新型160 km/h寬軌客車(chē)空氣彈簧轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈洪龍，李文學(xué)，程建會(huì)

（長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)部，吉林長(zhǎng)春130062）

新型160 km/h寬軌客車(chē)空氣彈簧轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈洪龍，李文學(xué)，程建會(huì)

（長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)部，吉林長(zhǎng)春130062）

介紹了速度等級(jí)為160 km/h、軸重為17 t的新型快速寬軌客車(chē)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架型號(hào)CW 820。轉(zhuǎn)向架研發(fā)過(guò)程中充分考慮了巴基斯坦境內(nèi)運(yùn)行環(huán)境條件及要求，借鑒了國(guó)內(nèi)鐵路客車(chē)等一些運(yùn)營(yíng)成熟的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合了技術(shù)引進(jìn)國(guó)外動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，為巴基斯坦鐵路（簡(jiǎn)稱：巴鐵）首次提供了空氣彈簧轉(zhuǎn)向架。

寬軌；空氣彈簧；轉(zhuǎn)向架；設(shè)計(jì)

目前，世界有一些國(guó)家，如巴基斯坦、阿根廷、巴西等鐵路軌道采用寬軌，軌距較我國(guó)的準(zhǔn)軌1 435 mm相比要寬，巴基斯坦、阿根廷軌距為1 676 mm，巴西軌距為1 600 mm。為了增加我國(guó)鐵路客車(chē)在世界市場(chǎng)的份額，中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司（簡(jiǎn)稱：長(zhǎng)客公司）針對(duì)巴基斯坦202輛寬軌客車(chē)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出新型的型號(hào)為CW820的速度160 km/h寬軌客車(chē)空氣彈簧轉(zhuǎn)向架，能夠完全滿足巴基斯坦運(yùn)營(yíng)條件。這是長(zhǎng)客公司第2次向巴鐵局提供寬軌客車(chē)。首次供貨175輛客車(chē)采用的是鋼彈簧寬軌轉(zhuǎn)向架，本次供貨202輛客車(chē)標(biāo)書(shū)技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定必須采用空氣彈簧寬軌轉(zhuǎn)向架，是巴基斯坦境內(nèi)首次采用空氣彈簧轉(zhuǎn)向架。

1　CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

巴基斯坦地處亞熱帶，南部沿海夏季溫?zé)?，其他季?jié)干燥多風(fēng)沙，線路條件差，而且該國(guó)工業(yè)落后，車(chē)輛使用、維護(hù)水平較低，CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)充分考慮了巴基斯坦境內(nèi)運(yùn)行環(huán)境條件及要求，借鑒了國(guó)內(nèi)鐵路客車(chē)等一些運(yùn)營(yíng)成熟的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合了技術(shù)引進(jìn)國(guó)外動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。該轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

2　CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

CW820為無(wú)搖枕、無(wú)搖動(dòng)臺(tái)、無(wú)旁承式三無(wú)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修量少、性能優(yōu)良、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架組成、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位裝置、中央懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)配管、軸溫報(bào)警裝置等組成。其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用改進(jìn)的H形焊接構(gòu)架，組焊后整體退火去應(yīng)力；

（2）一系懸掛由雙圈螺旋式鋼彈簧、垂向減振器、轉(zhuǎn)臂式橡膠節(jié)點(diǎn)定位等組成；

（3）二系懸掛由大橫向變位帶阻尼孔的空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等組成；

（4）在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架之間采用單牽引拉桿傳遞牽引力和制動(dòng)力；

（5）基礎(chǔ)制動(dòng)采用軸盤(pán)式制動(dòng)單元裝置。

轉(zhuǎn)向架的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)向架總體圖

2.1構(gòu)架形式

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用無(wú)搖枕、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)，構(gòu)架主體材質(zhì)選用Q345R板材。如圖2所示，構(gòu)架由兩根箱形側(cè)梁、兩根管形橫梁以及兩縱向輔助箱形梁焊接而成。側(cè)梁為中部下凹的魚(yú)腹箱形結(jié)構(gòu)，上蓋板由中央蓋板和端板組成。側(cè)梁上焊有定位座以及一系垂向減振器座、二系橫向減振器座等，內(nèi)部有4塊加強(qiáng)筋板。橫梁使用兩根無(wú)縫鋼管，用縱向梁連接，縱向梁為箱形結(jié)構(gòu)，兼做橫向擋座；橫梁上焊接有牽引拉桿座以及制動(dòng)吊座。

圖2　轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖

根據(jù)構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度可以滿足要求。

2.2輪對(duì)軸箱定位裝置

軸箱定位裝置主要包括輪對(duì)、軸端組成、一系鋼彈簧組成、節(jié)點(diǎn)裝置、一系垂向減振器等，如圖3所示。

圖3　輪對(duì)軸箱定位圖

輪對(duì)主要由車(chē)軸、車(chē)輪和制動(dòng)盤(pán)等組成。輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 600 mm。車(chē)軸符合TB/T2945-1999《鐵道車(chē)輛用LZ50鋼車(chē)軸及鋼坯技術(shù)條件》的要求。車(chē)輪符合TB/T2708-1996《鐵路快速客車(chē)輾鋼整體車(chē)輪技術(shù)條件》，踏面為巴鐵要求的P8型。

軸端主要由軸箱體、軸承、前蓋、壓板、防塵擋圈和軸端螺栓等組成。軸箱為轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)，軸箱體材料為B級(jí)鋼，結(jié)構(gòu)為一體式，組裝方便。

一系鋼彈簧組成主要由雙圈螺旋鋼彈簧、上下夾板、特制螺栓等組成。內(nèi)外圈彈簧執(zhí)行T B/T 1025-2000《機(jī)車(chē)車(chē)輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術(shù)條件》。

每軸端設(shè)置一垂向減振器，用來(lái)衰減來(lái)自軌道的沖擊和振動(dòng)。每個(gè)垂向減振器通過(guò)4個(gè)螺栓將構(gòu)架與軸箱連接到一起，與一系鋼彈簧組并聯(lián)。

2.3中央懸掛裝置

中央懸掛裝置主要由空氣彈簧、橫向減振器、橫向緩沖器、高度調(diào)整閥、壓差閥、安全鋼絲繩、牽引支座、牽引拉桿、抗蛇行減振器等組成。如圖4所示。

圖4　中央懸掛裝置

目前空氣彈簧大量運(yùn)用在國(guó)內(nèi)外鐵路客車(chē)轉(zhuǎn)向架上，大大提高了車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性，但巴基斯坦國(guó)內(nèi)并未采用過(guò)。且巴鐵系統(tǒng)供風(fēng)壓力?。?00 kPa）、載質(zhì)量大（最重發(fā)電車(chē)達(dá)68 t），現(xiàn)有空氣彈簧直徑無(wú)法滿足這一要求。長(zhǎng)客公司針對(duì)巴基斯坦202輛寬軌客車(chē)項(xiàng)目的特點(diǎn)，聯(lián)合青島四方車(chē)輛研究所有限公司研制出有效直徑為φ650 mm的大直徑空氣彈簧。

每輛車(chē)的轉(zhuǎn)向架和車(chē)體之間安裝4個(gè)高度閥，每一個(gè)高度閥控制一個(gè)空氣彈簧的充氣、排氣以及高度調(diào)整。水平杠桿和調(diào)整桿的功能是將由于乘客負(fù)載引起的高度變化信息，準(zhǔn)確地傳遞給高度調(diào)整閥，通過(guò)高度閥的充排風(fēng)使空氣彈簧始終處于標(biāo)準(zhǔn)高度。調(diào)整桿兩端使用球形關(guān)節(jié)軸承，能滿足車(chē)體與轉(zhuǎn)向架間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

差壓閥的設(shè)置是基于安全的考慮，當(dāng)兩空氣彈簧內(nèi)部的壓差達(dá)到限度時(shí)，就會(huì)發(fā)生動(dòng)作，將兩個(gè)附加氣室導(dǎo)通。這樣就能避免某一個(gè)高度閥故障而過(guò)充或任意一個(gè)空氣彈簧爆破而導(dǎo)致的車(chē)輛過(guò)度傾斜，保證車(chē)輛安全運(yùn)行。

安全鋼絲繩是空氣彈簧的防過(guò)充裝置，當(dāng)高度閥和壓差閥都有故障時(shí)空氣彈簧可能無(wú)限制的充氣和升高，安全鋼絲繩就是抑制其無(wú)限升高對(duì)車(chē)輛起安全作用。

牽引裝置用來(lái)傳遞牽引力和制動(dòng)力。牽引裝置采用單拉桿結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。牽引支座通過(guò)8個(gè)螺栓與車(chē)體底架固定在一起。

每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱布置的抗蛇行減振器，抗蛇行減振器一端與車(chē)體連接另一端與構(gòu)架相連，能有效抑制車(chē)輛的蛇行運(yùn)動(dòng)。

2.4基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用軸盤(pán)制動(dòng)，在每根車(chē)軸上裝有兩個(gè)制動(dòng)盤(pán)，每個(gè)制動(dòng)盤(pán)配置一個(gè)單元制動(dòng)缸，如圖5所示，制動(dòng)缸以3點(diǎn)懸掛在構(gòu)架橫梁的盤(pán)形制動(dòng)吊座上。該制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單能保證車(chē)輛安全制動(dòng)。

圖5　制動(dòng)單元

3　CW 820轉(zhuǎn)向架的計(jì)算試驗(yàn)

CW820轉(zhuǎn)向架是新開(kāi)發(fā)的一種寬軌客車(chē)轉(zhuǎn)向架，研發(fā)過(guò)程進(jìn)行了一系列的計(jì)算和試驗(yàn)，結(jié)果表明CW820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動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算

西南交通大學(xué)牽引試驗(yàn)室對(duì)經(jīng)濟(jì)車(chē)和空調(diào)車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算，建立了空車(chē)、滿載、超載模型，對(duì)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵懸掛參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的模型和故障工況進(jìn)行了蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適度、曲線通過(guò)安全性等的校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明該車(chē)不同工況下的性能指標(biāo)符合UIC 513、UIC 518、GB 5599-1985、UIC 505-5等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性具有足夠的速度裕量，能夠滿足線路160 km/h速度正常運(yùn)行的安全要求。

3.2構(gòu)架的強(qiáng)度計(jì)算分析

CW820轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由北京交通大學(xué)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足要求，構(gòu)架的第一階固有頻率為32.2 Hz，振型為兩側(cè)梁反向點(diǎn)頭。構(gòu)架的有限元離散模型及構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖如圖6、圖7所示。

圖6　構(gòu)架有限元離散模型

圖7　構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

3.3構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)按照UIC 515-4-1999《客運(yùn)車(chē)輛后轉(zhuǎn)向架—走行部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》及prEN 13749-1999《鐵路應(yīng)用輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架規(guī)定轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的方法》進(jìn)行，靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在強(qiáng)度許用極限范圍內(nèi)；疲勞試驗(yàn)布置8個(gè)液壓作動(dòng)器同時(shí)對(duì)構(gòu)架分3階段施加總計(jì)1 000萬(wàn)次，在600萬(wàn)次、800萬(wàn)次和1 000萬(wàn)次階段循環(huán)結(jié)束后檢查了試驗(yàn)構(gòu)架整體，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，滿足試驗(yàn)要求。

3.4轉(zhuǎn)向架滾振試驗(yàn)

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室對(duì)CW820轉(zhuǎn)向架，配牽引動(dòng)力試驗(yàn)室試驗(yàn)車(chē)車(chē)體，進(jìn)行整車(chē)滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)包括蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)，試驗(yàn)方案有轉(zhuǎn)向架原始狀態(tài)試驗(yàn)、空氣彈簧無(wú)氣和拆除各減振器故障方案在內(nèi)的試驗(yàn)方案49個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：C W 820轉(zhuǎn)向架在260 km/h速度范圍內(nèi)未出現(xiàn)失穩(wěn)，該轉(zhuǎn)向架具有足夠的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。該轉(zhuǎn)向架在40～260 km/h速度范圍內(nèi)的車(chē)體橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)達(dá)到優(yōu)。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160 km/h速度運(yùn)行的要求。

3.5正線動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所于2013年7月對(duì)長(zhǎng)客公司出口巴基斯坦的寬軌客車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)線路為L(zhǎng)ahore-Kanawal，試驗(yàn)線路總長(zhǎng)為283 km。試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常工況和重車(chē)工況下硬臥車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足試驗(yàn)大綱的要求，橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性為優(yōu)級(jí)；在正常工況下發(fā)電車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足試驗(yàn)大綱的要求，橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性為優(yōu)級(jí)。

4　結(jié)束語(yǔ)

自20世紀(jì)60年代空氣彈簧應(yīng)用在軌道客車(chē)上以來(lái)，由于其具有變剛度，容易得到較低的振動(dòng)頻率，進(jìn)而得到良好的運(yùn)行品質(zhì)，故逐漸取代鋼圓彈簧作為二系懸掛系統(tǒng)。CW820轉(zhuǎn)向架是巴鐵車(chē)輛首次批量采用的空氣彈簧轉(zhuǎn)向架，標(biāo)志著巴鐵邁入了鐵路客車(chē)現(xiàn)代化進(jìn)程。該轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、可靠，經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)及實(shí)際線路的運(yùn)用，證明其具有優(yōu)良的運(yùn)行性能。

［1］ 嚴(yán)雋耄.車(chē)輛工程［M］.北京，中國(guó)鐵道出版社，1999.

［2］ 李文學(xué).寬軌CW-KB140型空氣彈簧轉(zhuǎn)向架的研制［J］.鐵道車(chē)輛，2005，43（10）：26-29.

［3］ 張曉軍.出口巴基斯坦寬軌客車(chē)轉(zhuǎn)向架［J］.鐵道車(chē)輛，2006，44（1）：22-24.

［4］ 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司出口巴基斯坦空調(diào)硬臥車(chē)動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算報(bào)告［R］.2010.

［5］ 北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室.巴基斯坦寬軌客車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告［R］，2011.

［6］ 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.CW820（巴基斯坦客車(chē)）轉(zhuǎn)向架滾振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)報(bào)告［R］.2011.

［7］ 鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站.巴基斯坦202輛寬軌客車(chē)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.2013.

Structure Design of New Type Air Spring Bogie of 160 km/h Broad Gauge Passenger Car

JIA Honglong，LI Wenxue，CHENG Jianhui
（Research&Development Center of Bogie Department，Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper introduces the bogie design of broad gauge passenger car with the speed of 160 km/h，and axle load of 17 tons，which is exported to Pakistan.The type of the bogie is CW820.Bogie development considers the Pakistan operation conditions，and adopts mature bogie structure of domestic railway passenger cars.At the same time，combined with the advanced technology bogie design concept of imported EMU，it is the first time to provide air spring bogie for Pakistan.

broad gauge；air spring；bogie；design

U270.33

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.13

1008-7842（2015）04-0059-04

5—）男，工程師（

2014-12-19）