新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架的研制

姜明昊，穆曉軍，劉東坡，張麗，朱戡，付曹政

新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架的研制

姜明昊，穆曉軍，劉東坡，張麗，朱戡，付曹政

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

介紹了一種新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)、各部件的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用正向設(shè)計(jì)理念，對(duì)構(gòu)架、枕梁、牽引梁等主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行有限元仿真分析，完成了動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，并對(duì)轉(zhuǎn)向架主要部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，該轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)等各個(gè)方面的性能均滿足要求。該轉(zhuǎn)向架的研制以160 km/h市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ)，兼顧車輛最高運(yùn)營速度120 km/h的A型地鐵運(yùn)營需求，同時(shí)滿足200 km/h的市域/城際動(dòng)車組運(yùn)營需求，最終形成最大設(shè)計(jì)軸重17.5 t、最高運(yùn)營速度涵蓋120～200 km/h的轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)。

市域快軌；轉(zhuǎn)向架；結(jié)構(gòu)；計(jì)算分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

市域（郊）鐵路是城市中心城區(qū)聯(lián)接周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)及城鎮(zhèn)組團(tuán)之間的通勤化、快速度、大運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)[1-4]，可與高鐵動(dòng)車同軌站?？浚奖愠鲂袚Q乘[5]，是城市綜合交通體系的重要組成部分。隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，我國已經(jīng)進(jìn)入了區(qū)域協(xié)同發(fā)展全面提速的時(shí)代。市域快軌為城郊協(xié)同發(fā)展和城市群的建設(shè)提供了有力支撐，在區(qū)域城市群的一體化和同城化中起著重要的基礎(chǔ)作用[6]。

目前國內(nèi)市域快軌車輛剛剛起步[7-9]，國內(nèi)主機(jī)廠均從科研角度出發(fā)進(jìn)行了樣車研制和相應(yīng)轉(zhuǎn)向架開發(fā)。技術(shù)基礎(chǔ)主要分為兩類，一是基于原A型地鐵用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，二是基于原高速動(dòng)車組用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行降級(jí)設(shè)計(jì)，但兩者都很難進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化推廣。因此，迫切需要在充分調(diào)研市域快軌總體要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制一款適用于市域鐵路應(yīng)用的新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架。

1 轉(zhuǎn)向架主要設(shè)計(jì)原則

根據(jù)A型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架、高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架及軌道車轉(zhuǎn)向架[10]成熟的設(shè)計(jì)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則是：在滿足市域快軌車輛運(yùn)行安全、平穩(wěn)的前提下，使轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單，磨耗少，成本低，檢修方便；同時(shí)，考慮通用性、成熟性，搭建市域（城際）動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺(tái)。

2 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

160 km/h市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)包括：H型焊接構(gòu)架、聯(lián)系枕梁、輪對(duì)軸箱、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置以及輔助裝置。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

轉(zhuǎn)向架最高試驗(yàn)速度為220 km/h，具有足夠的運(yùn)行穩(wěn)定性儲(chǔ)備及良好的曲線通過能力，整個(gè)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡化、可靠性高、維修性好。

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

3.1 構(gòu)架

動(dòng)、拖車構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示，采用H型焊接結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包括側(cè)梁、橫梁及各種吊座等，側(cè)梁、橫梁均為箱型焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)架上設(shè)二系垂向減振器座、抗側(cè)滾扭桿座、轉(zhuǎn)臂定位座、一系減振器座、牽引拉桿座、橫向減振器座、橫向止擋座、制動(dòng)座、抗蛇行減振器座等，動(dòng)車構(gòu)架橫梁上設(shè)有電機(jī)吊座、齒輪箱吊座等。構(gòu)架采用S355J2W耐候鋼板，主要安裝座采用鍛件結(jié)構(gòu)。

構(gòu)架焊接執(zhí)行EN15085標(biāo)準(zhǔn)，焊后不進(jìn)行整體退火處理，簡化生產(chǎn)工藝。

3.2 聯(lián)系枕梁

聯(lián)系枕梁整體為箱型焊接結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括有上蓋板、下蓋板、外側(cè)立板、連接座、蓋板組成、筋板、車體連接座、二系垂向減振器座、抗蛇行減振器座及中心銷等。聯(lián)系枕梁兼做空氣彈簧附加氣室。聯(lián)系枕梁采用S355J2W耐候鋼板，車體連接座、抗蛇行減振器座、中心銷采用鍛件結(jié)構(gòu)。

圖2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

圖3 聯(lián)系枕梁結(jié)構(gòu)

國內(nèi)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架大部分采用鑄鋁聯(lián)系枕梁結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可以有效降低成本。

3.3 輪對(duì)軸箱

輪對(duì)軸箱采用分體轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)，能夠保證軸箱相對(duì)于構(gòu)架在彈簧振動(dòng)時(shí)作垂向運(yùn)動(dòng)，使車輛通過曲線產(chǎn)生少量橫向移動(dòng)。

車輪采用輪徑860 mm的整體碾鋼車輪，材質(zhì)為ER8，符合EN 13262標(biāo)準(zhǔn)要求。踏面形狀采用LM磨耗型。車軸材質(zhì)為EA4T，按EN 13103-1進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核，并進(jìn)行全尺寸車軸試樣疲勞強(qiáng)度的性能測(cè)試。軸箱采用EN-GJS- 400-18-LT球墨鑄鐵材質(zhì)，符合EN 1563規(guī)定。軸箱采用分體式結(jié)構(gòu)，便于快速更換輪對(duì)。軸箱軸承采用成熟的自密封雙列圓錐滾子軸承單元，其L10壽命大于300萬公里。

3.4 一系懸掛裝置

轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用成熟的轉(zhuǎn)臂式軸箱定位形式，軸箱體與構(gòu)架通過轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)連接；軸箱彈簧采用內(nèi)外雙層鋼卷螺旋彈簧，安裝在軸箱和構(gòu)架之間；在軸箱與構(gòu)架之間設(shè)有一系垂向油壓減振器；設(shè)置一系垂向止擋，車輛載荷達(dá)到AW3后起作用，可限制一系撓度在一定范圍內(nèi)，確保彈簧不被壓并；設(shè)置轉(zhuǎn)臂安全吊掛裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)壓板脫落時(shí)可保證轉(zhuǎn)臂不會(huì)脫落，保證車輛的安全運(yùn)行；鋼彈簧與軸箱體之間設(shè)置減振橡膠墊，以保證電氣絕緣，并可緩沖高頻振動(dòng)，減小極限工況下車輛垂向位移，改善整車的動(dòng)力學(xué)性能。

3.5 二系懸掛裝置

構(gòu)架和聯(lián)系枕梁之間設(shè)有二系懸掛，確保車輛地板面保持高度不變。二系懸掛由組合式空氣彈簧、高度閥、高度閥調(diào)整桿、抗側(cè)滾扭桿、差壓閥、平衡閥、抗蛇行減振器、二系橫向減振器、二系垂向減振器、橫向止擋和調(diào)整墊等組成。采用四點(diǎn)支撐，每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)置兩個(gè)高度閥和一個(gè)差壓閥。當(dāng)車輪因磨損而鏇輪到需要調(diào)整車體地板面高度時(shí)，轉(zhuǎn)向架可以通過在二系懸掛空氣彈簧下安裝面下方和構(gòu)架之間加墊片進(jìn)行調(diào)整。

空氣彈簧下部帶有一個(gè)輔助橡膠彈簧，在空氣彈簧無氣時(shí)提供緊急狀態(tài)下的支撐剛度，保證車輛能正常運(yùn)營。為限制車體通過曲線時(shí)因離心力和側(cè)向風(fēng)產(chǎn)生的傾斜運(yùn)動(dòng)，在聯(lián)系枕梁和構(gòu)架之間設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置。構(gòu)架上裝有非線性橫向止擋，滿足最惡劣運(yùn)營狀況下最大限度地減少車體橫向位移，改善運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.6 牽引裝置

每臺(tái)轉(zhuǎn)向架設(shè)有一套牽引裝置，用于傳遞縱向力及制動(dòng)力，同時(shí)在整車起吊時(shí)可以起吊轉(zhuǎn)向架。牽引裝置主要包含中心銷、中心銷套、牽引梁、牽引拉桿等。中心銷的上端焊接在聯(lián)系枕梁中心，下端插入牽引梁內(nèi)，通過中心銷套將中心銷與牽引梁固定在一起，牽引梁和構(gòu)架之間通過兩個(gè)呈“Z”形布置的牽引拉桿連接。在牽引梁上設(shè)置有垂向止擋座，通過和構(gòu)架上設(shè)置的垂向止擋座結(jié)合使用，當(dāng)需要對(duì)車輛進(jìn)行起吊時(shí)，垂向止擋具有使轉(zhuǎn)向架隨車體整體起吊的作用。

3.7 驅(qū)動(dòng)裝置

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置，包括牽引電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)和齒輪傳動(dòng)裝置，呈斜對(duì)稱布置。牽引電機(jī)通過螺栓剛性安裝在構(gòu)架上，前端車軸處設(shè)有止落結(jié)。齒輪箱為單級(jí)平行軸傳動(dòng)，一側(cè)通過軸承安裝在車軸上，另一側(cè)通過吊桿安裝在構(gòu)架上，吊桿兩端均設(shè)有橡膠節(jié)點(diǎn)。牽引電機(jī)與齒輪箱間通過鼓形聯(lián)軸節(jié)連接，聯(lián)軸節(jié)由兩個(gè)半聯(lián)軸節(jié)組成，分別與牽引電機(jī)輸出軸和齒輪箱輸入軸聯(lián)接，易于拆裝。

3.8 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用盤型制動(dòng)、四點(diǎn)吊掛式氣動(dòng)夾鉗，動(dòng)、拖車轉(zhuǎn)向架每軸均配置2個(gè)輪盤和1個(gè)停放制動(dòng)夾鉗，滿足定員載荷下在35‰坡道上安全停放、并具有1.2倍冗余的要求，可以通過手動(dòng)緩解拉環(huán)雙側(cè)緩解該夾鉗單元的停放制動(dòng)。

轉(zhuǎn)向架的每個(gè)車輪配置了踏面清掃裝置，主要包括氣缸體、研磨子及自動(dòng)間隙調(diào)整裝置等。工作時(shí)，踏面清掃裝置上安裝的研磨子對(duì)車輪進(jìn)行研磨，從而增強(qiáng)輪軌粘著、防止車輪擦傷，并對(duì)車輪具有修圓作用、降低車輪的多邊形磨耗。

3.9 輔助裝置

轉(zhuǎn)向架設(shè)置了接觸式障礙物及脫軌檢測(cè)裝置、撒砂裝置及輪緣潤滑裝置等，以進(jìn)一步提高運(yùn)營的安全性、并減少磨耗。

4 相關(guān)計(jì)算結(jié)果

4.1 關(guān)鍵承載部件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

依據(jù)UIC615-4、EN 13749對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和聯(lián)系枕梁進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）在超常載荷的各種工況下，構(gòu)架和聯(lián)系枕梁的應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度要求；

（2）在模擬運(yùn)用載荷作用下，構(gòu)架和聯(lián)系枕梁各部位母材/焊縫動(dòng)應(yīng)力幅值在相應(yīng)母材/焊縫GOODMAN疲勞極限圖中的疲勞極限界限內(nèi)，滿足疲勞強(qiáng)度要求，如圖4、5圖所示。

為保證轉(zhuǎn)向架的安全性，還分別根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輪、車軸、軸箱、牽引梁、掃石器等關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架采用的所有關(guān)鍵承載部件都滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。

4.2 動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析軟件，分別采用美國五級(jí)譜和膠濟(jì)譜對(duì)160 km/h的市域快軌車輛進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析，主要分析結(jié)論如下：

（1）考慮最惡劣工況，最大等效錐度0.5，AW0車輛空載工況下，動(dòng)、拖車的臨界速度為325 km/h，滿足220 km/h的最高試驗(yàn)速度要求，車輛的穩(wěn)定性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）AW0車輛空載和AW3超員載荷工況下，在160 km/h速度范圍內(nèi)，動(dòng)、拖車的舒適度指標(biāo)均小于2.0，橫向及垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，具有優(yōu)良的運(yùn)行品質(zhì)，滿足GB/T 5599中對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性的要求。

（3）150 m、300 m、650 m、950 m、1162 m等曲線工況下，車輛各狀態(tài)下的輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)等安全性指標(biāo)均滿足GB/T 5599中規(guī)定限值，能保證安全運(yùn)營，滿足曲線通過能力的要求。

（4）配裝該轉(zhuǎn)向架的市域車輛的最大柔度系數(shù)為0.204，為Mc車（帶司機(jī)室的動(dòng)車，Motor vehicle with cabin）AW3工況。

（5）在空簧失效、減振器失效等故障工況下，安全性指標(biāo)有所增加，但在160 km/h速度范圍內(nèi)，均沒有超過GB/T 5599中的限制值，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖5 聯(lián)系枕梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 關(guān)鍵承載部件強(qiáng)度試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證160 km/h市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和聯(lián)系枕梁的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，委托北京交通大學(xué)對(duì)構(gòu)架和聯(lián)系枕梁按UIC 615-4和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，完成1000萬次疲勞試驗(yàn)后磁粉探傷，無裂紋產(chǎn)生。

為保證轉(zhuǎn)向架的安全性，還分別根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輪、車軸、軸箱等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過1000萬次疲勞試驗(yàn)后磁粉探傷后，均無裂紋。

5.2 車輛滾動(dòng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)

委托西南交通大學(xué)對(duì)160 km/h的市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架進(jìn)行滾動(dòng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，為了充分驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能，軌道譜分別采用武廣50譜、膠濟(jì)譜、武廣90譜、美國5級(jí)譜。結(jié)果顯示，160 km/h的市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架在80～215 km/h范圍內(nèi)未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，具有足夠的抗蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)級(jí)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本次研發(fā)的160 km/h市域動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，在80～160 km/h速度范圍內(nèi)動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越，能夠滿足線路上160 km/h速度運(yùn)行的要求。

6 結(jié)論

在充分吸收國內(nèi)成熟運(yùn)營160～250 km/h速度等級(jí)的市域、城際動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，成功研制了新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架，采用了先進(jìn)、成熟結(jié)構(gòu)的組合，具有較好的生產(chǎn)、組裝工藝性；在強(qiáng)度方面，所有關(guān)鍵部件都通過了強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，且具有較大的安全裕量；在懸掛參數(shù)匹配方面，較為優(yōu)良的各種參數(shù)實(shí)現(xiàn)了各動(dòng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，該轉(zhuǎn)向架具有一定的先進(jìn)性，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

新型市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架的研制搭建了市域（城際）動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的技術(shù)平臺(tái)，適應(yīng)了產(chǎn)品多樣化需求，縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)、制造成本，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的模塊化、簡統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化。后續(xù)還需要在線路試驗(yàn)和運(yùn)營方面對(duì)該轉(zhuǎn)向架進(jìn)行進(jìn)一步考核。

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Development of a New Type Bogie for Intercity Electric Multiple Units

JIANG Minghao，MU Xiaojun，LIU Dongpo，ZHANG Li，ZHU Kan，F(xiàn)U Caozheng

( Beijing Rail Transit Technology and Equipment Group Co., Ltd., Beijing 100071, China )

This paper introduces the main technical parameters, basic structural characteristics of each component of a new type bogie for intercity express rail train. Based on the forward design concept, the finite element simulation analysis of the main structural components such as the bogie frame, bodybolster and traction beam is carried out, and the dynamic simulation calculation is completed. The structural strength and dynamic performance of the main components of the bogie are tested and verified, and both meet the design requirements. The research and development is based on the bogie of 160 km/h intercity expressrail train, taking into account the operation demand of type A metro with the maximum operating speed of 120 km/h and the operation demand of intercity EMU of 200 km/h. Finally, a bogie technical platform with the maximum design axle load of 17.5 t and the maximum operating speed of 120-200 km/h is formed.

intercity express rail train；bogie；structure；calculation and analysis；test verification

U271.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.007

1006-0316 (2022) 03-0040-06

2021-04-01

姜明昊（1984－），女，吉林長春人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，E-mail：jiangminghao@rtte.cn。