城市軌道交通軌道車新型轉向架研制與仿真分析

秦娟蘭 陳兵

摘要：本文介紹了金鷹重型工程機械有限公司研制的GCD300型重型軌道車轉向架的技術參數(shù)、整體結構，闡述了各部件結構設計特點，對轉向架構架采用ANSYS軟件進行了有限元強度計算以及采用德國航空航天中心開發(fā)的SIMPACK動力學仿真軟件進動力學性能計算，各項計算均符合標準要求。

關鍵詞：軌道車;轉向架;設計;仿真分析

0? 引言

城市軌道交通軌道車承擔軌道交通線路設備的維運及電客車車輛的維護、牽引、調車、運輸、救援等，城市軌道交通運輸方式中如輕軌、地鐵、現(xiàn)代有軌電車等其速度高、行車密度大，其線路在建設過程中受地理環(huán)境和交通實際狀況的影響，軌道曲線多，且軌道半徑非常?。ㄗ钚?50m），而目前城市軌道交通軌道車轉向架大部分是沿用國鐵軌道車轉向架，導致在使用過程中，由于不適應城市軌道交通線路特性，容易出現(xiàn)輪緣磨耗偏大、運行品質差等缺陷，為了適應小曲線半徑軌道線路和軌道車轉向架運行品質的不足，金鷹重型工程機械有限公司對GCD300型重型軌道車轉向架進行設計研究，該車轉向架充分體現(xiàn)了模塊化設計理念，具有結構可靠、性能穩(wěn)定、便于組裝、使用與維修成本低等特點。

1? 整體結構

GCD300型重型軌道車轉向架采用二軸轉向架，沿用國鐵軌道車輛兩軸轉向架成熟結構，如焊接式構架、橡膠堆旁承、單元制動器等。為提高機車粘著重量利用率和運行品質，新型轉向架上安裝有低位牽引裝置、架承式懸掛的牽引電機、碾鋼材料整體車輪等。該轉向架主要由構架、輪對軸箱總成、驅動裝置（包括牽引電機、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)等）、牽引裝置、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、基礎制動裝等主要部件及撒砂裝置、制動附件、電氣附件等附屬部件組成（圖1）。

2? 主要技術參數(shù)

轉向架技術參數(shù)是設計轉向架的關鍵，也是檢驗轉向架是否符合標準的前提。

主要技術參數(shù)如表 1。

3? 部件簡介

3.1 構架

GCD300型重型軌道車轉向架構架主體為H型箱梁結構，由兩根側梁和一根梁焊接而成，為了提高構架整體剛度、降低應力、改善受力情況，箱內設置有筋板。構架也是安裝各部件的骨架，其上還設有單元制動器安裝座、車軸齒輪箱安裝座、電機吊座、減振器座、軸箱拉桿座等。

構架采用具有優(yōu)良機械性能和焊接性能材料，各板材采用Q345B低合金高強度鋼板，構架粱體焊接執(zhí)行EN15085標準。

轉向架設計完成后，進行了構架有限元強度計算和動力學性能計算。構架有限元分析采用ANSYS軟件進行，計算的依據(jù)和標準為TB/T2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》，參考BS EN13749-2011《鐵路應用-輪對和轉向架-規(guī)定轉向架-構架結構要求的方法》。計算結果表明，模擬運營工況下最大應力152.6MPa（應力云圖見圖2），標準未超出Q345B鋼許用應力為216MPa的標準。

構架橫梁上裝有2個側擋，能限制軌道車車體與轉向架之間的自由橫動量。當側擋貼靠起作用后，側擋體內的橡膠塊還能產(chǎn)生彈性緩沖作用。構架側梁底面焊有軸箱側擋，其磨耗面與車軸軸承箱單側擋間隙為7.5～10.5mm;軸箱側擋磨耗板與軸箱止擋重合面高度在30～50mm之間。

3.2 輪對與軸箱裝置

車輛輪對全部為驅動輪對，車輪直徑840mm，采用符合TB/T449的LM磨耗型踏面。

軸箱裝置主要由軸箱體、單拉桿、一系彈簧、油壓減振器等組成（圖3）。軸箱采用內置懸掛方式，使軸箱中心距縮短，充分利用構架H型結構;采用無導框彈性單拉桿定位，與傳統(tǒng)軌道車轉向架雙拉桿結構比較，各軸箱均減少了一個拉桿和拉桿座，結構簡化，安裝更方便;同時對單拉桿的橡膠節(jié)點進行了優(yōu)化設計，獲得合適的一系懸掛縱向剛度與橫向剛度，在保證直線運行平穩(wěn)性的前提下，提高了曲線通過能力。軸箱拉桿兩端設有橡膠關節(jié)，使軸箱可以依靠橡膠關節(jié)的徑向、軸向及扭轉彈性變形，實現(xiàn)多個方向的相對位移，使輪對與構架間成為彈性聯(lián)接。

車軸軸承箱上部設計有起吊掛板，當車輛需要起復時，起吊掛板可以與轉向架構架連掛在一起，實現(xiàn)輪對、軸箱無捆綁起復。為保證起復的效率，在掛勾上增加起復用墊塊，以減少彈簧的伸長，從而減少復軌器的行程。該種結構簡單實用。

一系彈簧裝置由各軸箱體左右各一組彈簧以及并聯(lián)的一系垂向油壓減振器組成，用以承載重量并緩沖、吸收運行過程中的各種垂向振動。各組彈簧均由內外圈彈簧加橡膠墊組成，彈簧加橡膠墊靜撓度95mm。

軸箱軸承型號為352226×2-2RZ，為符合鐵路標準的自潤滑免維護軸承，可以節(jié)約運用中的維護時間。

3.3 二系懸掛裝置

二系懸掛裝置采用軌道車轉向架成熟的四點支撐旁承方式，旁承采用性能良好、維護工作量小的橡膠堆結構，靜撓度為15mm，并配置了兩個橫向液壓減振器以衰減機車的橫向振動，提高舒適性;二系懸掛裝置磨耗板采用新材料新工藝制作，摩擦系數(shù)非常小，車輛通過曲線軌道時有利于車體與轉向架之間的相對運動，便于車體順利通過曲線軌道。

3.4 牽引裝置

本轉向架采用 “Z”型牽引桿機構，具有牽引點低、強度高、落車操作簡單等優(yōu)點。牽引裝置主要由牽引拉桿、中心銷、壓板、側擋等組成。

牽引裝置用以傳遞轉向架與底架之間的牽引力，并使轉向架能相對于車體轉動和橫向移動。牽引拉桿沿著車長方向布置，其一端與構架橫梁上的牽引座通過螺栓聯(lián)接，另一端與焊接在牽引銷體上的牽引座聯(lián)接。牽引力、制動力通過牽引拉桿傳遞至牽引銷體，通過與車體固定聯(lián)接的牽引銷體上端將力傳遞給車體。

牽引裝置側面焊有側擋，側擋與轉向架橫向止擋座間隙為14～16mm，超過時應在側擋背面加墊板調節(jié)。牽引裝置與轉向架橫梁之間間隙為30±4mm，不滿足時調整中心銷與車架之間的調整墊。

3.5 驅動裝置

驅動裝置包括交流牽引電機、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)。牽引電機采用架承式懸掛，上下各1個支座與構架橫梁上的橡膠墊安裝座聯(lián)接，橡膠墊具有良好的吸收高平震動的能力，能有效減小軌道（道岔或彎道處）高平震動對牽引電機的沖擊，支座與安裝座間設有卡槽，確保橡膠墊安裝座失效時牽引電機不致脫落。

齒輪箱采用二級傳動，通過兩級平行軸直齒輪傳動增大扭矩并最終驅動輪對。車軸齒輪箱主要由上箱體、下箱體、透氣器、傳動軸、傳動齒輪對、強制潤滑系統(tǒng)等部分組成。齒輪箱采用齒輪泵強制潤滑和飛濺潤滑相結合以確保無盲點潤滑，保證車輛運行安全。

強制潤滑系統(tǒng)的潤滑泵為雙向齒輪泵，泵送的潤滑油在分配閥的作用下可以到達各軸承部位，保證車輛在前進、后退工況均能得到可靠潤滑。外接吸油盤確保為各潤滑點提供干凈清潔的潤滑油。飛濺潤滑系統(tǒng)為輔助潤滑，在上箱體和下箱體上有相應的結構來收集齒輪轉動飛濺到箱體上的潤滑油，并通過油道流入各潤滑點。

車軸齒輪箱的輸入端通過鼓形齒聯(lián)軸節(jié)與驅動電機連接。

3.6 基礎制動裝置

基礎制動裝置采用結構緊湊、方便安裝踏面制動單元制動器，單元制動器設有自動閘調器，能保證緩解時閘瓦間隙在4-8mm范圍內。

單元制動器配套TB/T2403H型高摩合成閘瓦，其制動倍率可根據(jù)車重變化進行選取，以滿足地鐵車輛制動需要。

每臺轉向架均設有2個帶彈簧停車制動的單元制動器，當坡道停車時，可以排出彈簧停車制動缸內的總風，停車制動彈簧釋放，推動閘瓦壓緊車輪，使車輛停駐在坡道上。

4? 動力學性能仿真計算

動力學性能采用德國航空航天中心開發(fā)的SIMPACK機械＼機電系統(tǒng)運動學＼動力學仿真軟件進行計算，其橫向及垂向平穩(wěn)性指標均達到良好（如圖4所示），以60mm以下的欠超高通過半徑為300m、400m、600m的圓曲線和以45km/h通過由12號道岔組成的渡線、以30km/h通過由9號道岔組成的渡線時的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和傾覆系數(shù)均小于GB/T17426-1998規(guī)定的限度值，曲線運行安全性滿足GB/T17426-1998的要求。

5? 結語

金鷹重型工程機械有限公司通過自主創(chuàng)新，研發(fā)GCD300型重型軌道車轉向架，大大提高地鐵軌道車輛的運行品質，目前采用新型地鐵轉向架的軌道車輛已經(jīng)在用戶現(xiàn)場使用，獲得了較高的滿意度及評價。

參考文獻：

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