城市軌道交通車輛內(nèi)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(chuàng)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(huán)境污染小。內(nèi)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(yōu)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(nèi)置軸箱轉向架的結構及應用進行介紹。

1 內(nèi)置軸箱轉向架基本結構

內(nèi)置軸箱轉向架采用軸箱內(nèi)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(nèi)置軸箱轉向架主要技術參數(shù)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(nèi)置軸箱轉向架技術參數(shù)

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(chǎn)。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(nèi)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(lián)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(diào)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。空氣彈簧采用大曲囊結構,內(nèi)部設有應急輔助彈簧,能在空簧無風時提供緊急狀態(tài)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(chǎn)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(lián)軸器和彈性橡膠聯(lián)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(lián)軸器連接。彈性橡膠聯(lián)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(lián)軸器進行連接。在列車運行過程中,彈性橡膠聯(lián)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(nèi)側,端部設置耐磨材料。牽引梁為鑄造結構,經(jīng)過拓撲優(yōu)化實現(xiàn)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(diào)整功能,兼做橫向減振器安裝座。牽引橡膠堆安裝前經(jīng)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(guī)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(jù)Goodman-Smith鋼材疲勞極限圖對構架結構進行疲勞強度評估。經(jīng)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(shù)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(huán)次數(shù)為400萬次和600萬次時,在第2階段(疲勞循環(huán)次數(shù)為800萬次時)和第3階段(疲勞循環(huán)次數(shù)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(xiàn)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(guī)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(nèi)置軸箱轉向架列車的列車運行穩(wěn)定性、列車運行平穩(wěn)性和曲線通過性能進行評判。

3.1.1 列車運行穩(wěn)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(shù),讓列車運行在不平順軌道上并激發(fā)其振動;然后,讓列車運行在理想光滑軌道上,通過觀察系統(tǒng)的振動能否衰減到平衡位置,來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)。若在某一車速下系統(tǒng)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(jīng)過計算,在空車車輪半磨耗狀態(tài)下,列車的實際蛇行臨界速度為174.609 km/h,在重車狀態(tài)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(wěn)性

首先,采用時域內(nèi)的軌道不平順輸入,用逐步積分法來求解非線性系統(tǒng)的動態(tài)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(wěn)性計算方法計算車輛的橫向及垂向平穩(wěn)性指數(shù)。

當列車運行速度≤120 km/h時,計算可得:在空車狀態(tài)下,橫向最大平穩(wěn)性指標為2.34,垂向最大平穩(wěn)性指標為2.13;在重車狀態(tài)下,橫向最大平穩(wěn)性指標為1.75,垂向最大平穩(wěn)性指標為2.30?？梢?采用內(nèi)置軸箱轉向架后,列車各向運行平穩(wěn)性指標均滿足小于2.50的要求,其運行平穩(wěn)性屬于優(yōu)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(chǎn)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(jīng)過計算,車輛最大脫軌系數(shù)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(huán)線的實際線路測試結果表明,列車以空車狀態(tài)、運行速度≤132 km/h運行時,各向平穩(wěn)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(shù)據(jù)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(chǎn)生最大脫軌系數(shù)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(guī)的轉向架在列車通過曲線段線路時會產(chǎn)生較大的輪軌力,車輪磨耗嚴重,噪聲大。內(nèi)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(nèi)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(nèi)置軸箱轉向架在國外城市軌道交通車輛上已經(jīng)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。