李華宴 嚴(yán)志雄 陳 柳 王麗娜 宋 帆
(中車長江車輛有限公司,湖北 武漢 430212)
轉(zhuǎn)向架是支撐車體并承受各種載荷及作用力、傳遞牽引力和制動力的支撐走行裝置,是鐵道車輛零部件中非常重要的部件。轉(zhuǎn)向架通常包括輪對、軸箱和構(gòu)架等,軸箱連接構(gòu)架和輪對,傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架軸箱位于輪對的車輪外側(cè),屬于軸箱外置式,這類轉(zhuǎn)向架的寬度尺寸較大、自重大、轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量大、輪軌磨耗大以及運(yùn)行維護(hù)成本高[1]。與軸箱外置轉(zhuǎn)向架相反,軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架具有寬度尺寸小、自重輕、通過曲線能力強(qiáng)、輪軌磨耗小以及噪聲低等優(yōu)點(diǎn),特別是地鐵車輛運(yùn)行限界,可以減少限界寬度空間,降低車輛和線路建設(shè)成本。國外對于軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)的研究較早,20世紀(jì)80年代,英國鐵路開發(fā)了內(nèi)燃動力車組B5000型軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架,與相應(yīng)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比,B5000 轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量減少了30%~35%,簧下質(zhì)量減少了30%~40%。2016年,西門子公司在英國的城際列車上應(yīng)用SF7000 型內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架,實(shí)現(xiàn)了西門子內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)的典型應(yīng)用[2]。國內(nèi)對于軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究主要在中車主機(jī)廠和各高等院校中,涵蓋的領(lǐng)域包括地鐵、城際和高速動車組領(lǐng)域。
國內(nèi)外軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要應(yīng)用于地鐵和輕軌客運(yùn)車輛,為了提升舒適性,轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)技術(shù)復(fù)雜,制造維護(hù)成本高,主要有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn):懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多數(shù)是兩系懸掛,即一系內(nèi)置軸箱采用錐形橡膠簧+二系空氣簧,并安裝抗側(cè)滾裝置;基礎(chǔ)制動主要采用鉗夾單元制動;設(shè)置液壓減振裝置。
與傳統(tǒng)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架相比,軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架車軸長度和輪座尺寸減少,實(shí)現(xiàn)車軸輕量化設(shè)計(jì)。除了車軸質(zhì)量可以減輕外,由于受力部位內(nèi)移(如圖1所示),因此其疲勞性能比傳統(tǒng)車軸更具優(yōu)勢。由圖1 可知,對于左側(cè)傳統(tǒng)的軸箱外置式轉(zhuǎn)向架,車體載重對車軸產(chǎn)生的彎矩作用在車輪外側(cè),車輛過曲線時(shí)輪軌橫向力對車軸產(chǎn)生的彎矩與車體載重對車軸產(chǎn)生的彎矩方向相同,對車軸產(chǎn)生的彎矩是疊加的,這會加劇車軸產(chǎn)生疲勞,而對于圖中右側(cè)軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架來說,車體載重對車軸產(chǎn)生的彎矩作用在車輪內(nèi)側(cè),當(dāng)車輛過曲線時(shí),輪軌橫向力對車軸產(chǎn)生的彎矩與車體載重對車軸產(chǎn)生的彎矩方向相反,因此會抵消一部分車體載重對車軸產(chǎn)生的彎矩,這樣會減輕車軸疲勞,延長車軸的使用壽命[3]。
圖1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架車軸受力示圖
從曲線通過性能分析可知,轉(zhuǎn)向架的輪對搖頭角剛度大小與鐵道車輛曲線通過性能密切相關(guān),輪對搖頭角剛度可以用公式(1)表示。采用軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架,由于一系懸掛軸向跨距減少,輪對搖頭角剛度將減少,從而提高轉(zhuǎn)向架曲線通過性能。但是,轉(zhuǎn)向架輪對搖頭角剛度減少,提供的搖頭力矩會相應(yīng)減少,抑制輪對搖頭和轉(zhuǎn)向架搖頭的能力也相應(yīng)減弱,因此會降低車輛直線運(yùn)行的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性。在保證車輛正常通過曲線情況下,可以適當(dāng)提高一系列的縱向定位剛度,并提高直線運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架的臨界速度,如公式(1)所示。
式中:Kφ為輪對搖頭角剛度;Kpx為一系懸掛縱向剛度;bp為一系懸掛軸向跨距的一半。
從扭曲線路通過性能分析可知,轉(zhuǎn)向架的扭曲剛度直接影響車輛扭曲線路通過能力,轉(zhuǎn)向架的扭曲剛度可以用公式(2)表示。采用軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架,由于一系懸掛軸向跨距尺寸減少,轉(zhuǎn)向架扭曲剛度將減少,轉(zhuǎn)向架扭曲剛度下降使車輛系統(tǒng)的垂向力更均勻地分配到同一轉(zhuǎn)向架的4 個(gè)車輪上,從而保障車輛安全地通過扭曲線路。在扭曲剛度滿足要求的情況下,由于一系懸掛軸向跨距減少,因此可以適當(dāng)增加一系軸箱垂向剛度,在滿足增載貨物的情況下,減少一系懸掛彈簧撓度,便于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱、轉(zhuǎn)向架底部與限界結(jié)構(gòu)間隙設(shè)計(jì)和增加抗側(cè)滾能力,如公式(2)所示。
式中:Kβ為轉(zhuǎn)向架扭曲剛度;KPZ為一系懸掛垂向剛度;bP為一系懸掛軸向跨距之半。
基礎(chǔ)制動裝置的結(jié)構(gòu)及性能直接影響鐵路車輛的行車安全。國內(nèi)外現(xiàn)有客車轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動主要有鉗夾制動盤式制動和鉗夾輪腹盤式制動方案,鉗夾制動盤式制動方案是在輪對的兩個(gè)車輪之間的車軸上增加安裝制動盤,在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架或搖枕上安裝制動鉗夾裝置,利用安裝在制動鉗夾裝置上的閘片壓緊制動盤側(cè)面,產(chǎn)生摩擦制動力,實(shí)現(xiàn)制動減速或停車。鉗夾輪腹盤式制動方案如下:制動夾鉗位于構(gòu)架側(cè)梁的端部,制動盤安裝于車輪腹板,通過安裝在側(cè)梁端部的制動鉗夾裝置上的閘片單側(cè)或雙側(cè)壓緊制動盤側(cè)面,產(chǎn)生制動作用,這種制動布置方案,可以在輪對的內(nèi)側(cè)留出更多空間,特別適用帶動力的轉(zhuǎn)向架,同時(shí)也避免了輪盤制動夾鉗與軸箱定位拉桿的干涉問題,保證軸箱定位拉桿可以在軸箱中心水平放置,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的緊湊設(shè)計(jì)??蛙囖D(zhuǎn)向架的這2 種制動方案均為非踏面制動,適用車輛運(yùn)行過程中制動頻繁,制動距離短,制動效率高,但技術(shù)相對復(fù)雜,轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量和自重較高,制造及維護(hù)成本高。
傳統(tǒng)鐵路貨車三大件式轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置一般采用單側(cè)輪瓦制動方案,制動梁兩端安裝在側(cè)架滑槽內(nèi),靠近其制動梁端頭的滑塊在側(cè)架的滑槽內(nèi),制動缸的作用力通過基礎(chǔ)制動各桿系放大,將作用力傳遞至制動梁,將制動梁連同閘瓦壓緊貼靠車輪,產(chǎn)生制動作用。當(dāng)車輛制動或緩解時(shí),梁端頭的滑塊沿側(cè)架滑槽方向移動,與側(cè)架滑槽產(chǎn)生摩擦阻力,對車輛的制動或緩解性能造成不利影響,另外,該類型基礎(chǔ)制動要求側(cè)架相對輪對垂向位移無變化或變化很小,以避免制動梁卡滯故障,閘瓦磨耗不均等問題。
在構(gòu)架式鐵路貨車轉(zhuǎn)向架中,由于設(shè)置一系軸箱懸掛,空、重車工況下,構(gòu)架相對輪對垂向位移較大,不適合在構(gòu)架上設(shè)置滑槽結(jié)構(gòu)、采用類似三大件式轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動方案。為保證穩(wěn)定的制動和緩解作用,構(gòu)架式鐵路貨車轉(zhuǎn)向架可采用吊掛制動梁式輪瓦踏面制動方案,即制動梁兩端的閘瓦托上連接吊桿一端,吊桿另一端吊掛連接在構(gòu)架上,制動缸的作用力通過制動杠桿傳遞至制動梁。制動梁、閘瓦托及吊桿之間通過鉸接連接,可靈活偏轉(zhuǎn),可保證制動梁瓦托及閘瓦對車輪踏面產(chǎn)生均勻壓力。為保證制動梁與限界安全間隙,可在構(gòu)架橫梁上安裝制動梁安全托。該類型基礎(chǔ)制動方案具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、制動及緩解效率高和維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。
此外,分析轉(zhuǎn)向架技術(shù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性,客運(yùn)軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要采用鉗夾式單元制動,還配置二系空氣彈簧懸掛、軸端接地裝置等,技術(shù)較復(fù)雜,制造和維護(hù)成本高,鐵路貨車轉(zhuǎn)向架運(yùn)行速度相對較低,車輛制造和維護(hù)成本也較低,更側(cè)重于簡單、安全可靠的成熟技術(shù)結(jié)構(gòu),和低制造和維護(hù)成本,以提高經(jīng)濟(jì)效益。因此,鐵路貨車軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架可以考慮傳統(tǒng)貨車制動梁輪瓦制動和心盤旁承承載結(jié)構(gòu)方案。
根據(jù)一種出口鐵路工程平車技術(shù)規(guī)范要求以及借鑒國內(nèi)外軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)滿足車輛運(yùn)用需求的軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架,其主要尺寸及性能參數(shù)要求見表1。
表1 軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要尺寸及性能參數(shù)
轉(zhuǎn)向架采用“H”形焊接構(gòu)架式結(jié)構(gòu),心盤和旁承承載方案,心盤采用均載性較好的球面下心盤結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)主要由輪對組成、構(gòu)架、軸箱懸掛裝置、基礎(chǔ)制動、稱重閥裝置、旁承稱重裝置以及下心盤等組成。分別對各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)
輪對主要由車輪、車軸、軸承、軸承后擋、軸承前擋以及端蓋等組成。輪對內(nèi)側(cè)距尺寸按車輛規(guī)范要求設(shè)計(jì)為(1359±1)mm,為了盡可能增加內(nèi)置式軸箱的軸向跨距,保證車輛直線和曲線性能,在保證構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和車輪與構(gòu)架合理間隙情況下,設(shè)計(jì)了較小的輞轂距結(jié)構(gòu)的車輪,材質(zhì)為EN13262 標(biāo)準(zhǔn)ER8 級鋼,踏面為“LM”形。
車軸設(shè)計(jì)制造符合EN13261 標(biāo)準(zhǔn),材質(zhì)EA1N 鋼,車軸的軸承安裝座內(nèi)置設(shè)計(jì),車軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合EN 13103-2:2020標(biāo)準(zhǔn)《鐵路應(yīng)用—輪對和轉(zhuǎn)向架第2 部分 內(nèi)置軸頸車軸設(shè)計(jì)原理》。軸承采用BT2-7090A 型為帶密封無須現(xiàn)場潤滑的雙列圓錐滾子軸承,符合EN12080 標(biāo)準(zhǔn),滿足14t 軸重使用要求。
構(gòu)架主要由兩件側(cè)梁、橫梁、彈簧座以及閥定位座等組焊構(gòu)成。焊接符合EN15085 標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)架板材主要采用Q345qE,鑄件為B+級鋼。側(cè)梁采用上、下蓋板和單腹板組焊結(jié)構(gòu),其中,同一側(cè)梁,下蓋板為整體設(shè)計(jì),上蓋板與橫梁上蓋板拼接焊連接,側(cè)梁中部下凹設(shè)計(jì),以降低心盤高度和車輛重心。側(cè)梁腹板內(nèi)、外側(cè),設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋板,同一輪位的2 個(gè)彈簧座設(shè)計(jì)為整體鑄造,與側(cè)梁下蓋板焊縫為環(huán)焊連接,可以避免側(cè)梁下蓋板單彈簧座軸向焊縫易裂紋的故障。每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝一套稱重閥,其中,一位側(cè)梁端部設(shè)計(jì)閥定位座和“U”形加強(qiáng)板。
橫梁為上、下蓋板與雙腹板組焊結(jié)構(gòu),上蓋板中部開設(shè)有供球面下心盤安裝的孔,內(nèi)部有加強(qiáng)筋板。橫梁上蓋板兩端組焊有旁承盒。腹板兩側(cè)面對稱焊接安裝有制動梁吊座和制動梁安全托座。
軸箱懸掛裝置主要由軸箱體、錐形橡膠彈簧、軸箱體后檔以及吊桿等組成。軸箱體采用C 級鋼整體鑄造加工,內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)軸箱體后擋和吊桿,通過螺栓與軸箱體連接,軸箱體兩側(cè)對稱設(shè)計(jì)有彈簧定位孔,錐形橡膠彈簧下部裝入軸箱體定位孔,底部安裝墊圈和端部螺栓防止脫出,彈簧上部結(jié)合面設(shè)計(jì)有凸出圓環(huán)擋結(jié)構(gòu),插入彈簧座內(nèi),為小間隙銷孔配合,彈簧上部通過4 個(gè)螺栓與彈簧座連接,以提高連接定位可靠性。安裝稱重閥下方的軸箱錐形橡膠簧上部無螺栓連接,但設(shè)計(jì)加高定位擋,實(shí)現(xiàn)彈簧上部在構(gòu)架閥定位座內(nèi)的水平方向定位軸箱體下部增加閥防脫座設(shè)計(jì)。
采用下拉桿式、單側(cè)輪瓦踏面制動方案。基礎(chǔ)制動主要由制動梁、固定杠桿支點(diǎn)、制動梁吊桿、制動梁安全托、制動杠桿、制動梁吊桿、下拉桿以及閘瓦等組成。制動梁為組合式制動梁,為適應(yīng)較窄的構(gòu)架空間,制動杠桿設(shè)計(jì)為豎直工作面,制動梁閘瓦托下穿過側(cè)梁,通過制動梁吊桿吊掛安裝在構(gòu)架橫梁的吊座上。每件制動梁設(shè)置有兩件制動梁安全托,安全托通過螺栓安裝在橫梁腹板的安裝座上。閘瓦采用TB/T3104.1標(biāo)準(zhǔn)高摩合成閘瓦。
稱重裝置主要由稱重閥、管卡和頂桿等組成。稱重閥安裝于側(cè)梁下蓋板下方,軸箱外側(cè)一錐形橡膠彈簧上方,彈簧有效承載載荷對稱重閥有直接比例效應(yīng)。
采用常接觸彈簧旁承,由旁承體、調(diào)整墊板和縱向鎖緊斜鐵組成。
車軸按照EN 13103-2:2020 標(biāo)準(zhǔn),對車軸輪座、軸承座、軸身以及相關(guān)過渡部位的8 個(gè)位置截面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示,材質(zhì)為EA1N 的車軸各計(jì)算截面應(yīng)力均低于EN 13103-2:2020 標(biāo)準(zhǔn)中表7b 的規(guī)定,車軸強(qiáng)度滿足車輪使用要求。
采用ANSYS 有限元軟件按照EN13749 標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)架進(jìn)行仿真分析,在超常載荷工況下,構(gòu)架側(cè)梁下蓋板內(nèi)側(cè)大圓弧部位最大應(yīng)力274.8MPa,小于材料的許用應(yīng)力345MPa,其余部位應(yīng)力均低于200MPa,滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的9 個(gè)主要運(yùn)營載荷工況下,構(gòu)架各焊縫接頭的動應(yīng)力均未超出相應(yīng)接頭Goodman 疲勞極限圖的界定范圍,疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿足EN13749 標(biāo)準(zhǔn)要求。
采用SIMPACK 軟件對安裝該轉(zhuǎn)向架的工程平車按照EN14363-2018 進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,當(dāng)車輛通過扭曲線路時(shí),最大輪重減載率和脫軌系數(shù)計(jì)算結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)允許限度;當(dāng)速度為70km/h 時(shí),車體最大橫向加速度、最大垂向加速度、車輪導(dǎo)向力之和最大值、車輪脫軌系數(shù)最大值、車輪導(dǎo)向力之和的均方根值和車輪最大垂向靜載荷計(jì)算結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限度內(nèi),車輛直線運(yùn)行性能符合標(biāo)準(zhǔn)EN14363—2018 規(guī)定;當(dāng)空車和重車通過曲線時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)均在EN14363 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限度內(nèi)。對于安裝該轉(zhuǎn)向架的工程平車,由于重心較低,因此在無抗側(cè)滾裝置設(shè)置情況下,優(yōu)化懸掛參數(shù),對車輛側(cè)滾系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算,在重心高度1.7m 以內(nèi),側(cè)滾系數(shù)最大值為0.328,符合EN14363 標(biāo)準(zhǔn)≤0.4 的要求。通過車輛動力學(xué)仿真分析,表明安裝軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的車輛運(yùn)行性能滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。
軸箱內(nèi)置式鐵路貨車轉(zhuǎn)向架是解決在某些特殊限界運(yùn)行的工程車輛低成本的最佳技術(shù)方案,采用軸承內(nèi)置的輪對、軸箱懸掛及基礎(chǔ)制動技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輕量化、低成本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架在減輕簧下質(zhì)量和輪軌作用力,降低基礎(chǔ)設(shè)施投入和線路維護(hù)費(fèi)用等方面具有明顯的優(yōu)勢。本文結(jié)合一種地鐵工程平車規(guī)范要求,提供的一種軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案,通過相關(guān)計(jì)算分析,符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),可以滿足車輛使用要求,為研發(fā)同類型轉(zhuǎn)向架提供參考。