地鐵網(wǎng)軌檢測車轉(zhuǎn)向架研制

馬 超 ,朱世昌,楊俊杰

(1.寶雞中車時代工程機械有限公司,陜西 寶雞 721003;2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

隨著城軌地鐵的高速發(fā)展,新建線路逐年增加,各地鐵公司對于地鐵工程車輛和檢測車輛的需求量也隨之加大。原有的地鐵檢測車輛功能單一,構(gòu)造速度低,不能實現(xiàn)地鐵區(qū)間內(nèi)的綜合檢測作業(yè)和快進快出[1]。

寶雞中車時代工程機械有限公司于2016年組織開展了新型地鐵檢測車輛的研制工作,新型地鐵檢測車集接觸網(wǎng)檢測和軌道檢測功能于一體,最高構(gòu)造速度可達120 km/h,可用于檢測接觸網(wǎng)及軌道各項參數(shù),運輸人員隨車配置發(fā)電機組可為外接設(shè)備提供電源,最終該車定名為DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車。

按照DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車的開發(fā)需求,需要研發(fā)一種滿足軸重16 t,可以集成安裝軌檢裝置,最高運行速度120 km/h,可通過65 m小曲線的轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架總體方案以原地鐵工程車輛配屬轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),針對網(wǎng)軌檢測車高速和集成檢測的需求,優(yōu)化設(shè)計,合理選配一、二系支撐方式和支撐參數(shù),滿足車輛120 km/h的最高運行速度和整車平穩(wěn)性要求。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部集成了軌檢裝置的安裝接口,使該轉(zhuǎn)向架具有較好的綜合性能。

1 轉(zhuǎn)向架總體方案

速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉(zhuǎn)向架是以經(jīng)過成熟運用驗證的地鐵工程車轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ),二系支撐優(yōu)化為高圓鋼彈簧形式,用以滿足車輛最高120 km/h的運行速度和整車平穩(wěn)性要求。轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計遵循模塊化、結(jié)構(gòu)簡潔和維護量小的原則,結(jié)構(gòu)包括構(gòu)架、輪對軸箱組成、一系支撐、二系支撐、中央牽引系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動等。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1所示,轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

1.1 承載問題的解決方案

按照DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車的開發(fā)需求,轉(zhuǎn)向架承載能力須滿足檢測車16 t軸重的要求,構(gòu)架和輪對的設(shè)計上,結(jié)構(gòu)強度都進行了專門的計算校核。

1.1.1構(gòu)架

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),是各種設(shè)備的安裝基礎(chǔ)[2]。構(gòu)架采用鋼板和型鋼組成全焊接封閉式“目”字形結(jié)構(gòu),由2根側(cè)梁、2根橫梁和前、后端梁組成,為滿足構(gòu)架承載強度要求,主梁采用型鋼或方鋼結(jié)構(gòu)。

按照TB/T 2368—2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》確定的計算載荷和計算工況對構(gòu)架靜強度和疲勞強度進行了計算,計算結(jié)果如下：

(1)靜強度載荷工況時,構(gòu)架的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在超常載荷工況1(見表2),最大應(yīng)力值為216.3 MPa,位置在拉臂座同構(gòu)架連接的過渡處,小于該工況下的許用應(yīng)力345 MPa,安全系數(shù)為1.37,構(gòu)架靜強度滿足TB/T 2368—2005的要求。超常載荷工況1的構(gòu)架計算應(yīng)力云圖如圖2所示。

表2 超常載荷工況表

圖2 超常載荷工況1構(gòu)架應(yīng)力云圖

(2)模擬主要運營載荷工況及特殊運營載荷工況,構(gòu)架各測點的計算結(jié)果均在Goodman的包絡(luò)線內(nèi),構(gòu)架的疲勞強度滿足TB/T 2368—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求[3]。

1.1.2輪對

車輪采用整體輾鋼輪,符合TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中D型輪的要求,承載能力最大可達21 t,LM磨耗型踏面;車軸材質(zhì)為LZ50,符合TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求,另外,車軸按TB/T 2395—2008《鐵道機車車輛動力車軸設(shè)計方法》進行了強度校核,計算結(jié)果表明在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種工況下,所有截面安全系數(shù)均大于1,車軸強度滿足檢測車的使用需求。輪對組件外形如圖3所示。

圖3 輪對軸箱組件三維模型

1.2 高速平穩(wěn)性的解決方案

常規(guī)的地鐵工程車和檢測車最高速度要求一般為90 km/h, DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車最高運行速度要求為120 km/h,且考慮到檢測裝置的檢測精度,對車輛的平穩(wěn)性要求極高,需要在全速度段內(nèi)達到平穩(wěn)性評價標(biāo)準(zhǔn)的“良”品質(zhì)及以上。

為滿足網(wǎng)軌檢測車高速和平穩(wěn)性的要求,轉(zhuǎn)向架軸箱的定位方式和一、二系支撐的設(shè)計突破了常規(guī)地鐵軌道工程車輛的固有結(jié)構(gòu)。

1.2.1軸箱

軸箱采用無導(dǎo)框彈性單轉(zhuǎn)臂式定位方式,由偏置的橡膠定位節(jié)點和軸箱組件組成[4]。橡膠定位節(jié)點一端與軸箱體過盈配合連接,另外一端與構(gòu)架上焊接的轉(zhuǎn)臂節(jié)點座連接,每個橡膠定位節(jié)點的橫向剛度為3 kN/mm,較大的橫向定位剛度可以適當(dāng)提高車輛的臨界運行速度。無導(dǎo)框彈性單轉(zhuǎn)臂式定位軸箱具備結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠的特點,與導(dǎo)框式軸箱相比,還具有無磨耗件、免維護的優(yōu)點[5-6]。

1.2.2一、二系支撐

轉(zhuǎn)向架一系支撐采用鋼彈簧加橡膠墊的形式,并配合有阻尼系數(shù)為25 kN·s/m的垂向減振器。鋼彈簧采取不等參數(shù)大小兩組并聯(lián)的方式,在滿足支撐的同時,降低了綜合支撐剛度,不僅過濾了軌面不平順引起的振動,還起到了衰減轉(zhuǎn)向架沉浮、側(cè)滾和點頭振動的作用。

轉(zhuǎn)向架二系支撐選用承載能力較大、制造維護成本較低的高圓彈簧形式,并配套有減振橡膠墊和二系橫向減振器。二系橫向減振器采用中位對稱布置的結(jié)構(gòu),每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置2個相同的橫向減振器,不僅確保整車具有優(yōu)良的運行平穩(wěn)性和舒適性,還可在其中一個橫向減振器損壞的情況下,另一個減振器起到備份作用,保證車輛的高速平穩(wěn)性[7]。

1.3 小曲線通過的解決方案

常規(guī)地鐵工程車輛的二系支撐采用的是橡膠堆形式,橡膠堆具有剛度穩(wěn)定、動撓度小的特點,但在通過小曲線時,橡膠堆的變位能力適應(yīng)性差,極易出現(xiàn)橡膠堆因扭轉(zhuǎn)變形過大導(dǎo)致的壽命降低問題,甚至極限工況下橡膠堆出現(xiàn)撕裂,對車輛的運行安全造成極大的影響。

網(wǎng)軌檢測車在通過65 m的小曲線時,車體相對于轉(zhuǎn)向架的最大轉(zhuǎn)角約為5.7°,為保證檢測車順利通過小曲線,二系支撐選用了扭轉(zhuǎn)變位能力較強的鋼圓彈簧,鋼圓彈簧不僅能適應(yīng)車體相對于轉(zhuǎn)向架的縱向變位和橫向變位,還能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變位。且等載荷工況下,鋼圓彈簧相較于橡膠堆靜撓度更大,在保證車輛高速平穩(wěn)性方面具有很大的優(yōu)勢[8]。

牽引裝置選擇了空間上不會限制車體與轉(zhuǎn)向架相對轉(zhuǎn)動的中央牽引裝置。為降低檢測車在通過小曲線時車輪輪緣的磨耗和輪軌噪音,轉(zhuǎn)向架每車輪處還設(shè)置有干式輪緣潤滑器。

2 動力學(xué)計算

設(shè)計完成后,委托西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室機車車輛研究所對DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車進行了全面的系統(tǒng)動力學(xué)計算。采用商業(yè)軟件SIMPACK進行計算,根據(jù)GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》,對該列車的運行穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線(含道岔)通過性能進行仿真計算、分析和判定。

2.1 運行穩(wěn)定性分析

將車輛在一段以美國5級線路譜為激擾的直線軌道上運行,然后去掉激擾,使車輛在理想平直軌道上運行,觀測其能否趨于平衡位置,從而確定車輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度,即非線性臨界速度。由圖4輪對橫移量的時間歷程曲線可見,地鐵網(wǎng)軌檢測車以v=219 km/h速度運行時,在線路隨機不平順激擾消失后,各位輪對橫移量逐漸趨向于零,說明在該速度下,網(wǎng)軌檢測車系統(tǒng)是穩(wěn)定的;由圖5可知,當(dāng)車輛速度增加到v=220 km/h時,在線路隨機不平順激擾消失后,各位輪對橫移量不再趨向于零,而是以一定幅值開始蛇行運動。據(jù)此可以認(rèn)為,該網(wǎng)軌檢測車在新輪狀態(tài)下的臨界速度為：vcr= 219 km/h,滿足最高運行速度120 km/h要求,并有足夠的安全裕量。

圖4 輪對橫移量的時間歷程曲線(v=219 km/h)

圖5 輪對橫移量的時間歷程曲線(v=220 km/h)

由計算結(jié)果可知,隨著車輪踏面磨耗的加劇,車輪踏面等效錐度λ增大,臨界速度隨之降低。要使地鐵網(wǎng)軌檢測車的非線性蛇行運動失穩(wěn)臨界速度vcr>120 km/h,則λ≤0.32,因此,當(dāng)λ>0.32時,須鏇輪。

2.2 運行平穩(wěn)性分析

網(wǎng)軌檢測車平穩(wěn)性等級參照GB/T 5599—1985中客車的相關(guān)要求來執(zhí)行,具體如表3所示。

表3 客車運行平穩(wěn)性等級

采用美國5級譜作線路不平順激擾,計算結(jié)果表明,網(wǎng)軌檢測車橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著車速的提高而增加,網(wǎng)軌檢測車運行平穩(wěn)性計算結(jié)果見表4,其橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化趨勢如圖6、圖7所示。

表4 網(wǎng)軌檢測車運行平穩(wěn)性計算結(jié)果

圖6 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖7 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

2.3 曲線(含道岔)通過性能分析

分別計算網(wǎng)軌檢測車通過65 m曲線、100 m曲線、300 m曲線和5號道岔組成的過渡線時的車輛安全性能：輪對橫向力最大為37.5 kN,小于GB/T 5599—1985規(guī)定的上限值54 kN;輪重減載率最大值為0.58,小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的第二限度值0.6;傾覆系數(shù)最大值為0.65,標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗鑒定車輛的傾覆系數(shù)應(yīng)小于0.8,結(jié)果滿足要求;脫軌系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定第二限度值為1,計算最大值為0.47,遠(yuǎn)小于第二限度值。分析計算結(jié)果表明,網(wǎng)軌檢測車的曲線(含道岔)通過性能全部符合GB/T 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求和規(guī)定。

3 試驗

3.1 構(gòu)架強度試驗

構(gòu)架試制完成后,委托國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心機車車輛檢驗站進行了靜強度試驗和疲勞強度試驗,試驗參照TB/T 2368—2005標(biāo)準(zhǔn)進行。

(1)構(gòu)架靜強度試驗包含了三大類試驗工況和49小類試驗工況。第一大類為超常載荷靜態(tài)試驗,包含10種單獨的試驗工況;第二大類為模擬運營載荷靜態(tài)試驗,包含了17種單獨的試驗工況;最后一類為模擬特殊運營載荷的靜態(tài)試驗,包含了22種單獨的試驗工況。

構(gòu)架材質(zhì)為Q345B,TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》中規(guī)定材質(zhì)的許用應(yīng)力為216 MPa,由靜強度試驗結(jié)果可知,構(gòu)架在超常載荷靜態(tài)試驗工況下測點最大應(yīng)力值為192 MPa,未超過材料的許用應(yīng)力;模擬運營載荷靜態(tài)試驗工況下,構(gòu)架測點的應(yīng)力均在TB/T 2368—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料疲勞極限圖范圍內(nèi)(見圖8),構(gòu)架靜強度符合TB/T 2368—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖8 疲勞強度評估Goodman圖

(2)在試驗樣品做完靜強度試驗后,分3個階段對構(gòu)架進行了1.0×107次疲勞試驗。第1階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為6×106次;第2階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為2×106次,試驗時保持靜態(tài)載荷部分不變,準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)部分為第1階段的1.2倍;第3階段：垂向和橫向動載荷循環(huán)次數(shù)為2×106次,試驗時保持靜態(tài)載荷部分不變,準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)部分為第1階段的1.4倍。

試驗結(jié)束后對構(gòu)架依據(jù)GB/T 15822.1—2005標(biāo)準(zhǔn)《無損檢測磁粉檢測》進行磁粉探傷,未出現(xiàn)任何形式的裂紋,該構(gòu)架疲勞強度滿足TB/T 2368—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求[9]。

3.2 動力學(xué)試驗

轉(zhuǎn)向架試制完成,DJX-300型地鐵網(wǎng)軌檢測車組裝調(diào)試完成后,在廣州地鐵三號線北延段體育西路站至機場南站區(qū)間內(nèi)進行了線路動力學(xué)試驗。由于線路限速和線路區(qū)間短等原因,只進行了60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h速度級的試驗和數(shù)據(jù)采集。

圖9、圖10分別為被試車全速度范圍內(nèi)車體垂向平穩(wěn)性和橫向平穩(wěn)性測試結(jié)果散點圖。在直線線路試驗工況下,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最高測試值為2.37(80 km/h速度級),計算值為2.43(80 km/h速度級),實測值比計算值低2.5%,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最高測試值為2.56(90 km/h速度級),計算值為2.49(90 km/h速度級),實測值比計算值高2.8%;在曲線線路試驗工況下,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最高測試值為2.14(60 km/h速度級),計算值為2.23(60 km/h速度級),實測值比計算值低4%,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最高測試值為2.32(70 km/h速度級),計算值為2.41(70 km/h速度級),實測值比計算值低3.7%,以上結(jié)果均符合GB/T 5599—1985標(biāo)準(zhǔn)中平穩(wěn)性指標(biāo)不大于3的要求[10]。

圖9 車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖10 車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

4 結(jié)束語

通過仿真計算和試驗驗證,充分證明了速度120 km/h地鐵網(wǎng)軌檢測車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)強度和動力學(xué)性能滿足高速地鐵網(wǎng)軌檢測車的運用要求。

動力學(xué)試驗結(jié)果表明,直線工況和曲線工況實測各項平穩(wěn)性指標(biāo)與理論計算值有4%以內(nèi)的誤差,原因在于試驗車試驗線路條件與計算中模擬的線路條件不同。

車輛以10 km/h以下的速度通過65 m曲線時,轉(zhuǎn)向架與車體各部位沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象,設(shè)置了輪緣潤滑器的情況下,車輪與鋼軌的接磨嘯叫聲音比常規(guī)車輛小很多。

截至目前,該形式的轉(zhuǎn)向架已成功推廣運用于廣州地鐵探傷車、貴陽地鐵探傷車、成都地鐵探傷車和西安地鐵網(wǎng)軌檢測車等多條地鐵線路的不同車輛,其中地鐵探傷車年平均運行里程約為1.2萬km,地鐵網(wǎng)軌檢測車年平均運行里程約為0.5萬km,4臺車中運用時間最長的1臺地鐵探傷車和1臺網(wǎng)軌檢測車都已滿6年,截至目前,所有運用該形式轉(zhuǎn)向架的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架故障率均為0,運用效果良好。