李辰生 宋永勝 張蕊姣 周耀斌

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司,063035,唐山;2.河北省軌道車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)創(chuàng)新中心,063035,唐山∥第一作者,工程師)

城市軌道交通具有曲線半徑小、線路條件差、列車起停頻繁、空車與重車差別大、載客量大及運(yùn)行噪聲要求高等特點(diǎn)。這對(duì)城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架提出了更高的要求:首先,轉(zhuǎn)向架應(yīng)具有良好的曲線通過(guò)性能和適應(yīng)線路扭曲的能力,有較高的運(yùn)行安全可靠性;其次,轉(zhuǎn)向架應(yīng)輕量化設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的牽引能力和制動(dòng)能力,使列車的起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度足夠大;再次,滿足空車與重車的載荷變化要求,噪聲低,對(duì)環(huán)境污染小。內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架具有簧下質(zhì)量輕、曲線通過(guò)能力強(qiáng)、適應(yīng)扭曲線路能力好及運(yùn)行噪聲低等優(yōu)點(diǎn),能夠很好地滿足城市軌道交通車輛的運(yùn)行要求[1-2]。為此,本文對(duì)城市軌道交通車輛內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架采用軸箱內(nèi)置式無(wú)搖枕結(jié)構(gòu),采用二系彈簧懸掛,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。構(gòu)架采用鋼板焊接形式;一系懸掛采用金屬橡膠彈簧,拉桿式輪對(duì)定位方式;二系懸掛采用大曲囊空氣彈簧,四點(diǎn)控制方式;牽引裝置采用橡膠堆牽引方式;每根動(dòng)軸設(shè)置1套驅(qū)動(dòng)裝置;每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上配備4套盤型制動(dòng)單元,對(duì)角布置2套停放制動(dòng)單元。內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

注:1—構(gòu)架裝置;2—輪對(duì)軸箱裝置;3—一系懸掛及輪對(duì)定位裝置;4—二系懸掛裝置;5—中央牽引裝置;6—驅(qū)動(dòng)裝置;7—基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。

表1 內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

1.1 構(gòu)架裝置

構(gòu)架裝置是由符合EN 10025系列標(biāo)準(zhǔn)的S355鋼板焊接而成的H形結(jié)構(gòu),且其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度須符合UIC 615-4—2003《動(dòng)力車—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》要求。構(gòu)架上設(shè)有電機(jī)安裝座、齒輪箱安裝座、空簧安裝座、減振器安裝座、一系簧安裝座及拉桿安裝座等。構(gòu)架裝置的焊接應(yīng)符合EN 15085系列標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)所有關(guān)鍵焊縫進(jìn)行超聲波探傷。構(gòu)架裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注:1—側(cè)梁組成; 2—橫梁組成; 3—垂向減振器安裝座; 4—定位拉桿安裝座; 5—基礎(chǔ)制動(dòng)安裝座; 6—驅(qū)動(dòng)裝置安裝座; 7—一系彈簧安裝座; 8—空氣彈簧安裝座; 9—縱向牽引安裝座。

1.2 輪對(duì)軸箱裝置

輪對(duì)軸箱裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。輪對(duì)軸箱裝置由車輪、車軸、軸承及軸箱等組成,且每條動(dòng)力輪對(duì)上裝有1套驅(qū)動(dòng)裝置和1套接地裝置。車軸按照BS 8535系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核,選用符合TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的LZ50鋼進(jìn)行生產(chǎn)。車輪采用整體輾鋼車輪,選用符合TB/T 2817—2018《鐵路貨車用輾鋼整體車輪》的CL60鋼,強(qiáng)度滿足EN 13979系列標(biāo)準(zhǔn)要求,車輪上安裝輪裝制動(dòng)盤。內(nèi)置式軸箱軸承采用免維護(hù)的雙列圓錐滾子軸承。軸箱采用分體式鑄造結(jié)構(gòu),設(shè)置一系橡膠彈簧和定位拉桿安裝接口。

圖3 輪對(duì)軸箱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 輪對(duì)定位和懸掛裝置

轉(zhuǎn)向架采用兩級(jí)懸掛結(jié)構(gòu)。一系懸掛包括金屬橡膠彈簧、定位拉桿和輪對(duì)提吊等部件。每軸箱端部設(shè)置2組并聯(lián)的金屬橡膠彈簧。定位拉桿安裝于軸箱和構(gòu)架之間,用于約束輪對(duì)與構(gòu)架的相對(duì)位移。輪對(duì)提吊安裝于軸箱中部,起到輪對(duì)起吊功能,并兼做垂向止擋用。

二系懸掛主要包括空氣彈簧、高度調(diào)整裝置、抗側(cè)滾扭桿、垂向和橫向油壓減振器、差壓閥、橫向緩沖止擋等部件。空氣彈簧采用大曲囊結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有應(yīng)急輔助彈簧,能在空簧無(wú)風(fēng)時(shí)提供緊急狀態(tài)下的支撐。車輛采用4點(diǎn)控制方式,每個(gè)空簧由1個(gè)高度閥控制,并在2個(gè)空氣彈簧之間設(shè)置差壓閥,用于平衡同一轉(zhuǎn)向架2個(gè)空氣彈簧之間的壓力差。構(gòu)架與牽引梁之間安裝橫向緩沖止擋,以避免車輛與轉(zhuǎn)向架之間產(chǎn)生較大的橫向位移。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架設(shè)有1個(gè)橫向減振器和2個(gè)垂向減振器,用于衰減車輛振動(dòng)。二系懸掛結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 二系懸掛結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 驅(qū)動(dòng)裝置

每臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上安裝2套驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置由牽引電機(jī)、齒輪箱、撓性板聯(lián)軸器和彈性橡膠聯(lián)軸器等部件組成,牽引電機(jī)和齒輪箱彈性安裝在構(gòu)架上。驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。齒輪箱采用平行軸式的二級(jí)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu),其大齒輪安裝于空心軸上。為減小驅(qū)動(dòng)裝置所占用的橫向空間,牽引電機(jī)和齒輪箱外殼剛性連接,軸頭通過(guò)撓性板聯(lián)軸器連接。彈性橡膠聯(lián)軸器安裝于車軸上;齒輪箱空心軸穿過(guò)車軸,通過(guò)空心軸的端面齒與彈性橡膠聯(lián)軸器進(jìn)行連接。在列車運(yùn)行過(guò)程中,彈性橡膠聯(lián)軸器提供不同工況下的變位能力。

圖5 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 中央牽引裝置

每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝1套中央牽引裝置。中央牽引裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。中央牽引裝置由牽引橡膠堆、牽引梁和提升止擋等部件組成。牽引橡膠堆縱向安裝于構(gòu)架橫梁內(nèi)側(cè),端部設(shè)置耐磨材料。牽引梁為鑄造結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化,牽引梁與牽引橡膠堆和橫向緩沖止擋接觸部位均安裝耐磨材料。提升止擋采用鑄造結(jié)構(gòu),設(shè)有垂向間隙調(diào)整功能,兼做橫向減振器安裝座。牽引橡膠堆安裝前經(jīng)過(guò)預(yù)壓縮與牽引梁連接,用于傳遞車輛運(yùn)行過(guò)程中的各向載荷。

圖6 中央牽引裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用輪盤制動(dòng)形式,每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝4套基礎(chǔ)制動(dòng)單元,其中對(duì)角布置停放制動(dòng)單元?；A(chǔ)制動(dòng)管路布置于構(gòu)架上方,停放制動(dòng)缸設(shè)置單獨(dú)供風(fēng)管路。由于基礎(chǔ)制動(dòng)安裝于構(gòu)架外側(cè),制動(dòng)缸自帶制動(dòng)緩解功能,不再單獨(dú)布置手制動(dòng)緩解拉線。

2 構(gòu)架強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析

按照UIC 615-4—2003、EN 13749:2011《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架要求的規(guī)定方法》,采用ANSYS軟件對(duì)構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。結(jié)果表明,在超常載荷工況下,構(gòu)架的計(jì)算應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力,靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn);在模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下,依據(jù)Goodman-Smith鋼材疲勞極限圖對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。經(jīng)評(píng)估,疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

參照UIC 615-4—2003、EN 13749:2011和TB/T 2368—2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,驗(yàn)證構(gòu)架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度性能。靜強(qiáng)度試驗(yàn)包括超常工況載荷靜強(qiáng)度試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)載荷靜強(qiáng)度試驗(yàn)。構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)次數(shù)為1 000萬(wàn)次。在主結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)前,在第1階段過(guò)程中完成疲勞循環(huán)次數(shù)為400萬(wàn)次和600萬(wàn)次時(shí),在第2階段(疲勞循環(huán)次數(shù)為800萬(wàn)次時(shí))和第3階段(疲勞循環(huán)次數(shù)為1 000萬(wàn)次時(shí))完成后,各進(jìn)行1次磁粉探傷。

靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示,構(gòu)架均未出現(xiàn)任何裂紋,且滿足強(qiáng)度要求。

3 列車動(dòng)力學(xué)性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 列車動(dòng)力學(xué)性能分析

采用Simpack軟件建立列車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析,參照GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和EN 12299:2009《鐵路設(shè)施—乘客乘坐舒適度—測(cè)量和評(píng)估》對(duì)采用內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架列車的列車運(yùn)行穩(wěn)定性、列車運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)性能進(jìn)行評(píng)判。

3.1.1 列車運(yùn)行穩(wěn)定性

首先,給定一段有限長(zhǎng)的實(shí)際軌道隨機(jī)不平順激擾樣本函數(shù),讓列車運(yùn)行在不平順軌道上并激發(fā)其振動(dòng);然后,讓列車運(yùn)行在理想光滑軌道上,通過(guò)觀察系統(tǒng)的振動(dòng)能否衰減到平衡位置,來(lái)判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)。若在某一車速下系統(tǒng)的振動(dòng)不再收斂到平衡位置,則這時(shí)車速為列車的實(shí)際蛇行臨界速度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,在空車車輪半磨耗狀態(tài)下,列車的實(shí)際蛇行臨界速度為174.609 km/h,在重車狀態(tài)下,列車的實(shí)際蛇行臨界速度為191.797 km/h,高于列車實(shí)際運(yùn)行速度。

3.1.2 列車運(yùn)行平穩(wěn)性

首先,采用時(shí)域內(nèi)的軌道不平順輸入,用逐步積分法來(lái)求解非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),得到車輛在線路不平順激擾下的位移、加速度和加速度響應(yīng);然后,用FFT(快速傅里葉變換)求出不同頻率下的加速度值;最后,用Sperling平穩(wěn)性計(jì)算方法計(jì)算車輛的橫向及垂向平穩(wěn)性指數(shù)。

當(dāng)列車運(yùn)行速度≤120 km/h時(shí),計(jì)算可得:在空車狀態(tài)下,橫向最大平穩(wěn)性指標(biāo)為2.34,垂向最大平穩(wěn)性指標(biāo)為2.13;在重車狀態(tài)下,橫向最大平穩(wěn)性指標(biāo)為1.75,垂向最大平穩(wěn)性指標(biāo)為2.30。可見(jiàn),采用內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架后,列車各向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均滿足小于2.50的要求,其運(yùn)行平穩(wěn)性屬于優(yōu)秀等級(jí)。

3.1.3 車輛曲線通過(guò)性能

列車由直線段駛?cè)肭€段,特別是通過(guò)緩和曲線段時(shí),由于各種激擾的輸入,輪軌之間產(chǎn)生復(fù)雜作用力,進(jìn)而影響車輛的曲線通過(guò)性能。本文主要分析了列車以70 km/h運(yùn)行速度通過(guò)超高為120 mm、曲線半徑為300 m曲線軌道時(shí)的安全性指標(biāo)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,車輛最大脫軌系數(shù)為0.41,最大輪重減載率為0.36,最大輪軌橫向力為20.07 kN?？梢?jiàn),各項(xiàng)性能均能滿足曲線通過(guò)安全性要求,且有很大裕量。

3.2 列車動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

列車采用4輛動(dòng)車+2輛拖車的6輛編組形式。試驗(yàn)環(huán)線的實(shí)際線路測(cè)試結(jié)果表明,列車以空車狀態(tài)、運(yùn)行速度≤132 km/h運(yùn)行時(shí),各向平穩(wěn)性指標(biāo)滿足小于2.5的要求。

列車以不同速度等級(jí)、不同載重進(jìn)行曲線安全性測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,AW3(超載)工況下列車以60 km/h通過(guò)曲線時(shí)工況最為惡劣,產(chǎn)生最大脫軌系數(shù)為0.38、最大輪重減載率為0.46、最大輪軌橫向力為31.44 kN,各項(xiàng)性能均能滿足曲線通過(guò)安全性指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車輛常規(guī)的轉(zhuǎn)向架在列車通過(guò)曲線段線路時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的輪軌力,車輪磨耗嚴(yán)重,噪聲大。內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架能避免上述問(wèn)題,又能降低轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,提高列車的運(yùn)載能力。本文提出的內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證等各方面均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,證明了該轉(zhuǎn)向架性能完全滿足我國(guó)市場(chǎng)需求。內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架在國(guó)外城市軌道交通車輛上已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用,相信在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,此種形式轉(zhuǎn)向架具有廣闊的應(yīng)用前景。