160 km/h速度等級市域車轉向架設計

肖天宇 門永林 徐步震 顧 磊

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

0 引言

市域鐵路的核心功能定位介于高速鐵路和城軌地鐵之間，主要服務于城市主城區(qū)與郊區(qū)或中心城市與衛(wèi)星城之間，以實現(xiàn)1小時交通圈為基本目標。因此，市域列車主要滿足“運量大、速度快、快起快停、乘坐舒適”的運營需求。

轉向架是車輛的走行部件，其性能直接影響車輛運行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。下面對160 km/h速度等級市域車轉向架設計方案進行簡要說明。

1 轉向架頂層設計指標

根據(jù)市域車運營特點，制定轉向架頂層設計指標如表1所示[1]。

表1 轉向架主要頂層設計指標

2 轉向架總體方案

動力轉向架的方案設計如圖1所示。非動力轉向架與動力轉向架主體結構類似，無驅(qū)動裝置，需要對構架進行適應性改動，取消電機吊座和齒輪箱吊座，其余主要部件可互換。轉向架總體方案如下：(1)構架采用鋼板焊接的箱型結構，主體呈H形。(2)輪對按照EN標準設計，采用實心鍛造車軸、直輻板整體輾鋼車輪。(3)一系懸掛采用鋼彈簧配合垂向油壓減振器，轉臂式軸箱定位裝置。(4)二系懸掛采用無揺枕結構，設置聯(lián)系枕梁，減少轉向架和車體的安裝接口。(5)牽引裝置采用錐形定位銷配合“Z”字形雙拉桿[2]，通過橡膠節(jié)點連接構架和牽引體。(6)驅(qū)動裝置由牽引電機、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)組成，電機采用架懸方式安裝。(7)基礎制動裝置采用輪盤制動[3]。

3 轉向架主要零部件方案

3.1 構架

構架呈H形結構，由兩個U型側梁和一個“目”字型橫梁焊接而成(見圖2)。構架上焊有電機吊座、齒輪箱吊座、轉臂定位座、空簧座等設備安裝座。構架主體采用P355NL1鋼板，鑄鋼件采用G20Mn5。

構架橫、側梁均為箱型結構，由上、下蓋板，腹板以及內(nèi)部的筋板組成。

焊接要求滿足EN 15085焊接體系標準。

圖1 動力轉向架 圖2 動力轉向架構架

3.2 輪對軸箱

輪對軸箱裝置由車輪、車軸、軸箱、軸承等組成。采用整體輾鋼輪，LM磨耗型踏面，新輪直徑840 mm，磨耗到限直徑770 mm。車輪輻板兩側安裝制動盤。車軸為實心鍛造車軸。軸承使用整體圓錐滾子軸承，成熟可靠，免維護。軸端分別裝有防滑傳感器、信號傳感器和接地裝置等設備。

3.3 一系懸掛

一系懸掛定位裝置常用錐形橡膠堆式、人字形橡膠堆式和鋼彈簧轉臂式3種形式。經(jīng)過對比分析，本轉向架方案選用鋼彈簧轉臂式定位，主要有鋼彈簧、橡膠墊、垂向減振器、定位轉臂和金屬橡膠節(jié)點等零件。鋼彈簧和垂向減振器分別提供一系垂向剛度和垂向阻尼，橡膠節(jié)點提供水平剛度和一定的阻尼。

3.4 二系懸掛

二系懸掛裝置包含彈性減振組件、空簧控制組件、抗側滾扭桿和聯(lián)系枕梁四個部分(見圖3)。

圖3 二系懸掛裝置

彈性減振組件由大曲囊空簧和油壓減振器組成?？栈梢环矫嫫鸬街诬圀w的作用，另一方面可以提供一定剛度。借鑒國內(nèi)外多數(shù)轉向架的設計經(jīng)驗，一般高速度等級轉向架都會安裝抗蛇行減振器，有效提高車輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度，提升車輛運行穩(wěn)定性[4]。

空簧控制組件包含2個高度閥、1個差壓閥及管路等。高度閥通過控制空簧充、排氣，使車體底板面高度可以始終控制在規(guī)定范圍內(nèi)。差壓閥安裝于枕梁中部，用來調(diào)節(jié)兩個空簧之間的壓力差，保證車輛的曲線通過性能。

抗側滾扭桿裝置由扭桿、連桿和扭臂等組成。扭桿橫向布置在轉向架下部中央位置，兩側的垂向連桿上部與聯(lián)系枕梁相連。

在構架橫梁中央內(nèi)框的兩側設置橫向止擋，限制二系懸掛的非正常橫向變形，防止車體橫向位移過大。

3.5 聯(lián)系枕梁

聯(lián)系枕梁[5]主體采用P355NL1鋼板，鑄件采用G20Mn5。枕梁上有空簧進氣安裝口、連桿安裝座、減振器安裝座等多種部件的安裝接口。聯(lián)系枕梁的主要作用如下：(1)將二系懸掛中的減振器、高度閥、差壓閥及管路等進行集成化設計，減少轉向架與車體的安裝接口，提高轉向架的整體性；(2)在車輛的牽引和制動過程中，枕梁主要起到傳遞縱向牽引力和制動力的作用；(3)枕梁的內(nèi)部空腔作為附加氣室，可以提供足夠的容積滿足空簧的使用要求。

3.6 中心牽引

中心牽引裝置可實現(xiàn)車輛和轉向架之間牽引力和制動力的傳遞，由錐形中心銷、牽引體、中心牽引節(jié)點和牽引拉桿等組成。中心銷安裝于聯(lián)系枕梁的下部，插入牽引體的橡膠節(jié)點孔。采用“Z”字形雙牽引拉桿(見圖4)。

3.7 基礎制動

該轉向架采用盤形制動。每個轉向架設置4個制動夾鉗單元，其中2個帶有停放功能，呈對角位別布置，并配有遠程機械緩解設備。

3.8 驅(qū)動裝置

動車轉向架裝有驅(qū)動裝置，包括牽引電機、一級傳動齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)(見圖5)。牽引電機以外掛形式安裝在構架橫梁外側。齒輪箱的大齒輪端壓裝在車軸上，小齒輪端由吊桿懸掛在構架橫梁，牽引電機的輸出軸和齒輪箱的輸入軸通過聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，用來適應電機和齒輪箱之間的相對運動。

圖4 中心牽引裝置 圖5 驅(qū)動裝置

4 轉向架設計驗證

4.1 構架強度計算校核

構架的計算載荷可以分為超常載荷和模擬運營載荷兩種工況。通過有限元仿真分析可知，在超常載荷工況下，構架的最大應力發(fā)生在垂向載荷和電機慣性載荷組合工況，最大Von Mises應力值為338.6 MPa，位于側、橫梁連接過渡圓弧處，該最大應力小于材料P355NL1鋼的許用應力355 MPa，構架靜強度滿足標準要求。

將各模擬運營載荷及其工況組合加載于構架結構模型上，各工況下各部位的疲勞強度評估如表2所示。對測點處的應力進行組合處理可知，構架各部位的平均應力、應力幅值能夠滿足Haigh疲勞曲線圖的包絡要求，如圖6和圖7所示，因此符合疲勞強度的設計要求。

表2 模擬運營載荷工況疲勞強度評估 /MPa

圖6 P355NL1鋼構架疲勞強度評估

圖7 G20Mn5鑄件疲勞強度評估

4.2 構架強度試驗驗證

試驗按UIC 615-4和EN 13749執(zhí)行。

(1)靜強度試驗

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，超常載荷工況下，各測點的應力均未超過材料屈服許用極限，試驗載荷卸除后也沒有發(fā)生永久變形。構架的極限應力出現(xiàn)在垂向、橫向、扭曲載荷共同作用的超常載荷工況下，應力值為-313.3 MPa，位于側、橫梁對接部位的側梁上蓋板圓弧區(qū)域，與理論計算結果基本一致。

模擬運營載荷工況各測點的應力最大值、最小值繪制到Goodman疲勞極限圖上后，所有測點均在各自的疲勞極限范圍內(nèi)。因此構架疲勞強度滿足標準要求。

(2)疲勞強度試驗

構架的疲勞試驗分為主體載荷1 000萬次和附加牽引制動載荷200萬次。試驗完成后對構架進行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4.3 動力學性能仿真

(1)正常工況下的動力學性能

在新輪和磨耗輪情況下，車輛的臨界速度均大于最高運營速度160 km/h，且有較大裕量。在運營速度范圍內(nèi)，新輪空車和新輪重車的平穩(wěn)性指標均小于2.5，乘坐舒適性達到“優(yōu)”，滿足GB 5599-85和UIC 518對乘坐舒適度的要求。車輛的曲線通過安全性指標滿足標準要求。

(2)故障工況下的動力學性能

為了保守估計車輛故障情況下的動力學性能，分析時考慮磨耗輪、空車情況。分析可知，在一系垂向、二系垂向、二系橫向、抗蛇行減振器和空簧分別發(fā)生故障的情況下，車輛的臨界速度均大于160 km/h， 且具有一定裕量；在運營速度范圍內(nèi)，車輛安全性指標均滿足標準要求。當全部抗蛇行減振器或空簧發(fā)生故障時，車輛臨界速度明顯下降，但仍然大于最大運營速度。為了保證較優(yōu)的乘坐舒適度，在空簧全部故障時，車輛應該限速到90 km/h以內(nèi)。

5 結語

本文提出的160 km/h速度等級市域車轉向架方案，基于“先進、成熟、可靠”的設計原則，經(jīng)過仿真分析和臺架試驗表明，轉向架方案滿足設計要求，可為國內(nèi)市域車轉向架的研發(fā)提供一些參考意見。