城市軌道交通車輛內置軸箱轉向架的結構分析與性能驗證

李辰生 宋永勝 張蕊姣 周耀斌

(1.中車唐山機車車輛有限公司,063035,唐山;2.河北省軌道車輛轉向架技術創新中心,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、載客量大及運行噪聲要求高等特點。這對城市軌道交通車輛轉向架提出了更高的要求:首先,轉向架應具有良好的曲線通過性能和適應線路扭曲的能力,有較高的運行安全可靠性;其次,轉向架應輕量化設計,具有較強的牽引能力和制動能力,使列車的起動加速度和制動減速度足夠大;再次,滿足空車與重車的載荷變化要求,噪聲低,對環境污染小。內置軸箱轉向架具有簧下質量輕、曲線通過能力強、適應扭曲線路能力好及運行噪聲低等優點,能夠很好地滿足城市軌道交通車輛的運行要求[1-2]。為此,本文對城市軌道交通車輛內置軸箱轉向架的結構及應用進行介紹。

1 內置軸箱轉向架基本結構

內置軸箱轉向架采用軸箱內置式無搖枕結構,采用二系彈簧懸掛,其整體結構如圖1所示。構架采用鋼板焊接形式;一系懸掛采用金屬橡膠彈簧,拉桿式輪對定位方式;二系懸掛采用大曲囊空氣彈簧,四點控制方式;牽引裝置采用橡膠堆牽引方式;每根動軸設置1套驅動裝置;每臺轉向架上配備4套盤型制動單元,對角布置2套停放制動單元。內置軸箱轉向架主要技術參數如表1所示。

注:1—構架裝置;2—輪對軸箱裝置;3—一系懸掛及輪對定位裝置;4—二系懸掛裝置;5—中央牽引裝置;6—驅動裝置;7—基礎制動裝置。

表1 內置軸箱轉向架技術參數

1.1 構架裝置

構架裝置是由符合EN 10025系列標準的S355鋼板焊接而成的H形結構,且其結構強度須符合UIC 615-4—2003《動力車—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗》要求。構架上設有電機安裝座、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。構架裝置的焊接應符合EN 15085系列標準的要求,對所有關鍵焊縫進行超聲波探傷。構架裝置結構如圖2所示。

注:1—側梁組成; 2—橫梁組成; 3—垂向減振器安裝座; 4—定位拉桿安裝座; 5—基礎制動安裝座; 6—驅動裝置安裝座; 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 輪對軸箱裝置

輪對軸箱裝置結構如圖3所示。輪對軸箱裝置由車輪、車軸、軸承及軸箱等組成,且每條動力輪對上裝有1套驅動裝置和1套接地裝置。車軸按照BS 8535系列標準進行設計和強度校核,選用符合TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件》標準的LZ50鋼進行生產。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,強度滿足EN 13979系列標準要求,車輪上安裝輪裝制動盤。內置式軸箱軸承采用免維護的雙列圓錐滾子軸承。軸箱采用分體式鑄造結構,設置一系橡膠彈簧和定位拉桿安裝接口。

圖3 輪對軸箱裝置結構示意圖

1.3 輪對定位和懸掛裝置

轉向架采用兩級懸掛結構。一系懸掛包括金屬橡膠彈簧、定位拉桿和輪對提吊等部件。每軸箱端部設置2組并聯的金屬橡膠彈簧。定位拉桿安裝于軸箱和構架之間,用于約束輪對與構架的相對位移。輪對提吊安裝于軸箱中部,起到輪對起吊功能,并兼做垂向止擋用。

二系懸掛主要包括空氣彈簧、高度調整裝置、抗側滾扭桿、垂向和橫向油壓減振器、差壓閥、橫向緩沖止擋等部件?？諝鈴椈刹捎么笄医Y構,內部設有應急輔助彈簧,能在空簧無風時提供緊急狀態下的支撐。車輛采用4點控制方式,每個空簧由1個高度閥控制,并在2個空氣彈簧之間設置差壓閥,用于平衡同一轉向架2個空氣彈簧之間的壓力差。構架與牽引梁之間安裝橫向緩沖止擋,以避免車輛與轉向架之間產生較大的橫向位移。每臺轉向架設有1個橫向減振器和2個垂向減振器,用于衰減車輛振動。二系懸掛結構如圖4所示。

圖4 二系懸掛結構示意圖

1.4 驅動裝置

每臺動力轉向架上安裝2套驅動裝置。驅動裝置由牽引電機、齒輪箱、撓性板聯軸器和彈性橡膠聯軸器等部件組成,牽引電機和齒輪箱彈性安裝在構架上。驅動裝置結構如圖5所示。齒輪箱采用平行軸式的二級齒輪傳動結構,其大齒輪安裝于空心軸上。為減小驅動裝置所占用的橫向空間,牽引電機和齒輪箱外殼剛性連接,軸頭通過撓性板聯軸器連接。彈性橡膠聯軸器安裝于車軸上;齒輪箱空心軸穿過車軸,通過空心軸的端面齒與彈性橡膠聯軸器進行連接。在列車運行過程中,彈性橡膠聯軸器提供不同工況下的變位能力。

圖5 驅動裝置結構示意圖

1.5 中央牽引裝置

每臺轉向架安裝1套中央牽引裝置。中央牽引裝置結構如圖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架橫梁內側,端部設置耐磨材料。牽引梁為鑄造結構,經過拓撲優化實現了結構的輕量化,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構,設有垂向間隙調整功能,兼做橫向減振器安裝座。牽引橡膠堆安裝前經過預壓縮與牽引梁連接,用于傳遞車輛運行過程中的各向載荷。

圖6 中央牽引裝置結構示意圖

1.6 基礎制動裝置

基礎制動裝置采用輪盤制動形式,每臺轉向架安裝4套基礎制動單元,其中對角布置停放制動單元?；A制動管路布置于構架上方,停放制動缸設置單獨供風管路。由于基礎制動安裝于構架外側,制動缸自帶制動緩解功能,不再單獨布置手制動緩解拉線。

2 構架強度分析及試驗驗證

2.1 構架靜強度和疲勞強度分析

按照UIC 615-4—2003、EN 13749:2011《鐵路應用—輪對和轉向架—轉向架要求的規定方法》,采用ANSYS軟件對構架進行靜強度和疲勞強度分析。結果表明,在超常載荷工況下,構架的計算應力均小于對應材料的許用應力,靜強度滿足標準;在模擬運營載荷工況下,依據Goodman-Smith鋼材疲勞極限圖對構架結構進行疲勞強度評估。經評估,疲勞強度滿足設計要求。

2.2 構架靜強度和疲勞強度試驗

參照UIC 615-4—2003、EN 13749:2011和TB/T 2368—2005《動力轉向架構架強度試驗方法》,驗證構架結構的靜強度和疲勞強度性能。靜強度試驗包括超常工況載荷靜強度試驗和運營載荷靜強度試驗。構架的疲勞強度試驗次數為1 000萬次。在主結構疲勞強度試驗前,在第1階段過程中完成疲勞循環次數為400萬次和600萬次時,在第2階段(疲勞循環次數為800萬次時)和第3階段(疲勞循環次數為1 000萬次時)完成后,各進行1次磁粉探傷。

靜強度試驗和疲勞強度試驗結果顯示,構架均未出現任何裂紋,且滿足強度要求。

3 列車動力學性能分析及試驗驗證

3.1 列車動力學性能分析

采用Simpack軟件建立列車動力學模型進行仿真分析,參照GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》和EN 12299:2009《鐵路設施—乘客乘坐舒適度—測量和評估》對采用內置軸箱轉向架列車的列車運行穩定性、列車運行平穩性和曲線通過性能進行評判。

3.1.1 列車運行穩定性

首先,給定一段有限長的實際軌道隨機不平順激擾樣本函數,讓列車運行在不平順軌道上并激發其振動;然后,讓列車運行在理想光滑軌道上,通過觀察系統的振動能否衰減到平衡位置,來判斷系統是否出現蛇行失穩。若在某一車速下系統的振動不再收斂到平衡位置,則這時車速為列車的實際蛇行臨界速度。

經過計算,在空車車輪半磨耗狀態下,列車的實際蛇行臨界速度為174.609 km/h,在重車狀態下,列車的實際蛇行臨界速度為191.797 km/h,高于列車實際運行速度。

3.1.2 列車運行平穩性

首先,采用時域內的軌道不平順輸入,用逐步積分法來求解非線性系統的動態響應,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;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平穩性計算方法計算車輛的橫向及垂向平穩性指數。

當列車運行速度≤120 km/h時,計算可得:在空車狀態下,橫向最大平穩性指標為2.34,垂向最大平穩性指標為2.13;在重車狀態下,橫向最大平穩性指標為1.75,垂向最大平穩性指標為2.30?？梢?采用內置軸箱轉向架后,列車各向運行平穩性指標均滿足小于2.50的要求,其運行平穩性屬于優秀等級。

3.1.3 車輛曲線通過性能

列車由直線段駛入曲線段,特別是通過緩和曲線段時,由于各種激擾的輸入,輪軌之間產生復雜作用力,進而影響車輛的曲線通過性能。本文主要分析了列車以70 km/h運行速度通過超高為120 mm、曲線半徑為300 m曲線軌道時的安全性指標。

經過計算,車輛最大脫軌系數為0.41,最大輪重減載率為0.36,最大輪軌橫向力為20.07 kN?？梢?各項性能均能滿足曲線通過安全性要求,且有很大裕量。

3.2 列車動力學試驗

列車采用4輛動車+2輛拖車的6輛編組形式。試驗環線的實際線路測試結果表明,列車以空車狀態、運行速度≤132 km/h運行時,各向平穩性指標滿足小于2.5的要求。

列車以不同速度等級、不同載重進行曲線安全性測試。試驗數據表明,AW3(超載)工況下列車以60 km/h通過曲線時工況最為惡劣,產生最大脫軌系數為0.38、最大輪重減載率為0.46、最大輪軌橫向力為31.44 kN,各項性能均能滿足曲線通過安全性指標。

4 結語

城市軌道交通車輛常規的轉向架在列車通過曲線段線路時會產生較大的輪軌力,車輪磨耗嚴重,噪聲大。內置軸箱轉向架能避免上述問題,又能降低轉向架質量,提高列車的運載能力。本文提出的內置軸箱轉向架在結構設計、仿真計算和試驗驗證等各方面均符合標準要求,證明了該轉向架性能完全滿足我國市場需求。內置軸箱轉向架在國外城市軌道交通車輛上已經得到了成功的應用,相信在市場需求的推動下,此種形式轉向架具有廣闊的應用前景。