尹振坤

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林長春 130062）

新型250km/h城際動車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計和驗證

尹振坤

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林長春 130062）

介紹速度等級為250km/h，軸重為17t的新型城際動車組轉(zhuǎn)向架的研制，轉(zhuǎn)向架型號CW280。轉(zhuǎn)向架研發(fā)過程中充分考慮了城際動車組運(yùn)行特點及要求，借鑒了技術(shù)引進(jìn)300km/h歐系動車組轉(zhuǎn)向架的成熟結(jié)構(gòu)，對驅(qū)動裝置等關(guān)鍵零部件選型進(jìn)行了充分的論證說明。經(jīng)過30萬km運(yùn)用考核和線路跟蹤測試，證明該轉(zhuǎn)向架能夠滿足城際動車組的運(yùn)用要求。

轉(zhuǎn)向架；250km/h；城際動車組

隨著中國高速鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，以“四縱四橫”為主的干線客運(yùn)專線路網(wǎng)已建成，高速動車組運(yùn)行時速已達(dá)到300km/h。比較而言，城際鐵路發(fā)展相對滯后，“十三五”將大力發(fā)展以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為核心的城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)。中車長客股份公司在已有歐系動車組轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品平臺上，開發(fā)了滿足城際動車組運(yùn)用要求的最高運(yùn)行速度可達(dá)250km/h的CW280型轉(zhuǎn)向架。

1 需求分析

相對干線動車組，城際動車組有其自身的運(yùn)用特點。因此，轉(zhuǎn)向架的主要設(shè)計指標(biāo)要充分考慮城際動車組的運(yùn)用需求，主要包括大軸重（載客量大）、空重車載重變化大；啟停相對頻繁（站間距在20～50km）；線路條件多樣性，需兼顧既有干線鐵路、客運(yùn)專線及跨線混跑的線路特點；運(yùn)行速度跨度大，需考慮在160～250km/h范圍內(nèi)不同速度變化；不同區(qū)域的環(huán)境溫度適用性，如哈長地區(qū)-40～+40℃溫度運(yùn)行要求［1，2］。

2 設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中車長客股份在技術(shù)引進(jìn)的CRH3型動車組轉(zhuǎn)向架平臺上，借鑒300km/h動車組轉(zhuǎn)向架的成熟設(shè)計結(jié)構(gòu)和運(yùn)用經(jīng)驗，針對城際動車組運(yùn)用特點，研制了CW280型轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架各部位進(jìn)行了充分的選型論證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表1，動車轉(zhuǎn)向架見圖1。

表1 轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

圖1 動車轉(zhuǎn)向架

2.1 構(gòu)架

構(gòu)架主體為H形成熟結(jié)構(gòu)形式，側(cè)梁采用鋼板箱型焊接結(jié)構(gòu)，橫梁采用無縫鋼管，橫側(cè)梁連接采用變截面鍛件，具備良好的焊接工藝性。橫側(cè)梁的主要受力部位（如轉(zhuǎn)臂定位座、橫向止擋等）均采用鍛件，以減少焊接量，提高承載能力。動車構(gòu)架見圖2。

圖2 動車構(gòu)架

2.2 輪對軸箱

既有動車組車輪直徑為860～920mm，考慮到城際動車組的運(yùn)行速度，選用車輪直徑為860mm的車輪，以降低簧下質(zhì)量，減小輪軌沖擊，提高旅客乘坐舒適性，并且能夠適應(yīng)低站臺低地板的要求。車軸中心孔直徑為φ30mm，便于車軸探傷檢查，進(jìn)一步降低簧下質(zhì)量。

軸箱采用分體式軸箱組成，分為軸箱轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)臂箍，轉(zhuǎn)臂箍通過4個螺栓和2個定位銷與軸箱轉(zhuǎn)臂連接，更換輪對時，僅拆卸轉(zhuǎn)臂箍即可落下輪對，無需拆卸軸箱與構(gòu)架的連接件，便于檢修維護(hù)。軸箱組成見圖3。

2.3 一系懸掛

一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧和垂向減振器，在鋼彈簧下部安裝60mm厚的橡膠疊層彈簧，在較大一系垂向撓度變化時，較厚的橡膠簧能夠有效減少軸箱上部彈簧座傾斜對鋼彈簧產(chǎn)生的偏移，改善鋼彈簧受力，同時橡膠簧還可以吸收輪軌產(chǎn)生的高頻振動。一系懸掛見圖3。

圖3 一系懸掛及軸箱組成

2.4 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置的選型是城際動車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計的重要項點。

2.4.1 電機(jī)懸掛方式。主流的架懸式牽引電機(jī)懸掛方式主要有2種，剛性懸掛（見圖4）和柔性懸掛（見圖5）。仿真分析計算表明，電機(jī)柔性懸掛轉(zhuǎn)向架的臨界速度大于600km/h，電機(jī)剛性懸掛轉(zhuǎn)向架的臨界速度大于409km/h，即動車組在300km/h以上高速運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)柔性懸掛能夠在一定程度上起到提高車輛動力學(xué)性能的作用；在250km/h以下速度等級，電機(jī)懸掛方式對車輛動力學(xué)影響效果不太明顯，剛性懸掛的平穩(wěn)性和脫軌系數(shù)還略優(yōu)于柔性懸掛，詳見圖6。

圖4 電機(jī)剛性懸掛圖示

圖5 電機(jī)柔性懸掛圖示

圖6 電機(jī)剛性懸掛和柔性懸掛動力學(xué)性能比較

所以，對于200km/h等級城際動車組轉(zhuǎn)向架選擇技術(shù)成熟的電機(jī)剛性懸掛方式較為理想，剛性懸掛方式與彈性懸掛方式相比較減少了彈性橡膠部件，可維護(hù)性、可靠性更高，同時降低了設(shè)計和維護(hù)成本。

2.4.2 齒輪箱懸掛方式。主流的齒輪箱與構(gòu)架懸掛方式主要有2種，C形支架和吊桿。綜合對比聯(lián)軸節(jié)變位和連接可靠性，C形支架結(jié)構(gòu)更優(yōu)：①C型支架懸掛接近小齒輪軸正上方，聯(lián)軸節(jié)的變位較小，適應(yīng)城際動車組載荷變化大帶來的聯(lián)軸節(jié)變位較大問題；②C型支架通過螺栓與構(gòu)架4點連接，還設(shè)置有定位鍵，可靠性更高，且構(gòu)架受力分散，詳見圖7。

圖7 齒輪箱組成圖示

2.5 二系懸掛及牽引裝置

二系懸掛采用高柔性、大曲囊空氣彈簧、抗側(cè)滾扭桿、橫向減振器和抗蛇行減振器。低剛度空簧具備良好的運(yùn)行舒適性，空簧進(jìn)氣口設(shè)置有節(jié)流孔來提供二系阻尼?？栈傻某渑艢庥筛叨乳y控制，廣泛采用控制方式有2種：2點控制和4點控制。2點控制是指同一轉(zhuǎn)向架的2個空氣彈簧由1個高度閥控制充排氣；4點控制是指每個空氣彈簧都由一個單獨的高度閥控制充排氣。2點控制的優(yōu)點是同一轉(zhuǎn)向架2個空簧同時充排氣，不存在單側(cè)空簧過充問題，安全性高；而且對于大曲囊低剛度空氣彈簧，即便采用4點懸掛，由于空簧垂向剛度較低，能夠提供的抗側(cè)滾剛度較小，詳見圖8。中央牽引裝置采用Z形雙牽引拉桿布置，中心銷和牽引梁通過橡膠套實現(xiàn)無磨損彈性連接，詳見圖9。

圖8 二系懸掛圖示

圖9 牽引裝置圖

2.6 與車體連接方式

轉(zhuǎn)向架二系懸掛上部設(shè)置有聯(lián)系枕梁，二系懸掛和牽引裝置各部件與聯(lián)系枕梁連接。聯(lián)系枕梁通過兩側(cè)定位銷和螺栓與車體邊梁連接，結(jié)構(gòu)簡單，方便維護(hù)維修。聯(lián)系枕梁采用鑄造鋁合金材質(zhì)，質(zhì)量輕，防腐性能好，還可作為空氣彈簧的附加氣室，詳見圖10。

圖10 聯(lián)系枕梁-鑄鋁

2.7 基礎(chǔ)制動夾鉗

基礎(chǔ)制動采用傳統(tǒng)的三點吊掛方式，制動摩擦力和制動缸重量由3個吊點分別承載，制動缸及構(gòu)架制動吊座的受力狀態(tài)優(yōu)于4點集中吊掛，更適用于城際動車組快起快停的特點。

2.8 低溫適應(yīng)性

為了滿足不同城際動車組的運(yùn)行溫度要求，構(gòu)架材質(zhì)采用滿足低溫要求的焊接鋼板和鍛件，齒輪箱、軸箱軸承、減振器采用滿足低溫運(yùn)行的油脂，金屬橡膠件采用滿足低溫性能要求的膠料。

表2 CW280轉(zhuǎn)向架運(yùn)行工況

2.9 安全監(jiān)控

為了提高轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用安全性，轉(zhuǎn)向架軸箱安裝有雙探頭軸溫傳感器，提高軸承溫度檢測的可靠性；齒輪箱大軸承和小軸承也分別安裝溫度傳感器；構(gòu)架側(cè)梁端部安裝有加速度傳感器用來檢測構(gòu)架的蛇行運(yùn)動。

3 計算分析與臺架試驗

CW280轉(zhuǎn)向架研發(fā)過程進(jìn)行了一系列的計算分析和臺架試驗，結(jié)果表明，CW280轉(zhuǎn)向架的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)優(yōu)化

為了充分比較不同懸掛參數(shù)的動力學(xué)性能，對車輪踏面、主要懸掛參數(shù)動力學(xué)性能敏感度、動力學(xué)性能預(yù)測、故障工況和側(cè)風(fēng)工況等進(jìn)行了分析計算，計算內(nèi)容包括臨界速度、平穩(wěn)性、舒適度、安全性、車輪踏面磨耗和懸掛模態(tài)等。通過仿真計算分析，轉(zhuǎn)向架采用S1002CN踏面及其磨耗后踏面與60kg標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配、秦沈線軌道譜激勵下，空車整備狀態(tài)和超員載荷狀態(tài)下的動力學(xué)性能滿足要求。該型轉(zhuǎn)向架滿足在提速線路和客運(yùn)專線上以250km/h以下速度安全運(yùn)營。

3.2 滾振試驗

依據(jù)GB5599和TB3115標(biāo)準(zhǔn)要求，在國家牽引動力試驗室對CW280型動車和拖車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了滾動振動臺架動力學(xué)試驗，車體為CRH380BL動車組車體按照城際動車組進(jìn)行配重，試驗項目包括不同抗蛇行減振器參數(shù)、不同轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點剛度、不同踏面等效錐度、不同二系橫向減振器參數(shù)、不同空簧阻尼孔以及模擬空簧無氣、拆除各減振器、拆除扭桿、拆除一系彈簧故障方案的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性試驗，共計50個工況的臺架試驗，采用了武廣、膠濟(jì)和京津3種線路譜激擾。結(jié)果表明，CW280轉(zhuǎn)向架在350m/h速度范圍內(nèi)未出現(xiàn)失穩(wěn)，具有足夠的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性；在80～350km/h速度范圍內(nèi)，車體平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到優(yōu)級。該轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性能夠滿足在線路上250km/h以下速度運(yùn)行的要求。

3.3 構(gòu)架強(qiáng)度計算和試驗

對動車構(gòu)架、拖車構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限分析計算、靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗，計算和試驗載荷按照UIC515-4、UIC615-4和EN13749標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其中，動車構(gòu)架疲勞強(qiáng)度試驗采用21個液壓伺服作動器，對構(gòu)架關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了1 000萬次疲勞加載，見圖11和圖12。

圖11 作動器加載示意圖

圖12 動車構(gòu)架疲勞強(qiáng)度試驗

4 線路試驗及運(yùn)用考核

該轉(zhuǎn)向架隨城際動車組整車在秦沈客專、長吉城際進(jìn)行了線路型式試驗，在滬昆客專、哈大客專、沈丹客專進(jìn)行了運(yùn)用考核和跟蹤測試，總考核里程達(dá)到30萬km，CW280轉(zhuǎn)向架運(yùn)行狀態(tài)良好、平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)級。運(yùn)行工況匯總見表2。

由表2可以看出，在不同線路、不同速度、不同溫度、不同載荷條件下，CW280型轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能得到了充分的驗證，說明該型轉(zhuǎn)向架的主要零部件選型、懸掛參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是完全滿足城際動車組運(yùn)用要求的。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)既有在線運(yùn)營的200km/h等級動車組轉(zhuǎn)向架為技術(shù)引進(jìn)轉(zhuǎn)向架以及日系動車組平臺轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品，國內(nèi)尚無具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于歐系動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺的城際動車組轉(zhuǎn)向架，CW280型轉(zhuǎn)向架的研制填補(bǔ)了這個空白，為國內(nèi)動車組轉(zhuǎn)向架家族又添一丁，具有廣闊的市場前景。

［1］嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999．

［2］馬利軍，馮永華，崔志國，等.城際動車組系列轉(zhuǎn)向架研制［J］.機(jī)車電傳動，2015（2）：4-6.

Design and Test of a New Type 250km/h Intercity EMU Bogie

Yin Zhenkun
（Research&Development Center of Bogie Department，CRRC Changchun Railway Vehicles Co.Ltd.，Changchun Jilin 130062）

This paper introduced intercity EMU bogie design with the speed of 250 km/h and 17 tons axle load,bogie type is CW280.Considering intercity EMU operation requirements and features,bogie design refered to the success?ful structure of CRH3 EMU,and the key parts such as drive of the selection were fully demonstrated.After 0.3 mil?lion miles'operation,the bogie is proved to comply to intercity EMU operation requirements.

bogie；250km/h；intercity

U260.331

：A

：1003-5168（2017）01-0115-04

2016-12-08

尹振坤（1979-），男，本科，高級工程師，研究方向：動車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計。