輪對空心軸驅動方式

輪對空心軸驅動方式是鐵路機車車輛使用的牽引傳動裝置型別之一，也是應用歷史最悠久的架懸式驅動裝置。該驅動方式的特點將牽引電動機安裝在轉向架之間自由的相對運動。彈性聯軸器對於各向運動的適應性既可以由彈簧實現，也可以採用彈性構件或關節機構來組成聯軸器。因此，在鐵路技術的漫長髮展歷史過程中，先後出現了許多形式的輪對空心軸驅動裝置。輪對空心軸驅動方式一如其他型別的架懸式驅動裝置，其主要優點是減輕機車車輛的簧下重量，降低輪軌間的垂向動作用力，提高車輛的執行平穩與安全效能，為提高列車執行速度創造有利條件。除此之外，由於線路不平順對牽引電動機及牽引齒輪副的衝擊，經過彈性元件的振動隔離作用而大幅降低，因而延長了牽引電動機及牽引齒輪副的工作壽命。發展簡史.1900年代，西屋電氣公司發明了首先採用彈簧聯軸器的輪對空心軸驅動裝置——威斯汀豪斯驅動裝置。1920年代至1930年代間，隨著歐洲鐵路幹線的電氣化以及客運電力機車的發展，在歐洲多國出現了多種形式的輪對空心軸驅動裝置，例如在威斯汀豪斯驅動裝置基礎上改良的賽雪龍彈簧驅動裝置，以及使用彈簧套筒聯軸器的AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置。而義大利國家鐵路也研製出使用鋼板彈簧聯軸器的比亞恩基驅動裝置和內格里驅動裝置，以及使用橡膠盤聯軸器的法內利驅動裝置。使用關節機構作為彈性聯軸器的輪對空心軸驅動裝置則是由法國阿爾斯通公司發明，亦即是著名的阿爾斯通浮動盤式驅動裝置，後來德國亨舍爾公司和義大利國家鐵路也分別對其作出了改進。以上這些早期的輪對空心軸驅動裝置結構都比較簡單，驅動元件幾乎只佈置在牽引電動機一端的垂直平面內，水平方向伸展與牽引電動機寬度相比較短，既可以設計成單邊傳動，也可以採用雙邊傳動；而且它們都屬於單級彈性傳動系統，彈性元件只設置在空心軸與車輪之間。第二次世界大戰結束後隨著各國鐵路的列車執行速度不斷提高，使用雙級彈性傳動系統的輪對空心軸驅動裝置應運而生，例如法國的傑奎明驅動裝置和德國的BBC雙空心軸驅動裝置。在這種結構形式中，驅動元件除了佈置在牽引電動機一端的垂直平面內，還在水平方向從輪對的一側延伸至另外一側；其中一組彈性元件設定在大齒輪與空心軸之間，另一組彈性元件設定在空心軸與車輪之間，如此一來牽引電動機與輪對之間就得到了兩級彈性的隔離。由於這類傳動裝置較為複雜而且佔用空間也較多，因此通常只能設計成單側齒輪單邊傳動的結構。主要型別.威斯汀豪斯驅動裝置.1900年代，美國西屋電氣公司發明了第一種輪對空心軸驅動裝置——威斯汀豪斯驅動裝置。在這種結構形式中，牽引電動機剛性地安裝在轉向架構架上，主動齒輪連線。六連桿萬向節由六根連桿和一個連桿盤組成，連桿盤用螺栓固定安裝在轉動空心軸的齒輪端，連桿關節連線點採用了帶有球狀橡膠襯套的橡膠球鉸。轉動空心軸是一根圓筒形無縫鋼管，同心地套裝在車軸外並安插在固定空心軸內。轉動空心軸的另一端設定了一個六爪盤，而六爪盤又透過預壓縮安裝的扇形橡膠塊與車輪相連，這種扇形橡膠塊在採用彈性軸懸式驅動裝置的德國聯邦鐵路標準化電力機車上已經有十分成熟的使用經驗。牽引電動機電樞軸輸出的扭矩經過小齒輪、大齒輪、六連桿萬向節、轉動空心軸、六爪盤、扇形橡膠塊傳遞到其中一個車輪，並透過車軸驅動另一側車輪。當車輛執行時輪對因線路不平順的激擾而產生的垂向或水平振動，由於扇形橡膠塊和六連桿機構橡膠球鉸的彈性而被大幅衰減，同時，因為扇形橡膠塊和橡膠球鉸的良好萬向性能，使之能夠補償輪對和轉向架構架之間相對運動。轉動空心軸與車軸之間有35～40毫米左右的間隙，而轉動空心軸與固定空心軸之間的間隙約為10～15毫米，因此在這種結構中車軸相對轉向架的最大垂向位移可達±35毫米，最大橫向位移可達±25毫米。為了使轉動空心軸與車軸可以保持同心旋轉，扇形橡膠塊和橡膠球鉸應具有較大的徑向剛度，以免產生不平衡力和慣性力。由於扇形橡膠塊和橡膠球鉸的偏轉剛度較小而徑向剛度較大，使得內空心軸的橫動和偏轉的阻力很小，因此驅動系統有較高的穩定性。雖然這種驅動裝置的零部件數量較多、整體結構較為複雜，製造成本亦因而增加，但當中每件零部件只承擔單一的功能，有利於設計製造和提高可靠性。除此之外，驅動裝置中所有零部件包括彈性聯軸節均無摩擦耗損、無需潤滑，維護保養較為方便。1963年，德國聯邦鐵路為了對研製中的新一代高速客運電力機車進行技術驗證，將BBC雙空心軸六連桿扇形橡膠塊驅動裝置首次裝用於E10 300號電力機車，並與裝用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置的E10 299號電力機車進行對比試驗，兩臺機車在試驗時的最高執行速度都達到了200公里/小時。為了對這兩種驅動裝置作進一步的比較分析，在1965年交付的首批四臺E03型電力機車原型車當中，E03 001、004號機車使用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置，E03 002、003號機車使用雙空心軸六連桿扇形橡膠塊驅動裝置；最終由於德國聯邦鐵路認為BBC雙空心軸驅動裝置的重量較輕，並決定在自1970年起批次生產、構造速度達200公里/小時的103型電力機車上採用；而在1974年交付的德國聯邦鐵路181.2型電力機車和奧地利聯邦鐵路1044型電力機車亦採用了相同的驅動裝置。1979年，使用三相交流傳動的德國聯邦鐵路120型電力機車面世，構造速度為200公里/小時，單軸功率達到1400千瓦，並採用了經過改良的BBC雙空心軸驅動裝置。由於沒有換向器的三相非同步電動機對於驅動裝置扭轉彈性的要求較低，因此摒棄了具有較大扭轉彈性而結構較笨重的扇形橡膠塊和六爪盤，改為在內空心軸兩端均採用相同的六連桿萬向節機構，即雙側六連桿萬向節空心軸驅動裝置，以進一步簡化結構及減輕重量。同時，為了充分利用輪對內側的軸向空間，將內空心軸由圓筒形改為圓錐形，以加大空心軸與車軸間的齒輪端徑向間隙。1984年，德國聯邦鐵路120 001號電力機車以265公里/小時的試驗速度，創造了當時德國鐵路的最高速度紀錄，顯示這種驅動裝置具備良好的高速效能。而在同一時期，中國鐵路也提出了開發研製提速客運機車的研究計劃。根據中華人民共和國鐵道部1978年—1985年科技發展規劃，株洲電力機車研究所於1979年開始研製架懸式驅動裝置；為了在這項技術領域儘快追上國際先進水平，且考慮到牽引電動機和傳動裝置方面的製造工藝和技術難度等因素，經過對輪對空心軸驅動方式和電機空心軸驅動方式的分析比較，最終決定以德國聯邦鐵路103型電力機車的驅動裝置作為借鑑物件。1979年，株機所設計了一套供試驗用的雙空心軸六連桿扇形橡膠塊驅動裝置，對應最高速度為180公里/小時，並於1980年在大功率傳動試驗檯完成了強度試驗和萬向性能試驗。此後，針對第一套驅動裝置在設計製造和試驗時發現的問題，同時參考德國聯邦鐵路120型電力機車的研製經驗，株機所於1983年試製了另一套最高速度150公里/小時的雙側六連桿萬向節空心軸驅動裝置，改為採用圓錐形整體鑄鋼空心軸和大齒輪輕型滾動軸承，並於1984年在臺架試驗中獲得了優良的效能試驗結果。1990年，首臺使用雙側六連桿萬向節空心軸驅動裝置的東風9型提速客運柴油機車研製成功，由於這是中國首次將輪對空心軸驅動裝置應用在機車上，加上該型機車的設計執行速度為140公里/小時，因此採用了圓柱形空心軸、徑向間隙30毫米的技術方案。其後，在為廣深準高速鐵路研製的東風11型柴油機車上，為了滿足最高執行速度170公里/小時的技術要求，因而改用圓錐形空心軸並使徑向間隙增大到38毫米。基於東風9型和東風11型柴油機車的成功經驗，後來研製的韶山8型、韶山9型、韶山7D型、韶山7E型電力機車等都沿用了相同的驅動裝置。上述的德國聯邦鐵路120型電力機車等車型所採用的雙空心軸驅動裝置都屬於剛性架懸式驅動裝置，也就是將牽引電動機、牽引齒輪箱、傳動傳動、空心軸套等部件剛性地或透過橡膠球形關節直接固定在轉向架構架上，驅動裝置的一側透過空心軸套和前託臂與轉向架構架連線，而另一側亦通過後託臂與轉向架構架連線，但牽引電動機剛性懸掛對於機車高速執行時的橫向穩定性和平穩性都有明顯的不利影響。因此，從1990年代開始就出現了向牽引電動機彈性懸掛發展的趨勢，其原理是將驅動裝置的一側透過兩根帶吊杆彈性地懸掛在轉向架構架橫樑上，另一側透過長吊臂和球形關節吊掛在構架端樑上，並在驅動裝置與構架之間設定橫向減震器，使驅動裝置也能實現相對於構架的橫向運動，以釋放部分簧間橫向慣性質量，因而能有效改善橫向動力學效能、提高非線性臨界失穩速度、降低對線路的輪軌作用力。西門子交通集團和克勞斯-瑪菲公司於1991年向西班牙國鐵提供的252型電力機車，首次採用了牽引電動機彈性懸掛的雙側六連桿萬向節空心軸驅動裝置；葡萄牙鐵路5600型電力機車、西門子ES64P型電力機車、希臘鐵路120型電力機車等高速客運機車也採用了類似形式的驅動裝置。此後，又進一步發展出龐巴迪IGA驅動裝置、西門子HAB驅動裝置等集合盤式制動裝置的輪對空心軸驅動裝置。AEG Gealaif驅動裝置.以德國聯邦鐵路120型電力機車為代表的第一代交流傳動機車，其驅動裝置仍然繼承了過往直流傳動機車的特點，即採用懸臂結構主動齒輪及非承載式結構齒輪箱。由於直流牽引電動機的轉速較低，輸出端軸承載荷較小，一般採用潤滑脂潤滑；但交流非同步牽引電動機的轉速較高，因而需要從齒輪箱引入潤滑油對輸出端軸承進行潤滑，但由於受到驅動系統結構空間的限制，容易造成潤滑油竄入牽引電動機內部，影響牽引電動機效能並增加潤滑油消耗。除此之外，傳統的懸臂結構主動齒輪將牽引電動機輸出端軸承設定在電動機上，使電樞軸承受因齒輪齧合作用所產生的，並在扭矩和彎矩雙重作用下引致電樞軸變形，使輸出端軸承和主動齒輪容易損壞，無法達到應有的設計使用壽命。1990年代初，為了開發新一代的大功率交流傳動通用電力機車，德國AEG公司開發研製了稱為“Gealaif”的輪對空心軸驅動裝置，名稱當中的“Gea”代表AEG公司，而“laif”則代表一體化牽引電動機驅動裝置。這種驅動裝置的特點為承載式齒輪箱，小齒輪採用雙側支承結構，小齒輪軸兩端透過滾子軸承支承在齒輪箱上，牽引電動機的電樞軸輸出端無需軸承，只需透過彈性圓盤聯軸器與小齒輪軸連線，從而大幅提高軸承的使用壽命。牽引電動機、六連桿萬向節、空心軸、齒輪箱、彈性聯軸器組成為一個整體的驅動單元，由於齒輪箱是一個與電動機連成一體的承載部件，因此齒輪箱還可以同時支承大齒輪和驅動軸承，省略了上一代六連桿空心軸驅動裝置中的空心軸套，有利於進一步減輕轉向架上的簧間重量；和上述的西班牙國鐵252型電力機車一樣，“Gealaif”驅動裝置也採用了三點式彈性懸掛結構，驅動裝置的一側透過橡膠關節支承在轉向架端梁，另一側透過兩根吊杆吊掛於中間橫樑，驅動單元與構架之間設有橫向減震器。“Gealaif”驅動裝置於1993年首次被應用於德國聯邦鐵路120 118號電力機車進行試驗，並在1994年問世的實驗性車型——AEG 12X型電力機車、以及2001年面世的量產車型——德國鐵路146型電力機車上被採用。西門子HAB驅動裝置.2000年，德國西門子交通集團、克勞斯-瑪菲公司與瑞典SAB WABCO公司。這種驅動裝置不僅繼承了雙側六連桿萬向節空心軸的基本結構，亦採用了承載式牽引齒輪箱及小齒輪雙側支承結構，取消了空心軸套以減輕轉向架上的簧間重量。為了在應用盤式制動的同時也能達到最低之簧下重量，因此該驅動裝置並沒有採用傳統的輪盤制動，而是在電動機軸中心線對稱的另一側，設定一根平行於車軸的獨立制動軸，制動軸上裝有兩塊制動盤；制動軸兩邊均設有聯軸節，無需拆卸其他部件就能快速更換制動盤。牽引電動機、六連桿萬向節、空心軸、制動軸、盤式制動裝置、齒輪箱、彈性聯軸器組成為一個整體的驅動制動單元，並採用三點式彈性懸掛結構安裝在轉向架上，牽引電動機的一側透過橡膠關節支承在轉向架橫樑，而制動軸的一側透過兩根吊杆吊掛於端梁，驅動單元與構架之間設有橫向減震器。西門子HAB驅動裝置適用於最高速度達230公里/小時的高速客運電力機車。該驅動裝置最初被裝用於西門子ES64P型電力機車上進行試驗，並在後來批次生產的ES60U3、ES64U2、ES64U4型“EuroSprinter”電力機車上應用。2006年9月2日，ES64U4型電力機車在德國紐倫堡－慕尼黑高速鐵路上，以時速357公里/小時創造了當今世界上鐵路機車最高速度紀錄。