120km/h軌道工程車輛用電傳動動力轉(zhuǎn)向架設(shè)計

李田 曹莉姣 馬超 穆青

【摘? 要】主要對寶雞中車時代工程機械有限公司研制的120km/h電傳動軌道工程車輛動力轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、功能及其重要構(gòu)成系統(tǒng)做簡單介紹，對其相關(guān)計算驗證進行簡要說明。

【關(guān)鍵詞】軌道工程車輛;電傳動;動力轉(zhuǎn)向架

引言

隨著我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，為鐵路配套的軌道工程車輛的技術(shù)運用及運行速度也逐步提升。同時，隨著國家對于環(huán)保問題的日益重視，各種環(huán)保方面的法律、法規(guī)逐漸出臺，傳統(tǒng)機械傳動和液力傳動的軌道工程車輛轉(zhuǎn)向架已不能很好地滿足軌道工程車輛運用要求。因此，為滿足我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展需求，并結(jié)合公司未來發(fā)展需求，寶雞中車時代工程機械有限公司設(shè)計研發(fā)了一款120km/h速度等級軌道工程車輛用電傳動動力轉(zhuǎn)向架。

1.轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

該轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

2.轉(zhuǎn)向架概述

該轉(zhuǎn)向架如圖1所示，主要有構(gòu)架、輪對軸箱、二系旁承懸掛裝置、牽引裝置、牽引電機、車軸齒輪箱、基礎(chǔ)制動裝置及其他附件組成。

1.構(gòu)架 2.動力輪對軸箱裝置 3.二系旁承懸掛裝置 4.牽引裝置 5.牽引電機6.基礎(chǔ)制動裝置 7.附件組成

3.轉(zhuǎn)向架主要組成部分介紹

（1）構(gòu)架。該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體為由兩根側(cè)梁和一個橫梁組成的全鋼板焊接“H”型結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有各種附件安裝座，具有強度大、剛性好、質(zhì)量輕、焊接工藝性好等優(yōu)點。構(gòu)架在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時，完全遵循《EN15085—3：鐵路應(yīng)用—鐵道車輛及部件的焊接—第3部分：設(shè)計要求》。設(shè)計中對構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，避免了構(gòu)架拼焊后局部出現(xiàn)較大應(yīng)力集中問題。構(gòu)架設(shè)計強度符合TB/T 3549.1《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 轉(zhuǎn)向架 第一部分：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架》中規(guī)定。構(gòu)架組焊完成后，進行退火處理，消除構(gòu)架內(nèi)部殘余焊接應(yīng)力。構(gòu)架組焊后整采用整體機加工，可保證構(gòu)架上安裝各部件尺寸定位精度要求。

（2）動力輪對軸箱裝置。該轉(zhuǎn)向架輪對軸箱裝置采用雙拉桿式定位方式。每個軸箱有兩組完全相同的內(nèi)、外簧彈簧組，并在軸箱體和構(gòu)架之間設(shè)有垂向油壓減振器。輪對采用注油壓裝方式，符合TB/T 1463《機車輪對組裝技術(shù)條件》規(guī)定。車輪為輪徑915mm的HFS型車輪，設(shè)計符合TB/T 2817《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》，踏面型式采用LM磨耗型踏面。車軸軸型符合TB/T 2624《重型軌道車車軸型式及基本尺寸》，材質(zhì)為LZ50，生產(chǎn)制造符合TB/T 2945《鐵道車輛用LZ50車軸及鋼坯技術(shù)條件》。該轉(zhuǎn)向架電機輸出端與齒輪箱輸入端由聯(lián)軸節(jié)過渡，電機輸出的扭矩通過聯(lián)軸節(jié)傳遞到齒輪箱，齒輪箱的從動端與車軸過盈連接，通過從動端帶動車輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整車運動。

（3）二系懸掛裝置。該轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置采用橡膠堆配合橫向油壓減振器和側(cè)擋型式。每轉(zhuǎn)向架配置四個橡膠堆，一個橫向油壓減振器，兩個側(cè)擋裝置。此二系懸掛裝置性能穩(wěn)定，使用維護保養(yǎng)簡單，能夠適應(yīng)車輛通過較小曲線半徑，還可以衰減車輛橫向振動，限制車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向位移。

（4）牽引裝置。該轉(zhuǎn)向架牽引裝置采用低位連桿牽引裝置，結(jié)構(gòu)簡單靈活、重量輕、連接部位潤滑好、維修保養(yǎng)簡單方便。

（5）牽引電機。該轉(zhuǎn)向架牽引電機額定功率為250 kW，額定轉(zhuǎn)速為750r/min，電機冷卻方式為強迫風(fēng)冷，采用架懸方式安裝。

（6）基礎(chǔ)制動裝置。該轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置采用單元制動器單側(cè)踏面制動型式，閘瓦采用高摩合成閘瓦。每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置有四個外置安裝帶駐車停放功能的單元制動器，能在車輛停車或無風(fēng)狀態(tài)下利用蓄能的彈簧實現(xiàn)車輛停車制動功能。同時，還具有閘瓦間隙自動調(diào)節(jié)功能，保證閘瓦與車輪踏面間隙8mm～12mm。

（7）其他附件組成。該轉(zhuǎn)向架根據(jù)車輛運用工況要求，設(shè)置了撒砂裝置、一二系鎖定裝置、接地裝置、軸溫報警裝置等附件組成。

4.設(shè)計計算

（1）構(gòu)架強度計算。為保證車輛運用安全，依據(jù)TB/T1335《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》及TB/T2368《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》，采用Pro/E三維建模軟件及ANSYS Workbench有限元分析軟件，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架按照23t軸重施加載荷，進行了靜強度計算及疲勞強度評價。

①靜強度計算。經(jīng)過對構(gòu)架模型進行處理和單元離散，構(gòu)架形成366500個單元，691423個測點，構(gòu)架網(wǎng)格質(zhì)量達到74%，符合進行加載計算要求。

通過經(jīng)計算分析，各工況下構(gòu)架最大等效應(yīng)力均小于對應(yīng)材料的應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)架應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在超常載荷工況4下側(cè)梁內(nèi)肋板處（彈簧座對應(yīng)位置），如圖2所示，應(yīng)力值為243.8MPa，小于355MPa，，故構(gòu)架滿足靜強度要求。

②疲勞強度分析。選取構(gòu)架主要測點模擬運營載荷工況進行疲勞強度評定，各測點疲勞強度采用Goodman圖進行疲勞強度評價，評定結(jié)果見圖3 。結(jié)果表明構(gòu)架各測點的疲勞強度均沒有超過母材的疲勞極限也沒有超過焊縫區(qū)的疲勞極限，故運營載荷各工況下構(gòu)架疲勞強度滿足疲勞強度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）動力學(xué)計算驗證。為驗證該軌道工程車轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能，依據(jù)軌道車設(shè)計結(jié)構(gòu)和計算參數(shù)，采用多體動力學(xué)分析SIMPACK軟件建立非線性動力學(xué)分析模型，計算分析車輛系統(tǒng)的失穩(wěn)臨界速度、運行安全性和運行平穩(wěn)性，綜合評估車輛動力學(xué)性能。因該轉(zhuǎn)向架主要用于軌道工程車輛車輛中的重型軌道車，不是作為載人客車。因此，其動力學(xué)性能考核評價主要依據(jù)GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定和試驗方法》。

通過對多種工況的計算分析，并結(jié)合特種車輛動力學(xué)性能評價標(biāo)準(zhǔn)進行仿真評估分析，得到以下幾點結(jié)論：

①軌道車線性失穩(wěn)臨界速度隨車輪踏面等效踏面錐度增大而減小，非線性臨界速度在新輪狀態(tài)下為238km/h，能夠滿足該車輛120km/h運用速度和132km/h最高試驗速度的要求。

②經(jīng)計算分析軌道車通過多種典型曲線工況的結(jié)果，各項運行安全性指標(biāo)參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)要求安全限度值以內(nèi)，可滿足車輛通過100m曲線安全運行要求。

③軌道車直線運行時，20km/h～132km/h速度范圍內(nèi)，車體垂向和橫向振動加速度均滿足限度值要求;20km/h～120km/h速度范圍內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均為優(yōu)等級，132km/h速度級垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為良好等級;各速度級橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均為優(yōu)等級。

④軌道車側(cè)向通過9號和12號道岔時，不同速度級下脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等指標(biāo)均具有一定安全裕量。

綜上，根據(jù)仿真計算的分析結(jié)果，軌道車運行安全性和平穩(wěn)性各項參數(shù)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定和試驗方法》的要求，滿足整車運行的動力學(xué)性能要求。

（3）緊急制動計算驗證。軌道車制動距離是衡量制動性能的一個重要參數(shù)，因此應(yīng)通過計算來校核車輛在緊急制動情況下制動距離是否滿足GB/T 10082《重型軌道車技術(shù)條件》所規(guī)定的軌道車在平直線路上，單機以120km/h時自行速度運行，緊急制動距離不大于800米的要求及是否滿足滑行條件。

根據(jù)TB/1407《列車牽引計算規(guī)程》計算整車緊急制動距離計算，計算得知：在平直道上，單機以120km/h時自行速度運行，緊急制動距離為655.5m，滿足緊急緊急制動距離不大于800米的要求。且對其滑行條件及整車坡道駐車能力計算校核均滿足整車設(shè)計要求。

5.結(jié)語

該轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)介紹及相應(yīng)計算結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊合理，能滿足動力學(xué)性能、限界及強度的要求;同時，滿足最大運用速度為120km/h的要求和初速度為120km/h時整車緊急制動距離小于800 m的要求。因此該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計、懸掛參數(shù)的匹配是合理的，設(shè)計是成功的，能夠滿足整車轉(zhuǎn)向架運用需求。

參考文獻

[1]鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.