趙 卓薛世海高純友張文康李 濤張 銳

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春；2.中國鐵道科學研究院機車車輛檢驗站，100081，北京∥第一作者，工程師）

隨著城市人口的日益增加，提高城市交通運載效率，同時盡可能降低能耗并節(jié)約勞動成本成為城市軌道交通發(fā)展亟需解決的問題。全自動無人駕駛列車是解決上述問題的有效手段，是未來地鐵列車發(fā)展的重要方向［1］。中車長春軌道客車有限公司自主研發(fā)了國內首個全自動無人駕駛列車，其轉向架的研制也填補了國內在該領域內的空白。

1 自主研發(fā)全自動無人駕駛列車的主要技術特點

該項目列車為3輛編組，全部為動力轉向架。主要結構特點為：采用鋼板、鋼管及鍛件焊接的“H”型構架，轉臂式軸箱定位，一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧并聯(lián)垂向減振器以衰減來自軌道的沖擊和振動，二系懸掛采用歐式大柔度空氣彈簧支撐車體質量，并設置橫向減振器、垂向減振器、橫向止擋和抗側滾扭桿等結構吸收振動和抑制過量位移；采用“Z”型布置的雙牽引拉桿來傳遞車體與轉向架之間的牽引制動力；采用輪盤式基礎制動單元以提高制動效率并降低車輪的磨耗；采用架懸式交流牽引電機、二級減速齒輪箱和齒式聯(lián)軸節(jié)的傳動裝置（該項目列車的主要技術參數見表1）及干式輪緣潤滑裝置。頭車一位端轉向架布置有障礙物及脫軌檢測裝置。轉向架如圖1所示。

表1 主要技術參數表

2 轉向架結構特點

2.1 構架

構架采用傳統(tǒng)的“H”型焊接構架，由側梁及橫梁組成。側梁為低合金高強度鋼板及鍛件焊接而成的等剛度設計的箱型結構；側梁中部設有空氣彈簧座和橫向減振器安裝座，內側設有制動缸安裝座，外側設置二系垂向減振器安裝座，端部設有彈簧帽筒、一系垂向減振器安裝座及輔助設備安裝孔。橫梁由無縫鋼管、鍛件及鋼板焊接而成；橫梁上設有電機吊座和齒輪箱安裝座，底部設有牽引拉桿座。構架如圖2所示。

圖1 轉向架結構

圖2 構架

2.2 輪對軸箱裝置

車輪采用整體式輾鋼車輪，通過加熱安裝到車軸上。車輪采用了與用戶鋼軌型式更匹配的改良型P8Y踏面，提供了良好的動力學性能。車輪外側安裝有降噪阻尼環(huán)，有效地降低車輪的輻射噪聲［2］。腹板處安裝有輪裝式制動盤。

車軸采用實心車軸，中部裝有分體式二級減速齒輪箱，用于傳遞電機的牽引制動力。

采用雙列圓錐滾子自密封軸承和整體式球墨鑄鐵軸箱，軸箱前蓋預留與制動、信號及接地設備的安裝接口。輪對軸箱裝置如圖3所示。

2.3 一系懸掛裝置

一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧并聯(lián)垂向減振器來衰減吸收來自軌道的沖擊和振動。在鋼彈簧下部串聯(lián)了橡膠墊，減少轉臂偏轉對鋼彈簧的影響。橡膠彈性節(jié)點容許軸箱相對構架有較大的垂直方向位移，通過參數優(yōu)化使軸箱縱向與橫向的定位剛度有所不同，以適應縱、橫兩個方向的不同彈性定位剛度的要求，在確保穩(wěn)定性的同時可獲得良好的曲線通過性能［3］。一系懸掛裝置模型如圖4所示。

圖3 輪對軸箱裝置

圖4 一系懸掛裝置

2.4 二系懸掛裝置

二系懸掛裝置采用大柔度的歐式空氣彈簧并聯(lián)垂向減振器來提供二系垂向減振和阻尼，每個空氣彈簧由一個高度閥控制。由于空氣彈簧的垂向剛度小，以及高度調整閥的滯后效應，車輛易產生側滾運動影響乘坐的舒適性，因此在車體和轉向架間設置抗側滾扭桿裝置用以抑制車體過分的側滾運動?？箓葷L扭桿的垂向連桿采用無磨耗的橡膠節(jié)點結構進行連接，減小了維護的工作量，降低了傳遞給車體的振動。構架與牽引梁間設置二系橫向減振器來吸收車體的橫向振動。二系懸掛裝置模型如圖5所示。

2.5 牽引裝置

中心銷通過螺栓固定在車體枕梁上，在構架上設置垂向止擋，充當轉向架的整體起吊和防過充裝置。車體和轉向架間采用“Z”型雙牽引拉桿結構，使轉向架具有相對于車體在橫向、垂向、側滾和點頭等方向的自由度，只傳遞車體縱向的牽引力和制動力。牽引裝置如圖6所示。

圖5 二系懸掛裝置

圖6 中央牽引裝置

2.6 驅動裝置

每臺動車轉向架對稱布置有兩套驅動裝置，包括電機、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)。其中齒輪箱采用二級減速結構，飛濺式潤滑方式；聯(lián)軸節(jié)采用齒式結構，滿足齒輪箱與電機之間的變位要求，并傳遞扭矩。驅動裝置如圖7所示。

2.7 基礎制動裝置

采用三點吊掛式制動夾鉗單元、輪裝制動盤，根據制動計算結果，布置有相應的停放制動缸，在車輛側面可以通過閘線進行手動緩解。制動配管布置在構架上部，與車體接口位于電機外側，以便于維護?；A制動裝置如圖8所示。

圖7 驅動裝置

圖8 基礎制動裝置

2.8 輔助裝置

構架端部布置有干式輪緣潤滑裝置，用于減少鋼軌與輪緣的磨耗，以提高車輪的使用壽命，同時降低輪對通過曲線時的噪聲。

在頭車一位轉向架前端布置有障礙物檢測及脫軌檢測裝置，用于全自動駕駛的安全保護，如圖9所示。該裝置通過螺栓固定在轉向架端部，裝置兩側為構架安裝支座，用于構架端部和探測設備的連接；裝置底部為彈性方形檢測梁，中部為位移傳感器控制箱和高度調整裝置。方形檢測梁位于軌道上方一定高度范圍內。當軌道上方存在障礙物時，如果障礙物尺寸和質量較小，則方形梁可將該障礙物排出軌道；如障礙物尺寸和質量較大，方形梁會產生較大縱向變形，此時位于位移傳感器控制箱內的位移傳感器會探測到這一變形（如圖10所示），從而輸出一個列車緊急制動信號給列車控制系統(tǒng)來引發(fā)列車的緊急停車，以保護車輛安全。

脫軌檢測裝置與障礙物檢測裝置集成在一起，只是當列車脫軌時由方形檢測梁的垂向變形來觸發(fā)列車的緊急制動。

圖9 障礙物檢測及脫軌檢測裝置

圖10 位移傳感器控制箱

3 分析計算

3.1 構架強度計算

根據歐洲標準EN 13749及用戶合同要求，采用ANSYS軟件對構架靜強度和疲勞強度進行了分析。分析采用8節(jié)點實體單元，每個單元均有3個方向自由度，單元模型如圖11所示。構架靜強度計算采用對15個載荷工況進行了分析，結果未發(fā)現有超出構架材料屈服強度的點，表明構架靜強度滿足標準及合同要求。圖12為構架縱向超常載荷計算結果。

采用疲勞損傷累積理論根據英國標準BS 7608對構架疲勞強度進行評估。構架的疲勞損傷系數取決于按照BS 7608指定給構架每處焊縫的焊縫等級。圖13是基于較低的焊縫等級F2計算的構架疲勞損傷結果。針對疲勞損傷大于0.7的區(qū)域，可以通過焊縫打磨及鎢極氬弧焊重熔，來提高焊縫的疲勞強度，使得構架各處的損傷累積均在1.0以下，以滿足構架疲勞強度的要求。

圖11 構架單元模型

圖12 框架縱向超常載荷計算結果

圖13 F2焊縫等級100%應力范圍下的疲勞損傷

3.2 動力學計算

采用Vampire軟件對車輛進行了動力學分析計算，分析模型如圖14所示。分別對下列不同工況時的車輛穩(wěn)定性、傾覆安全性、扭曲軌道的輪重減載率、轉向架回轉阻力系數及乘坐舒適性能進行了分析。

工況分類如下：

（1）A車（帶司機室動車）和B車（不帶司機室動車）；

（2）空氣彈簧充風和無風狀態(tài)；

（3）載荷狀態(tài)分別為M1（空載），M2（平均載荷），M4（滿載），M5（超載）；

（4）新輪和磨耗到限車輪；

（5）懸掛參數從新造到維修限度狀態(tài)。

圖14 Vampire軟件的動力學分析模型

3.2.1 抗脫軌穩(wěn)定性

車輛的抗脫軌穩(wěn)定性計算考慮以下條件下車輛的回復阻尼系數：

（1）車輛速度在25～90 km/h；

（2）踏面等效錐度為0.05～0.45時；

（3）輪軌力為半蠕滑、3/4蠕滑及全蠕滑；

（4）懸掛參數由新造到維修限度；

（5）根據合同要求，回復阻尼系數不得小于5%?？姑撥壏€(wěn)定性計算結果表明，車輛在任何工況下回復阻尼系數均大于5%。

3.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性

車輛的傾覆穩(wěn)定性計算考慮了A車及B車空載時，懸掛參數由新造到維修限度時的輪重減載率，同時考慮了130 km/h橫風及150 mm軌道曲線超高影響?？箖A覆計算時輪重減載計算結果均小于100%，如圖15所示，表明車輛在最惡劣情況下均無傾覆風險。

3.2.3 扭曲軌道上的輪重減載

扭曲軌道上的輪重減載計算考慮在如圖16所示的軌道扭曲條件下，車輛在空載、空簧充風或無風狀態(tài)，懸掛參數從新造到維修限度時的輪重減載率。計算結果均在合同要求的限度值0.6以下。

圖15 抗傾覆計算時輪重減載率

圖16 軌道扭曲輸入

3.2.4 轉向架回轉阻力系數

轉向架回轉阻力計算分析了轉向架回轉角度3.19°、回轉速度0.2°/s時車輛在充風和無風狀態(tài)下各載荷工況的回轉阻力系數。計算結果表明，所有車輛的轉向架回轉阻力系數在各工況及懸掛條件下均小于0.08，見表1所示。

表1 不同工況下轉向架回轉阻力系數計算結果

3.2.5 舒適性

車輛的乘坐舒適性計算，分析了線路條件、線路不平順及速度曲線下的舒適性指數，計算結果采用歐洲標準EN 12299進行評估。

計算結果如表2所示，結果表明：無論是懸掛參數處于正常狀態(tài)還是極限狀態(tài)，在空簧充風時，車輛舒適性均能達優(yōu)秀等級；即使空簧無風時，車輛舒適性指數也能達到良好等級。

4 結語

該轉向架的研發(fā)，填補了國內全自動無人駕駛車輛用轉向架的空白，為我國在全自動無人駕駛車輛領域的研發(fā)奠定了基礎。

表2 不同工況下車輛舒適性指數計算結果

轉向架設置了全自動無人駕駛獨有的障礙物及斷軌檢測裝置。該裝置結構布置緊湊合理，便于日常檢修及維護，確保了車輛全自動運行的安全。

構架強度計算表明，各工況下的靜強度應力均未超出材料屈服強度，構架不會出現永久變形；疲勞強度計算表明，構架的疲勞壽命滿足40年使用壽命的要求。

動力學計算結果表明，轉向架的抗脫軌穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、扭曲軌道輪重減載率、回轉阻力系數及舒適性指數均滿足相關標準及合同要求，動力學性能優(yōu)良。

目前，該轉向架已正式上線運營。其運營狀態(tài)良好，可靠性高，乘坐舒適性好，得到了乘客及用戶的一致好評。

參考文獻

［1］ 鄧家龍，周建樂.無人駕駛城軌列車控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.鐵道車輛，2007，45（9）：22.

［2］ 張隸新，穆曉軍.高鐵車輪阻尼環(huán)減振降噪實驗研究［J］.制造業(yè)自動化，2016，38（2）：128.

［3］ 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.3版.北京：中國鐵道出版社，2009.