劉志遠(yuǎn) 張文康 高純友 徐成祥 李 濤 王凱風(fēng) 劉海濤

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架具有結(jié)構(gòu)空間緊湊、重量輕、運(yùn)行噪聲低、曲線通過(guò)性能好、適應(yīng)扭曲線路強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，地鐵發(fā)展較早的北美市場(chǎng)對(duì)于軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架的需求量非常大，尤其是美國(guó)地鐵市場(chǎng)。中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(以下簡(jiǎn)為“長(zhǎng)客股份”)于2014年12月中標(biāo)美國(guó)波士頓地鐵項(xiàng)目，依托美國(guó)波士頓地鐵項(xiàng)目要求，長(zhǎng)客股份自主研制了軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架。

1 軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架為軸箱內(nèi)置式帶搖枕結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用了美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括FRA(聯(lián)邦鐵路管理局),APTA(美國(guó)公共交通協(xié)會(huì))和AAR(美國(guó)鐵路協(xié)會(huì))等標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)向架采用整體鑄造構(gòu)架和鑄造搖枕；二系懸掛采用雙曲囊空氣彈簧，控制模式采用三點(diǎn)控制方式；一系懸掛采用人字形橡膠彈簧；每根車軸都由1套驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)；每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上裝有4套踏面制動(dòng)單元，其中每車一位轉(zhuǎn)向架安裝2套帶停放功能的制動(dòng)單元；采用第三軌受流方式；一位轉(zhuǎn)向架上還裝有信號(hào)天線、輪緣潤(rùn)滑、三軌冰雪刮刀及緊急停車觸發(fā)裝置。轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。轉(zhuǎn)向架的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

注：1——構(gòu)架；2——搖枕；3——輪對(duì)軸箱裝置；4——一系懸掛裝置；5——二系懸掛裝置；6——牽引裝置；7——驅(qū)動(dòng)裝置；8——基礎(chǔ)制動(dòng)裝置；9——受流裝置；10——信號(hào)裝置

1.1 構(gòu)架和搖枕

構(gòu)架采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，構(gòu)架上設(shè)有各種設(shè)備的安裝座，包括受流器、制動(dòng)單元、電機(jī)及齒輪箱等。搖枕亦采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，搖枕內(nèi)腔作為空氣彈簧的附加氣室，內(nèi)腔采用防腐涂層進(jìn)行防腐。構(gòu)架和搖枕結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

表1 軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

注:1——構(gòu)架;2——搖枕;3——旁承;4——中心銷摩擦套

構(gòu)架和搖枕之間通過(guò)旁承傳遞垂向載荷，并通過(guò)中心銷傳遞縱向力和橫向力，構(gòu)架上的中心銷孔內(nèi)安裝有具有自潤(rùn)滑功能的摩擦套。構(gòu)架和搖枕之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)止擋，防止構(gòu)架和搖枕之間發(fā)生過(guò)量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。構(gòu)架和搖枕的鑄造材料采用C4鋼，其性能優(yōu)于B級(jí)鋼。構(gòu)架使用壽命不小于30 a。

1.2 輪對(duì)軸箱裝置

輪對(duì)由車輪、車軸、軸箱、軸箱軸承和降噪阻尼環(huán)等組成，且每條輪對(duì)上都裝有1套齒輪箱和接地裝置。軸箱軸承為內(nèi)置式，輪對(duì)軸箱裝置如圖3所示。車軸的設(shè)計(jì)壽命為40 a，材質(zhì)為AAR標(biāo)準(zhǔn)M-101中的F級(jí)，且按照EN 13104標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度分析。車輪采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為AAR 標(biāo)準(zhǔn)M-107中的B級(jí),車輪直徑為711.2 mm,且其強(qiáng)度分析按照EN 13979和AAR S-660標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。每個(gè)車輪安裝有2套降噪阻尼環(huán)，軸承為自密封結(jié)構(gòu)，軸箱采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，鑄鋼材質(zhì)為B級(jí)鋼。

注:1——車輪；2——車軸;3——軸箱組成(含軸承)

1.3 懸掛牽引裝置

轉(zhuǎn)向架采用兩級(jí)懸掛結(jié)構(gòu)。一系懸掛結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)采用人字型橡膠彈簧，一系橡膠彈簧安裝在軸箱的兩側(cè)。一系懸掛還包括一系定位桿和撞擊止擋， 一系定位桿同時(shí)能夠起到起吊的功能。二系懸掛結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)主要由空氣彈簧、高度調(diào)整閥、差壓閥、抗側(cè)滾扭桿、橫向及垂向液壓減振器、橫向緩沖止擋等組成。

注:1——人字型橡膠彈簧；2——一系定位桿

注:1——空氣彈簧;2——高度閥;3——抗側(cè)滾扭桿;4——橫向緩沖器；5——橫向減振器；6——垂向減振器；7——差壓閥

其中，空氣彈簧(見(jiàn)圖6)為雙曲囊結(jié)構(gòu)，彈簧內(nèi)部帶有1個(gè)輔助橡膠彈簧，在空氣彈簧無(wú)氣時(shí)提供緊急狀態(tài)下的支撐剛度，同時(shí)緊急橡膠彈簧內(nèi)還設(shè)有金屬止擋。車輛采用3點(diǎn)控制空氣彈簧的充風(fēng)和排風(fēng)，其中一位轉(zhuǎn)向架上裝有1套高度閥控制系統(tǒng)，二位轉(zhuǎn)向架裝有2套高度閥控制系統(tǒng)，且二位轉(zhuǎn)向架上的兩個(gè)空氣彈簧之間設(shè)有一個(gè)差壓閥?？箓?cè)滾扭桿的垂向連桿一端采用無(wú)磨耗的橡膠節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，另一端采用關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。橫向緩沖止擋與中心銷的自由間隙為10 mm，止擋內(nèi)部設(shè)有金屬止擋，保證止擋的最大彈性壓縮量不超過(guò)20 mm。每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)有一個(gè)橫向液壓減振器和兩個(gè)二系垂向液壓減振器,用于控制車輛的橫向和垂向振動(dòng)。當(dāng)車輪直徑由于磨耗或鏇輪加工造成車輛高度降低時(shí)，可在旁承和構(gòu)架之間增加調(diào)整墊。構(gòu)架和搖枕之間的縱向力和橫向力主要通過(guò)中心銷進(jìn)行傳遞，搖枕和車體間設(shè)有雙牽引拉桿(見(jiàn)圖7)，用于傳遞縱向力，且牽引拉桿的兩端均裝有彈性橡膠節(jié)點(diǎn)。

圖6 空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 牽引拉桿安裝示意圖

1.4 驅(qū)動(dòng)裝置

每臺(tái)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架均裝有兩套驅(qū)動(dòng)裝置。牽引電動(dòng)機(jī)采用架懸式，與構(gòu)架上的電機(jī)吊座剛性連接。齒輪箱為平行軸式，齒輪箱采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。齒輪減速箱箱體的一端通過(guò)軸承安裝于車軸上，箱體的另一端通過(guò)吊桿彈性地吊裝于構(gòu)架側(cè)梁的齒輪箱吊座上。聯(lián)軸節(jié)為齒式結(jié)構(gòu)。電機(jī)上設(shè)有速度傳感器，為牽引、信號(hào)和制動(dòng)提供速度信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置(見(jiàn)圖9)采用踏面制動(dòng)形式。一位轉(zhuǎn)向架每根車軸上安裝有常用制動(dòng)和帶停放功能的制動(dòng)各1套，二位轉(zhuǎn)向架4個(gè)制動(dòng)單元均為常用制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架制動(dòng)管路安裝在構(gòu)架底部。停放制動(dòng)缸可以通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行緩解，且緩解作業(yè)可以在司機(jī)室和車下進(jìn)行。另外，一位轉(zhuǎn)向架一位軸的兩側(cè)各裝有1套緊急停車觸發(fā)裝置。

圖9 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.6 輔助裝置

每組車的一位轉(zhuǎn)向架端部安裝有ATP(列車自動(dòng)保護(hù))天線和輪緣潤(rùn)滑裝置(見(jiàn)圖10)，天線和輪緣潤(rùn)滑安裝支架采用A588鋼板焊接而成，天線支架與構(gòu)架的連接采用螺栓連接，并設(shè)有二級(jí)保護(hù)裝置。

注：1——ATP天線；2——輪緣潤(rùn)滑；3——二級(jí)保護(hù)裝置

2 轉(zhuǎn)向架分析計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)用戶合同要求及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)AWSD 1.1，采用ANSYS軟件對(duì)構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析。其中，靜強(qiáng)度要求在規(guī)定的載荷下(包括30g設(shè)備沖擊載荷)，最大應(yīng)力不得超過(guò)屈服強(qiáng)度的50%；疲勞強(qiáng)度不得超出AWS D 1.1中規(guī)定的疲勞許用應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，構(gòu)架及搖枕的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)及合同要求。

另外，長(zhǎng)客股份對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，且試驗(yàn)結(jié)束后均進(jìn)行了磁粉探傷。結(jié)果顯示，構(gòu)架未出現(xiàn)任何裂紋，且滿足強(qiáng)度要求。

2.2 車輛動(dòng)力學(xué)性能分析

采用Vampire軟件對(duì)車輛進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析計(jì)算，且分別對(duì)用戶合同中規(guī)定的11種工況進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算內(nèi)容包括車輛高速穩(wěn)定性、運(yùn)行安全性、側(cè)風(fēng)傾覆、靜態(tài)輪重減載及動(dòng)態(tài)輪重減載、乘坐舒適性能以及小曲線通過(guò)性能等。

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性，采用軌道檢測(cè)設(shè)備對(duì)已經(jīng)磨耗到限的軌道進(jìn)行了正線和車廠線的軌道測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果形成真實(shí)的軌道譜，并將真實(shí)的軌道譜輸入到計(jì)算模型中。另外，對(duì)不同運(yùn)營(yíng)公里的車輪進(jìn)行了踏面外形測(cè)試，并繪制出磨耗踏面外形。結(jié)合軌廓測(cè)試及磨耗輪踏面外形測(cè)試，動(dòng)力學(xué)計(jì)算考慮了新輪/新軌，新輪/磨耗軌，磨耗輪/新軌，磨耗輪/磨耗軌4種輪軌匹配關(guān)系，并逐一對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，車輛的動(dòng)力學(xué)性能完全滿足用戶合同要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架完全是長(zhǎng)客股份自主研發(fā)的產(chǎn)品，同時(shí)也是長(zhǎng)客股份及國(guó)內(nèi)其它軌道車輛企業(yè)首次為美國(guó)地鐵提供轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。該類型的轉(zhuǎn)向架通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，證明轉(zhuǎn)向架性能完全滿足用戶合同及規(guī)范使用要求。