馬 超 ,朱世昌,楊俊杰

(1.寶雞中車時代工程機械有限公司,陜西 寶雞 721003;2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

隨著城軌地鐵的高速發(fā)展,新建線路逐年增加,各地鐵公司對于地鐵工程車輛和檢測車輛的需求量也隨之加大。原有的地鐵檢測車輛功能單一,構造速度低,不能實現(xiàn)地鐵區(qū)間內(nèi)的綜合檢測作業(yè)和快進快出[1]。

寶雞中車時代工程機械有限公司于2016年組織開展了新型地鐵檢測車輛的研制工作,新型地鐵檢測車集接觸網(wǎng)檢測和軌道檢測功能于一體,最高構造速度可達120 km/h,可用于檢測接觸網(wǎng)及軌道各項參數(shù),運輸人員隨車配置發(fā)電機組可為外接設備提供電源,最終該車定名為DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車。

按照DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車的開發(fā)需求,需要研發(fā)一種滿足軸重16 t,可以集成安裝軌檢裝置,最高運行速度120 km/h,可通過65 m小曲線的轉向架。轉向架總體方案以原地鐵工程車輛配屬轉向架結構為基礎,針對網(wǎng)軌檢測車高速和集成檢測的需求,優(yōu)化設計,合理選配一、二系支撐方式和支撐參數(shù),滿足車輛120 km/h的最高運行速度和整車平穩(wěn)性要求。轉向架構架端部集成了軌檢裝置的安裝接口,使該轉向架具有較好的綜合性能。

1 轉向架總體方案

速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉向架是以經(jīng)過成熟運用驗證的地鐵工程車轉向架為基礎,二系支撐優(yōu)化為高圓鋼彈簧形式,用以滿足車輛最高120 km/h的運行速度和整車平穩(wěn)性要求。轉向架總體設計遵循模塊化、結構簡潔和維護量小的原則,結構包括構架、輪對軸箱組成、一系支撐、二系支撐、中央牽引系統(tǒng)和基礎制動等。轉向架結構如圖1所示,轉向架主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉向架主要技術參數(shù)

1.1 承載問題的解決方案

按照DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車的開發(fā)需求,轉向架承載能力須滿足檢測車16 t軸重的要求,構架和輪對的設計上,結構強度都進行了專門的計算校核。

1.1.1構架

構架是轉向架的基礎結構,是各種設備的安裝基礎[2]。構架采用鋼板和型鋼組成全焊接封閉式“目”字形結構,由2根側梁、2根橫梁和前、后端梁組成,為滿足構架承載強度要求,主梁采用型鋼或方鋼結構。

按照TB/T 2368—2005《動力轉向架構架強度試驗方法》確定的計算載荷和計算工況對構架靜強度和疲勞強度進行了計算,計算結果如下：

(1)靜強度載荷工況時,構架的最大應力值出現(xiàn)在超常載荷工況1(見表2),最大應力值為216.3 MPa,位置在拉臂座同構架連接的過渡處,小于該工況下的許用應力345 MPa,安全系數(shù)為1.37,構架靜強度滿足TB/T 2368—2005的要求。超常載荷工況1的構架計算應力云圖如圖2所示。

表2 超常載荷工況表

圖2 超常載荷工況1構架應力云圖

(2)模擬主要運營載荷工況及特殊運營載荷工況,構架各測點的計算結果均在Goodman的包絡線內(nèi),構架的疲勞強度滿足TB/T 2368—2005標準的要求[3]。

1.1.2輪對

車輪采用整體輾鋼輪,符合TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術條件》標準中D型輪的要求,承載能力最大可達21 t,LM磨耗型踏面;車軸材質(zhì)為LZ50,符合TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件》標準要求,另外,車軸按TB/T 2395—2008《鐵道機車車輛動力車軸設計方法》進行了強度校核,計算結果表明在標準規(guī)定的各種工況下,所有截面安全系數(shù)均大于1,車軸強度滿足檢測車的使用需求。輪對組件外形如圖3所示。

圖3 輪對軸箱組件三維模型

1.2 高速平穩(wěn)性的解決方案

常規(guī)的地鐵工程車和檢測車最高速度要求一般為90 km/h, DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車最高運行速度要求為120 km/h,且考慮到檢測裝置的檢測精度,對車輛的平穩(wěn)性要求極高,需要在全速度段內(nèi)達到平穩(wěn)性評價標準的“良”品質(zhì)及以上。

為滿足網(wǎng)軌檢測車高速和平穩(wěn)性的要求,轉向架軸箱的定位方式和一、二系支撐的設計突破了常規(guī)地鐵軌道工程車輛的固有結構。

1.2.1軸箱

軸箱采用無導框彈性單轉臂式定位方式,由偏置的橡膠定位節(jié)點和軸箱組件組成[4]。橡膠定位節(jié)點一端與軸箱體過盈配合連接,另外一端與構架上焊接的轉臂節(jié)點座連接,每個橡膠定位節(jié)點的橫向剛度為3 kN/mm,較大的橫向定位剛度可以適當提高車輛的臨界運行速度。無導框彈性單轉臂式定位軸箱具備結構緊湊、性能可靠的特點,與導框式軸箱相比,還具有無磨耗件、免維護的優(yōu)點[5-6]。

1.2.2一、二系支撐

轉向架一系支撐采用鋼彈簧加橡膠墊的形式,并配合有阻尼系數(shù)為25 kN·s/m的垂向減振器。鋼彈簧采取不等參數(shù)大小兩組并聯(lián)的方式,在滿足支撐的同時,降低了綜合支撐剛度,不僅過濾了軌面不平順引起的振動,還起到了衰減轉向架沉浮、側滾和點頭振動的作用。

轉向架二系支撐選用承載能力較大、制造維護成本較低的高圓彈簧形式,并配套有減振橡膠墊和二系橫向減振器。二系橫向減振器采用中位對稱布置的結構,每個轉向架設置2個相同的橫向減振器,不僅確保整車具有優(yōu)良的運行平穩(wěn)性和舒適性,還可在其中一個橫向減振器損壞的情況下,另一個減振器起到備份作用,保證車輛的高速平穩(wěn)性[7]。

1.3 小曲線通過的解決方案

常規(guī)地鐵工程車輛的二系支撐采用的是橡膠堆形式,橡膠堆具有剛度穩(wěn)定、動撓度小的特點,但在通過小曲線時,橡膠堆的變位能力適應性差,極易出現(xiàn)橡膠堆因扭轉變形過大導致的壽命降低問題,甚至極限工況下橡膠堆出現(xiàn)撕裂,對車輛的運行安全造成極大的影響。

網(wǎng)軌檢測車在通過65 m的小曲線時,車體相對于轉向架的最大轉角約為5.7°,為保證檢測車順利通過小曲線,二系支撐選用了扭轉變位能力較強的鋼圓彈簧,鋼圓彈簧不僅能適應車體相對于轉向架的縱向變位和橫向變位,還能適應一定范圍內(nèi)的扭轉變位。且等載荷工況下,鋼圓彈簧相較于橡膠堆靜撓度更大,在保證車輛高速平穩(wěn)性方面具有很大的優(yōu)勢[8]。

牽引裝置選擇了空間上不會限制車體與轉向架相對轉動的中央牽引裝置。為降低檢測車在通過小曲線時車輪輪緣的磨耗和輪軌噪音,轉向架每車輪處還設置有干式輪緣潤滑器。

2 動力學計算

設計完成后,委托西南交通大學牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所對DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車進行了全面的系統(tǒng)動力學計算。采用商業(yè)軟件SIMPACK進行計算,根據(jù)GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》,對該列車的運行穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線(含道岔)通過性能進行仿真計算、分析和判定。

2.1 運行穩(wěn)定性分析

將車輛在一段以美國5級線路譜為激擾的直線軌道上運行,然后去掉激擾,使車輛在理想平直軌道上運行,觀測其能否趨于平衡位置,從而確定車輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度,即非線性臨界速度。由圖4輪對橫移量的時間歷程曲線可見,地鐵網(wǎng)軌檢測車以v=219 km/h速度運行時,在線路隨機不平順激擾消失后,各位輪對橫移量逐漸趨向于零,說明在該速度下,網(wǎng)軌檢測車系統(tǒng)是穩(wěn)定的;由圖5可知,當車輛速度增加到v=220 km/h時,在線路隨機不平順激擾消失后,各位輪對橫移量不再趨向于零,而是以一定幅值開始蛇行運動。據(jù)此可以認為,該網(wǎng)軌檢測車在新輪狀態(tài)下的臨界速度為：vcr= 219 km/h,滿足最高運行速度120 km/h要求,并有足夠的安全裕量。

圖4 輪對橫移量的時間歷程曲線(v=219 km/h)

圖5 輪對橫移量的時間歷程曲線(v=220 km/h)

由計算結果可知,隨著車輪踏面磨耗的加劇,車輪踏面等效錐度λ增大,臨界速度隨之降低。要使地鐵網(wǎng)軌檢測車的非線性蛇行運動失穩(wěn)臨界速度vcr>120 km/h,則λ≤0.32,因此,當λ>0.32時,須鏇輪。

2.2 運行平穩(wěn)性分析

網(wǎng)軌檢測車平穩(wěn)性等級參照GB/T 5599—1985中客車的相關要求來執(zhí)行,具體如表3所示。

表3 客車運行平穩(wěn)性等級

采用美國5級譜作線路不平順激擾,計算結果表明,網(wǎng)軌檢測車橫向和垂向平穩(wěn)性指標隨著車速的提高而增加,網(wǎng)軌檢測車運行平穩(wěn)性計算結果見表4,其橫向、垂向平穩(wěn)性指標變化趨勢如圖6、圖7所示。

表4 網(wǎng)軌檢測車運行平穩(wěn)性計算結果

圖6 橫向平穩(wěn)性指標

圖7 垂向平穩(wěn)性指標

2.3 曲線(含道岔)通過性能分析

分別計算網(wǎng)軌檢測車通過65 m曲線、100 m曲線、300 m曲線和5號道岔組成的過渡線時的車輛安全性能：輪對橫向力最大為37.5 kN,小于GB/T 5599—1985規(guī)定的上限值54 kN;輪重減載率最大值為0.58,小于標準中規(guī)定的第二限度值0.6;傾覆系數(shù)最大值為0.65,標準中要求試驗鑒定車輛的傾覆系數(shù)應小于0.8,結果滿足要求;脫軌系數(shù)標準中規(guī)定第二限度值為1,計算最大值為0.47,遠小于第二限度值。分析計算結果表明,網(wǎng)軌檢測車的曲線(含道岔)通過性能全部符合GB/T 5599—1985標準的相關要求和規(guī)定。

3 試驗

3.1 構架強度試驗

構架試制完成后,委托國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心機車車輛檢驗站進行了靜強度試驗和疲勞強度試驗,試驗參照TB/T 2368—2005標準進行。

(1)構架靜強度試驗包含了三大類試驗工況和49小類試驗工況。第一大類為超常載荷靜態(tài)試驗,包含10種單獨的試驗工況;第二大類為模擬運營載荷靜態(tài)試驗,包含了17種單獨的試驗工況;最后一類為模擬特殊運營載荷的靜態(tài)試驗,包含了22種單獨的試驗工況。

構架材質(zhì)為Q345B,TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》中規(guī)定材質(zhì)的許用應力為216 MPa,由靜強度試驗結果可知,構架在超常載荷靜態(tài)試驗工況下測點最大應力值為192 MPa,未超過材料的許用應力;模擬運營載荷靜態(tài)試驗工況下,構架測點的應力均在TB/T 2368—2005標準規(guī)定的材料疲勞極限圖范圍內(nèi)(見圖8),構架靜強度符合TB/T 2368—2005標準的要求。

圖8 疲勞強度評估Goodman圖

(2)在試驗樣品做完靜強度試驗后,分3個階段對構架進行了1.0×107次疲勞試驗。第1階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為6×106次;第2階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為2×106次,試驗時保持靜態(tài)載荷部分不變,準靜態(tài)和動態(tài)部分為第1階段的1.2倍;第3階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為2×106次,試驗時保持靜態(tài)載荷部分不變,準靜態(tài)和動態(tài)部分為第1階段的1.4倍。

試驗結束后對構架依據(jù)GB/T 15822.1—2005標準《無損檢測磁粉檢測》進行磁粉探傷,未出現(xiàn)任何形式的裂紋,該構架疲勞強度滿足TB/T 2368—2005標準的要求[9]。

3.2 動力學試驗

轉向架試制完成,DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車組裝調(diào)試完成后,在廣州地鐵三號線北延段體育西路站至機場南站區(qū)間內(nèi)進行了線路動力學試驗。由于線路限速和線路區(qū)間短等原因,只進行了60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h速度級的試驗和數(shù)據(jù)采集。

圖9、圖10分別為被試車全速度范圍內(nèi)車體垂向平穩(wěn)性和橫向平穩(wěn)性測試結果散點圖。在直線線路試驗工況下,垂向平穩(wěn)性指標最高測試值為2.37(80 km/h速度級),計算值為2.43(80 km/h速度級),實測值比計算值低2.5%,橫向平穩(wěn)性指標最高測試值為2.56(90 km/h速度級),計算值為2.49(90 km/h速度級),實測值比計算值高2.8%;在曲線線路試驗工況下,垂向平穩(wěn)性指標最高測試值為2.14(60 km/h速度級),計算值為2.23(60 km/h速度級),實測值比計算值低4%,橫向平穩(wěn)性指標最高測試值為2.32(70 km/h速度級),計算值為2.41(70 km/h速度級),實測值比計算值低3.7%,以上結果均符合GB/T 5599—1985標準中平穩(wěn)性指標不大于3的要求[10]。

圖9 車體垂向平穩(wěn)性指標

圖10 車體橫向平穩(wěn)性指標

4 結束語

通過仿真計算和試驗驗證,充分證明了速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉向架的結構強度和動力學性能滿足高速地鐵網(wǎng)軌檢測車的運用要求。

動力學試驗結果表明,直線工況和曲線工況實測各項平穩(wěn)性指標與理論計算值有4%以內(nèi)的誤差,原因在于試驗車試驗線路條件與計算中模擬的線路條件不同。

車輛以10 km/h以下的速度通過65 m曲線時,轉向架與車體各部位沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象,設置了輪緣潤滑器的情況下,車輪與鋼軌的接磨嘯叫聲音比常規(guī)車輛小很多。

截至目前,該形式的轉向架已成功推廣運用于廣州地鐵探傷車、貴陽地鐵探傷車、成都地鐵探傷車和西安地鐵網(wǎng)軌檢測車等多條地鐵線路的不同車輛,其中地鐵探傷車年平均運行里程約為1.2萬km,地鐵網(wǎng)軌檢測車年平均運行里程約為0.5萬km,4臺車中運用時間最長的1臺地鐵探傷車和1臺網(wǎng)軌檢測車都已滿6年,截至目前,所有運用該形式轉向架的地鐵車輛轉向架故障率均為0,運用效果良好。