mm , 簧条 直径 46 mm , 有效工作圈数 7, 自由高度 613. 1 mm , 弹簧工作高 444 mm , 当量摆杆长度 404. 9 mm , 当量摆构架侧梁中间部分下凹, 以适应二系高挠圆簧的安装。侧梁中间部分横断面尺寸为 300 mm 320 mm ,两端的横断面尺寸为 300 mm 200 mm , 并由小到大 中间过渡, 形成等强度梁, 主要承受弯曲和拉压载荷。轴箱拉杆座为铸造结构, 与侧梁下盖板对接焊成一体。 这种结构可以提高轴箱拉杆座的整体刚度, 并可改善 侧梁的焊接工艺。 侧梁上盖板两端焊有限定转向架相对车体回转角止挡; 中部设有二系垂向和横向止挡; 侧 梁外侧面焊有一系垂向、二系垂向及抗蛇行减振器座。 为提高减振器座处的局部刚度, 提高耐疲劳特性, 在上 下盖板相对应处均设有凸耳。构架牵引端梁为下凹结构箱形梁, 两端与侧梁对接焊接; 断面尺寸约为 300 mm 214 mm ; 端梁中部设 有驱动单元吊杆安装的矩形孔, 下盖板设有牵引杆安装座。构架非牵引端梁为直箱形梁, 两端与侧梁对接焊 接, 断面尺寸约为 300 mm 200 mm ; 端梁中部设有驱动单元吊杆安装的矩形孔。对框形构架的分析表明, 该构架具有较大的抗弯 刚度和较小的抗扭刚度。 有关资料认为这是一种柔性 构架。频 率 0. 78 h z。 所 采(d in 17221)。3. 2轴箱定位方式用的材料为51c rm ov 4轴箱采用单侧轴箱拉杆定位。 轴箱拉杆两端采用球形橡胶关节。 由于橡胶关节径向刚度大, 回转刚度 小, 因而轴箱纵向具有较大的定位刚度, 且轴箱相对构 架能自由地沉浮及绕本身轴线回转。该种结构的特点是, 结构简单, 且可实现一系纵 向、横向弹性参数相对独立。这对于高速动力转向架是十分重要的, 因为可根据设计需要方便准确地调节纵、 横刚度比例。 该转向架一系纵向刚度大, 横向刚度小, 有利于提高临界速度, 保持驱动系统稳定, 提高粘着利 用率, 改善曲线通过性能。6轮对轴箱6. 1轮对轮对采用空心车轴, 整体车轮注油压装装配。轮对 内侧距为 1 360+ 1 mm , 落车前为 1 362+ 1 mm 。车轴材料为 25c rm o 4, 结构尺寸为轮座 208 mm ,轴身 188 mm , 轴颈 150 mm , 内孔直径 80 mm , 车轴长2 250 mm , 轮座长度 170 mm 。轮座与轴身过渡处采用r 75 和 r 15 的过渡圆弧以提高车轴疲劳强度。轮座处 采用喷钼处理, 以方便车轮拆卸, 并可改善车轮在交变应力下工作时轮座端部抗微动磨损的能力。 轮轴组装 后, 轮座内侧与轮毂内侧面形成一定的凸悬量, 以提高轮座的抗疲劳强度。车轮采用 r 8 钢材的整体车轮。车轮踏面为 s1002 踏面, 滚动圆直径 1 040 mm , 轮缘高 28 mm 。轮辐断面 呈梯形, 一端厚约为 28 mm , 另一端厚约为 38 mm 。注 油孔距轮毂内侧面 74 mm , 与轴线呈 70角。车轮轮辋两侧设有静平衡配重环形槽。轮对组装除注油压装外, 也可采用冷装或热装。冷 装压入力为 830 kn 1 130 kn , 热装温度为 250 270 。热装后需反压装检查, 每 24 对抽查一组, 在热装后 48 h , 进行反压装检查, 反压力为 1 040 kn 。轮对 组装时, 两侧车轮的剩余不平衡量应在同一方向。整体车轮和空心车轴的采用可以使轮对较带箍车轮轻 180 k g 左右。 这对簧下质量而言, 是一个可观数 13 4牵引装置ic e 采用低位拉压牵引杆传递牵引力和制动力。牵引杆长为 1 880 mm , 为可分式, 以便转向架装配和互换。牵引杆杆身为空心结构, 杆身两端用法兰、螺栓同两 端铰支座相联接。 铰支座用凸台同车体、转向架牵引端梁定位, 用螺栓联接。 铰支座内装有壁厚较厚的圆筒式 橡胶元件, 以使牵引杆能有效地传递牵引制动力, 对转 向架相对车体的各种运动无约束, 并可以缓冲动力车牵引或制动过程中的冲击。牵引杆距轨面 380 mm 低位水 平布置, 以提高粘着利用率, 减小轴重变化。5转向架构架转向架构架为 st 52 钢焊接成箱形梁组成的框形结构, 无中间横梁, 质量为 1 498 k g。机车电传动2000 年值。 整体车轮的另一个优点使转向架能在高速工况下可靠运转, 避免轮箍弛缓或崩箍造成的恶性事故。磨耗 踏面的采用可大大减小维修工作量, 与锥形踏面比, 其走行公里数可为锥形踏面的 7 10 倍, 轮对的使用寿命可达 120 万 km 。6. 2 轴箱轴箱采用铸钢轴箱体和 sk f fa g 双列圆锥滚子 轴承单元 tbu 150。这种轴承具有低的内摩擦损失, 在高速运行中可保持轴承 温 度 在 60 80 的 范 围内, 可延长轴承脂的使用寿命。 tbu 轴承单元, 采用k 3gl d in 51 502 锂皂化滚动轴承润滑脂, 至少运行120 万 km 后再更换, 在走行 60 万 km 后, 加油并更新 部分油脂。在高速运行条件下, 圆锥滚子轴承较圆柱滚子轴 承有着更明显的优越性。在直线上高速运行时, 轴承的 轴向间隙将影响动力车的横向运行平稳性和临界速 度。分析计算表明, 轴承的轴向游动量越小越好。要实现分析计算的期望状态, 必须采用圆锥形轴承。而圆柱 滚子轴承, 由于结构的原因, 必须留有一定的轴向间 隙。当机车在曲线上运行时, 轨道对车轮的横向作用力 将由轴承轴向受力传递给构架。对圆柱滚子轴承来说, 其轴向力是由轴承挡边传递。当轴向力增大时, 摩擦力矩将随轴向力线性增大, 轴承温度也随之快速升高。而 对于圆锥滚子轴承, 其所受横向力由滚子锥面及轴承内外圆锥形滚道承担。试验表明, 当轴向力小于 10 kn时, 摩擦力矩一直保持一常数, 只有当轴向力大于 10 kn 时, 摩擦力矩才随轴向力的增大而线性增加。fa g公司曾对圆柱和圆锥滚子轴承进行曲线模拟对比试验30 m in , 证实圆柱滚子轴承比圆锥滚子轴承温升要高。 轴箱内装有轴温检测传感器用于故障诊断。 轴头装有接地装置用以传输回路电流或轮对防空转检测装 置及速度传感器电流。8结束语ic e 转向架在研究过程中进行了大量的线路对比试验以验证设计思路, 确定最佳结构匹配方案。19821988 年 分 别 对 d e 2500 机 车 的 u ma n 转 向 架 以 及ic e v 动力转向架进行了多次线路试验。 测试表明,ic e v转向架无论在直线上高速运行还是在具有较大未平衡横向加速度的曲线上运行, 轮对横向力均远小于 62 kn 极限值, 转向架具有高的临界速度。 综上 所述, 可以看出该转向架结构上具有以下特点:( 1) 转向架各运动关节均采用无 磨 耗 的 橡 胶 元 件,