牵引电机轴承布置对齿轮传动装置的影响

王立杰,封全保,张志和

(1 铁道部运输局 装备部,北京100844;2 中国北车集团 大同电力机车有限责任公司,山西大同037038)

牵引电机是铁道车辆驱动装置的关键部件,牵引电机以齿轮传动方式将输出的转矩传递给轮对,与牵引电机连接的齿轮为主动齿轮。齿轮传动装置是铁道车辆动力转向架的主要部件之一,基本组件包括牵引电机、传动齿轮、齿轮箱以及传动齿轮与轮对之间的连接等。

牵引电机转子轴承布置方式会改变转子(主动齿轮)轴和轴承的受力情况,进而对齿轮传动装置系统的结构、可靠性、可维护性和使用寿命有很大的影响。

早期采用直流牵引电机的齿轮传动装置,如韶山系列机车采用主动齿轮在电机转子轴上悬臂布置结构,由于牵引电机功率较小和转速较低,实践证明悬臂结构也能够满足这些机车的使用。随着交流传动技术的发展和铁路高速重载的发展需求,由于交流电机具有功率大转速高的特点,使得交流牵引电机被更多地运用于新型铁道车辆上。大功率的交流牵引电机若采用悬臂结构,因输出端的轴承载荷较大而需选用较大尺寸的轴承,但尺寸大的轴承高速性能较差,不能充分发挥交流电机的主要优点;同时由于采用悬臂结构的电机转子轴在较大的弯曲载荷作用下产生较大的弯曲弹性变形,影响到传动齿轮的正确啮合;为解决悬臂结构存在的上述问题,出现了主动齿轮在电机转子轴上简支布置结构,如和谐2电力机车齿轮传动装置,该齿轮传动装置结构也已成功地应用于和谐2系列的HXD2B和HXD2C机车。

1 结构

和谐2型电力机车齿轮传动装置结构如图1所示,主、从动齿轮分别安装在电机转子轴和车轴上,两齿轮安装轴的中心距由电机壳体和安装在车轴上的抱轴箱体用螺栓固定连接后确定。

和谐2型机车齿轮传动装置中的主动齿轮与牵引电机转子轴采用过盈连接,主动齿轮位于电机转子支承的两组轴承之间,主动齿轮在电机转子轴上的安装属于简支结构安装,具体结构如图2,主动齿轮侧的轴承安装在电机端盖上。

和谐2型机车齿轮传动装置中的从动齿轮与车轴采用过盈连接,具体安装结构如图3。

图1 和谐2型电力机车齿轮传动装置结构图

图2 主动齿轮在电机轴上的安装

图3 从动齿轮在车轴上的安装

2 技术参数

牵引电机机械特性相关数据如下:

传动齿轮数据如下:

3 结构特点

如图1所示,和谐2型电力机车齿轮传动装置中的主动齿轮布置在电机转子两个轴承之间,主动齿轮是安装在一个简支结构上。

主动齿轮在电机转子轴上的简支结构布置是和谐2型电力机车齿轮传动装置的主要结构特点。主动齿轮在上述两种不同的安装结构下,在传递动力时对电机转子轴承作用力和转子轴变形的作用效果不同。为合理地对两种结构的作用效果进行比较,设定以上两种结构中主动齿轮及其安装轴向位置、非驱动端轴承及其安装轴向位置和传递功率完全一样。

牵引电机转子轴承与主动齿轮位置关系如图4、图5所示。

图4 悬臂结构电机转子支承示意图

图5 简支结构电机转子支承示意图

3.1 对轴承作用力的影响

假定在某线路其中一个运行工况:牵引电机当量平均扭矩为Ceq=7 600 N◦m。

轴承受力情况:在Ceq=7 600 N◦m时,作用在转子轴上的径向力F=88 kN;转子质量1 000 kg,按重心位置重力由两轴承共同承担,轴承受力情况列入表1。

对表1的结果比较可知,两种结构轴承的受力有较大的差异。采用简支结构时,与悬臂结构的轴承受力相比,轴承A作用力降低约28%,轴承B作用力降低约25%。

表1 轴承受力情况

通过对表1数据分析可以得出结论:采用和谐2型电力机车齿轮传动装置结构,可以降低对轴承的作用力。

3.2 对电机转子轴变形的影响

在传递动力时,两种支承结构的电机转子轴弹性变形情况如图6、图7所示。

图6 悬臂结构电机转子轴弹性变形

图7 简支结构电机转子轴弹性变形

图6、图7反映了电机启动时转子轴在启动转矩作用下的弯曲变形,悬臂结构的最大变形位于转子轴末端,最大变形量为0.175 mm。简支结构的最大变形位于主动齿轮左端,处于两轴承安装位之间,最大变形量为0.085 mm。

电机转子轴的变形,反映出对传动齿轮齿向修形量的要求。在齿轮传动过程中,安装主动齿轮的电机转子轴、安装大齿轮的车轴或其他部件都会有相对位移或弹性变形。为保证轮齿的正确啮合,在齿轮设计时必须对齿轮参数和齿形(包括齿廓修形与齿向修形)进行优化设计,综合考虑各工况时的变形,对轮齿合理修形,但仅能对一种主要工况进行修形设计,很难保证每个工况牵引齿轮啮合完全理想,电机转子轴较大的变形给牵引齿轮的设计和制造带来了很大的困难。

通过对图6、图7对比,采用和谐2型电力机车齿轮传动装置结构,由于转子轴弯曲变形量减少约50%,有利于主动齿轮的设计和制造,能够保证每个工况牵引齿轮啮合更趋于合理。

4 结束语

主动齿轮在电机转子轴上的简支布置是和谐2型电力机车齿轮传动装置的主要结构特点,是一种使作用力影响更为合理的结构,能够降低电机转子端轴承作用力约25%,有利于高转速性能轴承的选用;同时转子轴弯曲变形降低约50%,有利于主动齿轮的设计和制造。

主动齿轮在电机转子轴上的简支布置更适宜于大功率牵引电机的使用。

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