呂建法，李英明，李明星

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

轉(zhuǎn)向架作為車輛最核心技術(shù)之一，是保證車輛安全、可靠運(yùn)行的根本，選擇成熟可靠的轉(zhuǎn)向架技術(shù)是保證車輛運(yùn)行安全、可靠的前提[1]?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不能完全適應(yīng)時速200 km動力集中動車組的使用要求，需在現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計。時速200 km動力集中動車組相比時速160 km動力集中動車組(CR200J型動車組)的輸入條件發(fā)生一定的變化[2]，在速度、軸重等頂層指標(biāo)上提出了新的要求。本文根據(jù)時速200 km動力集中動車組技術(shù)要求，以復(fù)興號CR200J型動車組用SW-220K型轉(zhuǎn)向架平臺為原型，從頂層指標(biāo)的變化、關(guān)鍵技術(shù)等方面對時速200 km動力集中動車組非動力轉(zhuǎn)向架技術(shù)方案進(jìn)行可行性分析，頂層指標(biāo)主要有速度提升、軸重增加，關(guān)鍵技術(shù)包括動力學(xué)性能、基礎(chǔ)制動配置、旋轉(zhuǎn)部件適應(yīng)性、承載件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、檢修維護(hù)性能等。

1 設(shè)計要求

時速200 km動力集中動車組與CR200J型動車組定位為同一系列車型，主要運(yùn)行條件為既有線路、客貨混跑快速線路，從車型系列化及用戶運(yùn)維的角度，其轉(zhuǎn)向架平臺的確定不宜考慮既有高速動車組轉(zhuǎn)向架，而應(yīng)考慮SW-220K型轉(zhuǎn)向架，主要考慮因素如下：

(1) 平臺一致性。既有高速動車組轉(zhuǎn)向架與CR200J型動車組轉(zhuǎn)向架平臺相差較大，若保持成熟結(jié)構(gòu)，不能保證復(fù)興號系列動力集中動車組技術(shù)平臺一致性。

(2) 檢修維護(hù)體系一致性。SW-220K型轉(zhuǎn)向架沿用了25T型客車的檢修維護(hù)體系[3]，包括修程修制、檢修人員、設(shè)備。若應(yīng)用既有高速動車組轉(zhuǎn)向架，需評估、驗(yàn)證零部件的修程修制適應(yīng)性及既有設(shè)備兼容能力。

(3) 既有線路適應(yīng)性。既有線路鋼軌軌頭磨耗廓形復(fù)雜，且客貨混跑，這對既有高速動車組轉(zhuǎn)向架“下嫁”運(yùn)用是個挑戰(zhàn)[4]。而SW-220K型轉(zhuǎn)向架踏面廓形及懸掛參數(shù)經(jīng)過了多年的既有線路運(yùn)用，有較好的適應(yīng)性。

(4) 技術(shù)成熟性。既有高速動車組轉(zhuǎn)向架經(jīng)過多年的客運(yùn)專線運(yùn)用，成熟度高，但若做到與CR200J型動車組平臺兼容，需作出比較大的調(diào)整，技術(shù)變更大，零部件成熟優(yōu)勢減弱。雖然SW-220K型轉(zhuǎn)向架平臺無200 km/h運(yùn)行速度的運(yùn)營業(yè)績，但可以通過論證提升滿足要求。

(5) 成本可控性。SW-220K型轉(zhuǎn)向架新造及檢修成本，對標(biāo)25T型客車遠(yuǎn)低于既有高速動車組[5]。既有高速動車組通過降配方式進(jìn)行設(shè)計變更，成本空間有限，且犧牲原有的可靠性。

時速200 km動力集中動車組設(shè)計要求較CR200J型動車組頂層指標(biāo)的變化主要為速度提升、軸重增加，并以此為目標(biāo)對關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)部件進(jìn)行選型和優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 時速200 km動力集中動車組設(shè)計要求

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

SW-220K型轉(zhuǎn)向架來源于SW-220型高速轉(zhuǎn)向架[6]。2001年，西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對SW-220型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了滾振試驗(yàn)，試驗(yàn)速度達(dá)到300 km/h未失穩(wěn)，運(yùn)行平穩(wěn)性達(dá)到優(yōu)級。SW-220K型轉(zhuǎn)向架在SW-220型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上對基礎(chǔ)制動系統(tǒng)簡配1軸盤/軸，并優(yōu)化懸掛參數(shù)，用于CR200J型動車組上時再次對其構(gòu)架、制動夾鉗、制動盤、閘片進(jìn)行了升級。

SW-220K型轉(zhuǎn)向架按最高運(yùn)營速度160 km/h、最高試驗(yàn)速度176 km/h設(shè)計，整體采用無搖枕轉(zhuǎn)向架、H型焊接構(gòu)架、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位和四點(diǎn)支撐空氣彈簧裝置，配置溫度、振動等安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡潔、技術(shù)可靠、檢修維護(hù)方便特點(diǎn)，且運(yùn)用成熟。

2.1 動力學(xué)性能

基于SW-220K型轉(zhuǎn)向架和SW-220型轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能，通過仿真及試驗(yàn)對時速200 km動力集中動車組懸掛參數(shù)進(jìn)行選型分析。圖2為SW-220K型和SW-220型轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能對比。

圖2 SW-220K型和SW-220型轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能對比

由圖2可以看出：

(1) 2種轉(zhuǎn)向架的臨界速度均超過400 km/h，各動力學(xué)指標(biāo)均滿足運(yùn)營要求。

(2) 對于橫向平穩(wěn)性，速度較低時SW-220型轉(zhuǎn)向架優(yōu)于SW-220K型轉(zhuǎn)向架，隨著速度增加，差異逐漸減小；對于垂向平穩(wěn)性，SW-220型和SW-220K型轉(zhuǎn)向架差異不大。

(3) 當(dāng)曲線半徑小于2 000 m時，SW-220K型轉(zhuǎn)向架的輪軸橫向力和脫軌系數(shù)優(yōu)于SW-220型轉(zhuǎn)向架，當(dāng)曲線半徑大于2 000 m時，兩者差異不大。

(4) 在既有線上運(yùn)行時，SW-220K型轉(zhuǎn)向架的輪軌垂向力和輪重減載率優(yōu)于SW-220型轉(zhuǎn)向架。

2017年12月，裝用SW-220K型轉(zhuǎn)向架的CR200J型短編動車組在渝貴鐵路線進(jìn)行了200 km/h運(yùn)行速度工況下的動力學(xué)性能研究性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，各指標(biāo)均滿足要求。

2.2 基礎(chǔ)制動配置

目前CR200J型動車組基礎(chǔ)制動采用2軸盤/軸的布置方式。SW-220K型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置采用盤形制動，每軸配置2個軸裝制動盤與夾鉗單元配對；采用三點(diǎn)吊掛式制動夾鉗；制動盤采用鑄鋼材料，其外徑640 mm、內(nèi)徑370 mm、盤厚110 mm；閘片采用粉末冶金材料，為彈性浮動結(jié)構(gòu)[7]。按照此方案采用3種方式進(jìn)行200 km/h速度級運(yùn)營條件下的熱容量核算。

2.2.1方式1

方式1是最高速度下純空氣緊急制動。該工況下制動盤熱容量的仿真與試驗(yàn)對比如表1所示，由表1可以看出，制動盤熱容量滿足要求。

表1 制動盤熱容量仿真與試驗(yàn)對比

2.2.2方式2

方式2是在蘭新線軍馬場-張掖區(qū)段的模擬線路(長度120 km，下坡)上以200 km/h的速度恒速運(yùn)行，區(qū)段末尾進(jìn)行一次緊急制動[8]。該工況下的摩擦副溫度曲線如圖3所示，由圖3可以看出，純空氣制動時，制動盤熱容量為624 ℃，接近許用限度；考慮電制動時，制動盤熱容量為406 ℃，滿足相關(guān)要求。

圖3 摩擦副溫度曲線

2.2.3方式3

方式3是在45 km的長大坡道(25‰)上以200 km/h的速度恒速下坡運(yùn)行，坡底進(jìn)行一次緊急制動[9]。在該極限工況下，制動盤熱容量為782 ℃，熱容量不足，需調(diào)整為3軸盤/軸。

2.2.4結(jié)論

從上述3種方案的熱容量仿真及試驗(yàn)結(jié)果看，SW-220K型轉(zhuǎn)向架可滿足200 km/h動力集中動車組正常運(yùn)營的需求，且可實(shí)現(xiàn)輪對統(tǒng)型，但是需要考慮如下問題：

(1) 優(yōu)化制動系統(tǒng)控制模式，電制動力、空氣制動力進(jìn)行列車級分配，優(yōu)先使用電制動力，降低空氣制動介入速度，減少制動盤和閘片磨耗[10]；

(2) 按動車組標(biāo)準(zhǔn)控制制動盤和閘片質(zhì)量；

(3) 個別困難地段限速運(yùn)行；

(4) 針對長大坡道不降速運(yùn)行的極端工況，調(diào)整基礎(chǔ)制動為3軸盤/軸，構(gòu)架相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 軸箱軸承適應(yīng)性

SW-220K型轉(zhuǎn)向架采用分體式雙列圓柱滾子軸承，其內(nèi)徑130 mm、外徑250 mm、寬160 mm。該軸承無自密封功能，當(dāng)列車運(yùn)行速度由160 km/h提高至200 km/h時，會因其轉(zhuǎn)速提高、軸溫升高、橫向力增大使軸承甩脂風(fēng)險加大，造成運(yùn)用過程中潤滑不良而導(dǎo)致失效。

如果將非自密封軸承優(yōu)化為自密封軸承，可有效改善可能出現(xiàn)的潤滑不良問題，同時，非自密封軸承運(yùn)用60萬km后需分解檢修，而采用自密封型式后可實(shí)現(xiàn)120萬km免維護(hù)。改進(jìn)后的軸承需保持滾子、內(nèi)外圈主體結(jié)構(gòu)不變，車軸及軸端接口不變。

2.4 承載件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

2.4.1構(gòu)架

依據(jù)TB/T 3549.1—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 轉(zhuǎn)向架 第1部分：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架》規(guī)定，按17 t軸重對構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，包括超常載荷作用下的靜強(qiáng)度評估和運(yùn)營載荷作用下的疲勞強(qiáng)度評估。分析結(jié)果表明：構(gòu)架母材及焊縫的動應(yīng)力幅值均未超出疲勞極限圖中的疲勞極限，且安全裕度較高。圖4、圖5分別為構(gòu)架有限元模型和疲勞極限圖。2022年，SW-220K型構(gòu)架在中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心按17 t軸重通過了靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖4 構(gòu)架有限元模型

圖5 疲勞極限圖

2.4.2車軸

按TB/T 2705—2010《鐵道車輛非動力車軸設(shè)計方法》規(guī)定對車軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，車軸計算截面見圖6，車軸各截面應(yīng)力計算結(jié)果見表2。計算結(jié)果表明，車軸強(qiáng)度能夠滿足車輛17 t軸重、最高運(yùn)營速度200 km/h的運(yùn)用要求。

圖6 車軸計算截面圖

表2 車軸各截面應(yīng)力 MPa

2.4.3車輪

按TB/T 3463—2016《鐵道車輛車輪強(qiáng)度評定方法》規(guī)定對車輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，車輪有限元模型見圖7。

圖7 車輪有限元模型

各工況下車輪最大等效應(yīng)力見表3，由表3可知，靜強(qiáng)度滿足要求；車輪疲勞應(yīng)力變化量為203 MPa，遠(yuǎn)低于許用值(370 MPa)，表明車輪疲勞強(qiáng)度滿足要求。

表3 車輪各工況下最大等效應(yīng)力 MPa

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架

CR200J型動車組用SW-220K型轉(zhuǎn)向架平臺在既有線路上已經(jīng)過了近13年的運(yùn)用考驗(yàn)，包括高寒及風(fēng)沙氣候條件的運(yùn)用考驗(yàn)[12]，故障率低，維護(hù)性好，平臺基礎(chǔ)扎實(shí)。該轉(zhuǎn)向架在動力學(xué)性能方面可滿足時速200 km動力集中動車組速度提升的需求，關(guān)鍵承載部件強(qiáng)度可滿足17 t軸重需求，而且在軸箱軸承、制動控制系統(tǒng)等方面，結(jié)合既有高速動車組運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，有優(yōu)化提升的空間。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

表4為優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)。

表4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

3.2 主要結(jié)構(gòu)

優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.構(gòu)架組成；2.輪對軸箱定位裝置；3.中央懸掛裝置；4.基礎(chǔ)制動裝置； 5.速度傳感器安裝；6.轉(zhuǎn)向架排障裝置。圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖

采用H型焊接構(gòu)架、單牽引拉桿、盤型制動等結(jié)構(gòu)。采用兩級懸掛，一系懸掛采用圓柱螺旋鋼彈簧+垂向減振器，輪對軸箱采用轉(zhuǎn)臂式定位；二系懸掛采用空氣彈簧，設(shè)高度調(diào)整閥及差壓閥，安裝橫向減振器、抗蛇行減振器。拖車轉(zhuǎn)向架端部設(shè)置排障裝置。

3.3 檢修維護(hù)性能

(1) 修程分析。相對于CR200J型動車組使用的原結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架，時速200 km動力集中動車組使用的優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架的修程具有如下優(yōu)點(diǎn)：軸箱軸承采用自密封軸承，第1個D3修項點(diǎn)可取消；采用一體式制動夾鉗，基礎(chǔ)制動檢修維護(hù)內(nèi)容可優(yōu)化；懸掛件狀態(tài)修里程延長；具備D3修車輛不解編檢修可行性[11]；借鑒既有高速動車組一級修，可細(xì)化入庫檢修檢查作業(yè)內(nèi)容。

(2) 統(tǒng)型分析。備品備件種類減少，一是同一車型轉(zhuǎn)向架零部件統(tǒng)型，二是與原結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架零部件統(tǒng)型。

(3) 運(yùn)維界面分析。保持客車轉(zhuǎn)向架運(yùn)維界面的統(tǒng)一，便于維護(hù)。如軸端結(jié)構(gòu)、軸箱體結(jié)構(gòu)與落輪設(shè)備、旋輪設(shè)備的接口不變。

(4) 應(yīng)急處置分析?；谲囕v運(yùn)行速度提高，軸溫預(yù)警、報警溫度限度及處置措施可借鑒既有高速動車組經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

4 結(jié)束語

時速200 km動力集中動車組非動力車轉(zhuǎn)向架可沿用SW-220K型轉(zhuǎn)向架進(jìn)行優(yōu)化提升，優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架滿足相關(guān)指標(biāo)要求。具體優(yōu)化方案如下：

(1) 通過轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件選型分析對部分零部件進(jìn)行適應(yīng)性變更；

(2) 軸箱軸承采用自密封結(jié)構(gòu)；

(3) 優(yōu)化制動系統(tǒng)控制模式，以減小基礎(chǔ)制動摩擦副的磨耗速率，充分利用動力車電制動力，降低空氣制動介入速度。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)SW-220K型轉(zhuǎn)向架可與CR200J型動車組、25T型客車檢修維護(hù)體系保持一致，技術(shù)變更小，成熟可靠，且新造及運(yùn)維成本能夠有效控制。