孫 闖，于連震，王 睿

(中車大連機(jī)車車輛有限公司 城鐵開發(fā)部，遼寧 大連 116021)

隨著軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，地鐵車輛普遍采用鋁合金型材或不銹鋼材質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)需求[1]。但由于價(jià)格便宜、焊接工藝技術(shù)成熟、維護(hù)方便等特點(diǎn)，如今碳鋼地鐵車輛在國(guó)內(nèi)及中東國(guó)家部分地區(qū)仍占有一定份額[2-3],例如伊朗德黑蘭線地鐵、馬沙德2號(hào)線地鐵、伊斯法罕地鐵1號(hào)線等地鐵車輛均采用碳鋼材質(zhì)。再者，由于國(guó)外地鐵車輛所采用的標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，車型為非標(biāo)準(zhǔn)車型，線路條件與國(guó)內(nèi)相比較為苛刻，超小水平曲線半徑線路成為車輛設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因此碳鋼地鐵車輛的設(shè)計(jì)研究仍具有一定價(jià)值[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外小曲線軌道項(xiàng)目多采用鉸接式轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)[6-7]，以滿足小曲線線路設(shè)計(jì)要求。但從線路沿用、載客量需求、抗偏載能力等方面考慮，客戶要求需采用非鉸接式轉(zhuǎn)向架[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)已研制出能通過半徑50 m(R50 m)曲線的轉(zhuǎn)向架，但轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架橫梁采用老式箱型結(jié)構(gòu)，牽引裝置采用牽引橡膠堆結(jié)構(gòu)，不能滿足構(gòu)架強(qiáng)度要求以及轉(zhuǎn)向架疲勞強(qiáng)度需求。因此，研制一種新型結(jié)構(gòu)非鉸接式轉(zhuǎn)向架，同時(shí)匹配其他系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足通過小曲線線路需求，已成為行業(yè)內(nèi)攻堅(jiān)克難的研究重點(diǎn)。

本文基于出口伊朗伊斯法罕地鐵1號(hào)線車輛，對(duì)碳鋼材質(zhì)非鉸接式地鐵車輛設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，介紹車輛各系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)解決小曲線通過難題提出各項(xiàng)解決措施，以實(shí)現(xiàn)車輛R50 m最小水平曲線通過需求[10-11]，保證車輛安全運(yùn)營(yíng)。

1 車輛設(shè)計(jì)說明

1.1 車輛總體設(shè)計(jì)要求

列車采用3動(dòng)2拖編組形式，具體編組形式為：+Tc-Mp-M-Mp-Tc+。車體采用低合金耐候鋼材料焊接的整體承載結(jié)構(gòu)。車輛最高運(yùn)行速度為70 km/h。由于伊斯法罕線路不同于國(guó)內(nèi)地鐵線路，為了能夠滿足當(dāng)?shù)貙?shí)際運(yùn)營(yíng)條件，車輛采用非標(biāo)準(zhǔn)車型，車輛最大寬度2 650 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)B型地鐵車輛最大寬度；車輛長(zhǎng)度為18 600 mm(Tc車車輛長(zhǎng)度為19 000 mm)，與標(biāo)準(zhǔn)B型地鐵車輛長(zhǎng)度類似。轉(zhuǎn)向架采用非鉸接形式，轉(zhuǎn)向架中心距為12 400 mm，車端距為940 mm。正線最小水平曲線半徑為185 m，車場(chǎng)線最小水平曲線半徑為50 m，可適應(yīng)正線最大坡度為5%。伊斯法罕地鐵車輛外形如圖1所示。

圖1 伊斯法罕地鐵車輛外形圖

1.2 車體系統(tǒng)

車體采用輕量化、底架無中梁焊接整體承載結(jié)構(gòu)。車體材料采用低合金耐候鋼，形成出口伊朗車低合金耐候鋼車體平臺(tái)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證車體在最大垂向載荷狀態(tài)下能經(jīng)受縱向壓縮力為800 kN和拉伸力為640 kN的強(qiáng)度要求，并滿足車體中央部位垂向撓度不大于車體支承點(diǎn)間長(zhǎng)度1/1 000的要求。這種模塊化設(shè)計(jì)可為以后低合金耐候鋼材質(zhì)城軌車輛車體設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)保障。

1.3 電氣系統(tǒng)

Mp車車頂一位端設(shè)置有1臺(tái)受電弓。牽引系統(tǒng)為變頻變壓(VVVF)逆變器調(diào)速、三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，逆變器功率器件選用IGBT。輔助電源系統(tǒng)由輔助逆變器、變壓器、蓄電池充電機(jī)、開關(guān)保險(xiǎn)箱、蓄電池組等構(gòu)成。

1.4 制動(dòng)系統(tǒng)

采用電空混合、架控、輪盤制動(dòng)方式。與電制動(dòng)的配合采用電制動(dòng)優(yōu)先、電制動(dòng)不足空氣自動(dòng)補(bǔ)充的配合方式，整個(gè)過程由系統(tǒng)自動(dòng)控制，節(jié)省閘片磨耗；架控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠保證制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)列車的精確控制，并以轉(zhuǎn)向架為單位，提高車輛在故障狀態(tài)下的可用性；基礎(chǔ)制動(dòng)單元采用盤式結(jié)構(gòu)，在輪軌黏著差的時(shí)候也能夠保證列車制動(dòng)時(shí)的減速度要求。

1.5 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)

研制開發(fā)適用于小曲線大坡道的轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架為無搖枕兩軸轉(zhuǎn)向架，主要分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架為低合金鋼板焊接結(jié)構(gòu)，軸箱采用鋼圓彈簧轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)，車輪采用整體輾鋼車輪。動(dòng)車采用輪盤制動(dòng)，拖車采用軸盤單元制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)速度為80 km/h，軸距為2 100 mm，采用H型鋼板焊接構(gòu)架和兩系懸掛，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 360 mm。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施

該車輛的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何使車輛順利通過R50 m最小水平曲線。對(duì)各大系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，可通過進(jìn)行車體系統(tǒng)適配性設(shè)計(jì)，優(yōu)化貫通道設(shè)計(jì)，改進(jìn)車鉤轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，研制新型非鉸接式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)車輛R50 m最小水平曲線通過能力。

2.1 車體系統(tǒng)適配性設(shè)計(jì)

針對(duì)R50 m最小水平曲線線路，車體系統(tǒng)配置進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，涉及到的關(guān)鍵參數(shù)為：車輛長(zhǎng)度、車輛定距、車端距、車鉤安裝座位置、車鉤長(zhǎng)度、回轉(zhuǎn)中心等。最終方案的曲線工況模擬如圖2所示。

2.2 貫通道設(shè)計(jì)優(yōu)化

貫通道采用的是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、技術(shù)要求較高、安全可靠的對(duì)接形式的雙層棚布結(jié)構(gòu)，具有安全、舒適、低噪聲、防漏水、防塵、耐侯性強(qiáng)、壽命較高等優(yōu)點(diǎn)，采用分體式設(shè)計(jì)，無內(nèi)飾，可在確?？褪覂?nèi)1 300 mm凈通過的條件下最大化曲線通過能力，如圖3所示。

2.3 車鉤配置方案

列車頭尾兩端采用330型鉤頭+壓潰管+EFG3型緩沖器的半自動(dòng)車鉤配置方案；車輛間采用成套壓潰管/剛性桿+EFG3型緩沖器的半永久車鉤配置方案，車鉤長(zhǎng)度和回轉(zhuǎn)中心對(duì)R50 m最小水平曲線線路進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，并具備AW4載荷下的吸能能力。車鉤配置方案如圖4所示。

2.4 新型非鉸接式轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁采用無縫鋼管，相對(duì)于箱型橫梁，減少了焊縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度好；牽引裝置采用Z型牽引拉桿結(jié)構(gòu)，相對(duì)于牽引橡膠堆結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便，具有通過曲線的回轉(zhuǎn)力矩小等特點(diǎn)。

圖2 車體系統(tǒng)適配性設(shè)計(jì)最終方案的曲線工況模擬

圖3 無內(nèi)飾貫通道

由于需要通過R50 m最小水平曲線，車輛和轉(zhuǎn)向架之間將形成最大8.7°的夾角，而通常情況下出入段最小水平曲線半徑為150 m，車體與轉(zhuǎn)向架夾角在4.7°左右，這就需要車體和轉(zhuǎn)向架之間連接的所有部件(包括氣彈簧、抗側(cè)滾扭桿、二系垂向減振器、高度閥調(diào)整桿、安全鋼索、牽引裝置、制動(dòng)軟管)都要滿足此工況下位移和角度的巨大變化。由于每種部件性能范圍有限，因此在設(shè)計(jì)階段需反復(fù)調(diào)整各部件在轉(zhuǎn)向架的安裝位置，將使用范圍控制在其性能范圍以內(nèi)，保證車輛順利通過R50 m最小水平曲線工況(考慮輪緣磨耗最大限值)。新型非鉸接式轉(zhuǎn)向架外觀如圖5所示。

圖4 車鉤配置方案

圖5 新型非鉸接式轉(zhuǎn)向架外觀

3 結(jié)論

本文通過對(duì)伊朗伊斯法罕地鐵1號(hào)線車輛設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，得到以下結(jié)論：

(1) 伊斯法罕地鐵車輛采用非標(biāo)準(zhǔn)車型，車輛寬度及長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)B型地鐵車輛類似，適用于當(dāng)?shù)鼐€路需求；

(2) 車體采用低合金耐候鋼材質(zhì)，具有模塊化、簡(jiǎn)統(tǒng)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，滿足車體靜強(qiáng)度要求，形成了碳鋼車型技術(shù)平臺(tái)；

(3) 通過車體系統(tǒng)適配性設(shè)計(jì)優(yōu)化，分體式貫通道無內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，車鉤大轉(zhuǎn)角適配性設(shè)計(jì)以及行業(yè)內(nèi)首次新型非鉸接式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車輛R50 m最小水平曲線通過能力，成功解決技術(shù)難點(diǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，滿足車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求。