陸海英 薛文根 李 穩(wěn) 舒 友

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司于2015年1月至2017年6月，首次研制了成功出口馬來西亞的速度160 km/h的低地板鉸接動(dòng)車組。整列動(dòng)車組由4個(gè)車體、5臺(tái)轉(zhuǎn)向架組成,其中包括2臺(tái)CW8100型端部動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、2臺(tái)CW8000D型中間鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)CW8000T型中間鉸接非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。3種類型轉(zhuǎn)向架的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架配置及軸端設(shè)備安裝如圖2所示。轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)、計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證執(zhí)行文獻(xiàn)[1-6]的相關(guān)要求。除計(jì)算分析及驗(yàn)證外，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪、車軸等主要承載零部件均完成了臺(tái)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證。整列動(dòng)車組交付后，在吉隆坡國際機(jī)場(chǎng)線進(jìn)行了最高運(yùn)行速度為179.6 km/h的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。線路實(shí)測(cè)結(jié)果表明，整列動(dòng)車組的穩(wěn)定性、安全性及舒適度等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[1-2]的相關(guān)要求。自2018年3月正式投入載客運(yùn)營以來，單列動(dòng)車組的累計(jì)安全運(yùn)營里程已超過100萬km。

a) CW8100型端部動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

圖2 動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架配置及軸端設(shè)備安裝Fig.2 EMU bogie configuration and installation of axle end equipment

1 低地板動(dòng)車組鉸接轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架采用模塊化設(shè)計(jì)，全列動(dòng)車組具有相同功能的轉(zhuǎn)向架完全可以互換。端部轉(zhuǎn)向架和鉸接轉(zhuǎn)向架具有相同的主體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。所有轉(zhuǎn)向架具有完全相同的車輪、軸箱組成、一系懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。端部動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架具有完全相同輪對(duì)裝置；鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和鉸接非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架具有完全相同的構(gòu)架裝置和二系懸掛裝置。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù) Tab.1 Main technical parameters of bogie

1.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裝置

端部動(dòng)力轉(zhuǎn)向架與中間鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架除軸距不同引起的差異外，基本采用相同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，均為單主橫梁形式H型焊接構(gòu)架，如圖3所示。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主結(jié)構(gòu)由2根側(cè)梁和1根橫梁組成，二者上、下蓋板之間的焊縫均設(shè)計(jì)為可采用超聲波探傷的對(duì)接焊縫。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架全部由鋼板和鍛件組焊而成，整個(gè)構(gòu)架設(shè)計(jì)中不采用鑄件。構(gòu)架焊接完工后不進(jìn)行熱處理。為便于模塊化生產(chǎn)制造，構(gòu)架橫梁在與側(cè)梁組焊之前需完成整體機(jī)械加工。

圖3 鉸接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裝置Fig.3 Articulated bogie frame device

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所用的鋼板材料規(guī)格均為S335J2W+N。該材料具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕特性。牽引拉桿座、轉(zhuǎn)臂定位座和電機(jī)吊座的局部結(jié)構(gòu)，以及制動(dòng)吊座等關(guān)鍵受力支座采用鍛件加工，材料為S355J2+N。

1.2 懸掛裝置

二系懸掛裝置為空氣彈簧直接支撐車體的無搖枕結(jié)構(gòu)。與端部轉(zhuǎn)向架采用2個(gè)空氣彈簧不同，鉸接轉(zhuǎn)向架采用“四空簧式”結(jié)構(gòu)，由4個(gè)空氣彈簧分別支撐兩相鄰車體的端部四角，如圖4所示。3種類型的轉(zhuǎn)向架均采用雙抗側(cè)滾扭桿結(jié)構(gòu)和Z字型雙拉桿牽引裝置。鉸接轉(zhuǎn)向架設(shè)有4個(gè)抗蛇行減振器，一端與構(gòu)架側(cè)梁中部減振器安裝座相連，另一端分別與相鄰2個(gè)車體的4個(gè)減振器安裝座連接。

圖4 鉸接轉(zhuǎn)向架懸掛裝置Fig.4 Articulated bogie suspension device

3種類型的轉(zhuǎn)向架采用參數(shù)完全相同的一系懸掛裝置和轉(zhuǎn)臂式輪對(duì)定位裝置。一系懸掛裝置為雙圈螺旋鋼彈簧，彈簧下部設(shè)有適當(dāng)厚度的橡膠墊，內(nèi)部設(shè)有垂向止擋。

相鄰車體之間采用球形橡膠關(guān)節(jié)式鉸接裝置，鉸接裝置通過螺栓與鉸接轉(zhuǎn)向架中心銷連接。此外，在所有鉸接轉(zhuǎn)向架上方，相鄰車體的頂部設(shè)有車間橫向減振器，如圖5所示。

圖5 車間懸掛裝置Fig.5 Suspension device between car bodies

1.3 輪對(duì)、軸箱及軸承

全列車所有轉(zhuǎn)向架采用完全相同的車輪、動(dòng)力車軸、三體式轉(zhuǎn)臂軸箱及軸承。非動(dòng)力車軸僅在軸身中部與動(dòng)力車軸有區(qū)別。動(dòng)力車軸軸身直徑為188 mm，非動(dòng)力車軸軸身直徑為180 mm。車輪材料為ER8，車軸材料為EA4T。為便于定期探傷檢查，車軸設(shè)計(jì)為空心車軸，內(nèi)孔直徑為65 mm。三體式轉(zhuǎn)臂軸箱由軸箱體、轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)臂箍組成，材料為球墨鑄EN-GJS-400-18-LT。

軸箱軸承為準(zhǔn)自密封雙列圓柱滾子軸承，其基本尺寸為：內(nèi)徑130 mm,外徑240 mm,寬度160 mm。軸箱軸承的設(shè)計(jì)使用壽命里程為200萬km，且其理論計(jì)算壽命不小于使用壽命的1.25倍，免維護(hù)周期為100萬km或6年。

1.4 驅(qū)動(dòng)裝置

如圖6所示，牽引電機(jī)通過4個(gè)具有適當(dāng)三向剛度的橡膠節(jié)點(diǎn)吊掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上。通過電機(jī)彈性吊掛隔離高頻振動(dòng)改善了電機(jī)的工作條件，電機(jī)吊掛的安全可靠性得以提升；同時(shí)，改善了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的受力狀態(tài)，提高了構(gòu)架本身的疲勞可靠性。

為盡可能降低車體地板高度，采用具有較小高度的緊湊型兩級(jí)傳動(dòng)齒輪箱。其中，齒輪箱減速比為4.919，通過鼓形齒聯(lián)軸器傳遞扭矩。

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置Fig.6 Motor drive device

1.5 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

為獲得相鄰車體之間低地板通道的最佳寬度，采用在構(gòu)架端部吊掛的緊湊型單元式輪盤制動(dòng)。每個(gè)制動(dòng)單元通過4個(gè)M20的高強(qiáng)度螺栓吊掛在構(gòu)架端部的制動(dòng)吊座上 。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架均有1套具有停放制動(dòng)功能的輪盤制動(dòng)單元。

2 低地板動(dòng)車組鉸接轉(zhuǎn)向架承載部件的強(qiáng)度計(jì)算及臺(tái)架試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵承載零部件主要包括構(gòu)架、車輪、車軸等，所有承載零部件的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均按照文獻(xiàn)[3-6]中的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算及試驗(yàn)。

2.1 構(gòu)架

根據(jù)文獻(xiàn)[3] ，采用有限元方法進(jìn)行構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。以鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例，本研究完成了53種超常載荷工況組合的靜強(qiáng)度計(jì)算，以及71種運(yùn)營載荷工況組合的疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算分析，構(gòu)架最大von-Mises應(yīng)力(296.262 MPa)出現(xiàn)在電機(jī)振動(dòng)與沖擊工況下構(gòu)架側(cè)梁上蓋板空氣彈簧座附近的母材折彎處(見圖7),且該應(yīng)力值小于該處母材的許用應(yīng)力355 MPa，材料利用率為0.834 5。由此可見，構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 構(gòu)架最大應(yīng)力時(shí)的材料利用率分布云圖Fig.7 Material utilization rate distribution at the maximum stress of bogie frame

根據(jù)文獻(xiàn)[4] ，通過材料利用率對(duì)構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。構(gòu)架材料利用率分布見圖8。由圖8可見，材料利用率最大位置在構(gòu)架側(cè)梁上蓋板空氣彈簧座附近的母材折彎處，最大材料利用率為0.999 8，故考慮此處為壓應(yīng)力區(qū)。由此可見，構(gòu)架具有足夠的疲勞強(qiáng)度。

圖8 構(gòu)架材料利用率分布云圖Fig.8 Material utilization rate distribution of bogie frame

構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)如圖9所示。靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是在超常載荷工況還是在正常載荷工況下，構(gòu)架最大應(yīng)力均小于允許值。對(duì)構(gòu)架主結(jié)構(gòu)、電機(jī)吊座、制動(dòng)吊座及牽引拉桿座等關(guān)鍵受力支座進(jìn)行了1 000萬次加載疲勞試驗(yàn)，并分階段對(duì)構(gòu)架進(jìn)行磁粉探傷，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。臺(tái)架試驗(yàn)表明，構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.9 Frame strength bench test

2.2 車軸

根據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)車軸靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)。以鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架車軸為例，考慮最大彎矩截面、小尺寸截面、應(yīng)力集中區(qū)及安裝配合面等因素，將車軸分為29個(gè)危險(xiǎn)截面。計(jì)算結(jié)果表明，車軸最小安全系數(shù)為2.4，說明其靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；車軸最小安全系數(shù)為1.22(新軸)和1.09(等級(jí)修車軸)， 說明其疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)車軸進(jìn)行了1 000萬次臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)后對(duì)車軸進(jìn)行磁粉探傷，顯示無缺陷，表明車軸強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 車軸強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.10 Axle strength bench test

2.3 車輪

根據(jù)文獻(xiàn)[6] ，采用有限元方法對(duì)車輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。考慮具體車輪結(jié)構(gòu)選取4個(gè)截面，按照7種工況對(duì)車輪靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，車輪的安全系數(shù)均大于1，即車輪靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 車輪最大von-Mises應(yīng)力及安全系數(shù)Tab.2 Maximum wheel von-Mises stress and safety factors

計(jì)算車輪不同節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、平均應(yīng)力及應(yīng)力幅，并根據(jù)ER8車輪的Haigh疲勞曲線及材料利用率對(duì)車輪內(nèi)外面疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。通過計(jì)算可知，即使在機(jī)械載荷和熱載荷共同作用下，車輪外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅均在Haigh曲線內(nèi)，如圖11所示。如圖12所示，車輪材料的最大利用率為0.96，小于1.00。由此可知，車輪疲勞強(qiáng)度滿足要求。

注：σm為平均應(yīng)力；σa為應(yīng)力幅值。圖11 車輪外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)的Haigh疲勞曲線Fig.11 Haigh fatigue curve of all nodes outside the wheel

圖12 車輪外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)的材料利用率曲線Fig.12 Material utilization curve of all nodes outside the wheel

對(duì)車輪進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖13所示。施加幅值為±240 MPa的應(yīng)力并進(jìn)行 1 000萬次疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)后對(duì)被試車輪進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)初始裂紋，表明車輪強(qiáng)度滿足要求。

圖13 車輪強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.13 Wheel strength bench test

3 低地板動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 低地板動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算

為分析驗(yàn)證出口馬來西亞的速度為160 km/h的低地板鉸接動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能，建立了4車體、5轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)整列列車進(jìn)行了多工況條件下的動(dòng)力學(xué)仿真分析，如圖14所示。由圖14可見：

1) 在空車狀態(tài)下，列車臨界運(yùn)行速度達(dá)到289 km/h。

2) 列車運(yùn)行速度在200 km/h范圍內(nèi)時(shí)，其舒適度滿足文獻(xiàn)[2]的“良好”乘坐品質(zhì)要求。

3) 無論列車處于直線還是曲線，所計(jì)算速度范圍內(nèi)的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)和輪軌垂向力等指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[1]的規(guī)定。

圖14 低地板鉸接動(dòng)車組列車動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.14 Train dynamics model of low-floor articulated EMU

典型直線、曲線及最小半徑曲線工況下列車的安全性評(píng)估結(jié)果見表3～5(表中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)取自Mc1車外端)。

表3 直線工況下列車的安全性指標(biāo)Tab.3 Safety indicators under straight-line condition

表4 曲線工況下列車的安全性指標(biāo) Tab.4 Safety indicators under radius curve condition

表5 最小半徑曲線工況下列車的安全性指標(biāo)Tab.5 Safety indicators under minimum radius curve condition

出口馬來西亞的低地板鉸接動(dòng)車組在各工況下，柔度系數(shù)均小于0.25。動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果表明,該低地板鉸接動(dòng)車組的安全性、平穩(wěn)性及舒適度均滿足列車以160 km/h持續(xù)運(yùn)營的要求。

3.2 低地板動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

為確定出口馬來西亞的速度160 km/h的低地板鉸接動(dòng)車組的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適度是否能夠滿足合同規(guī)定，在馬來西亞吉隆坡國際機(jī)場(chǎng)線上對(duì)該動(dòng)車組進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能驗(yàn)證專項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選取Mc2車和Tc車作為被試車輛，在其上布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。本動(dòng)車組為4車體、5轉(zhuǎn)向架鉸接動(dòng)車組。為減少測(cè)力輪對(duì)的制作數(shù)量，動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行。圖15 是測(cè)力輪對(duì)在2個(gè)試驗(yàn)階段的布置方式。

注：●為測(cè)力輪對(duì);Tcp為帶受電弓的拖車。圖15 測(cè)力輪對(duì)布置Fig.15 Layout of force measurement wheelsets

合同規(guī)定，該動(dòng)車組在動(dòng)力學(xué)性能驗(yàn)證專項(xiàng)試驗(yàn)中的最高運(yùn)行速度為176 km/h(列車最高運(yùn)營速度提高10%)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1) 依據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定的統(tǒng)計(jì)分析方法和評(píng)定方法，動(dòng)車組的脫軌系數(shù)和最大輪軸橫向力等運(yùn)行安全性指標(biāo)，以及構(gòu)架橫向加速度和輪軸橫向力均方根等運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)均低于各自對(duì)應(yīng)的限值。由此表明，動(dòng)車組的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 動(dòng)車組在160 km/h及以下速度級(jí)運(yùn)行時(shí)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為1.97，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為1.85，均小于2.50。依據(jù)評(píng)級(jí)，動(dòng)車組的橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性均為“優(yōu)級(jí)”。

3) 在160 km/h速度條件下通過實(shí)測(cè)得到動(dòng)車組橫向連續(xù)舒適度指標(biāo)的加速度最大值為0.27 m/s2，垂向連續(xù)舒適度指標(biāo)的加速度最大值為0.28 m/s2，均小于限值0.30 m/s2；動(dòng)車組平均舒適度指標(biāo)NMV的最大值為2.36，小于限值 2.5。依據(jù)文獻(xiàn)[2]評(píng)定，動(dòng)車組的連續(xù)舒適度和平均舒適度均達(dá)到“舒適”的級(jí)別[7]。

4 結(jié)語

1) 由于低地板鉸接動(dòng)車組車下空間較小，故不論是轉(zhuǎn)向架總體布局設(shè)計(jì)，還是關(guān)鍵承載零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均有特定難度，特別是中間鉸接動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)。因此，應(yīng)盡可能加大低地板通道寬度。

2) 本次用于出口項(xiàng)目的速度160 km/h的低地板鉸接動(dòng)車組為國內(nèi)首次全新自主研發(fā)，通過精心設(shè)計(jì)、仿真分析、臺(tái)架試驗(yàn)及線路試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪軸等關(guān)鍵承載零部件的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足合同規(guī)定的指標(biāo)要求，首次實(shí)現(xiàn)了我國速度為160 km/h的低地板鉸接動(dòng)車組的出口。

3) 目前，新一代低地板鉸接動(dòng)車組在歐洲各國的短途運(yùn)輸中廣泛采用，主要供應(yīng)商有阿爾斯通、龐巴迪等企業(yè)。該項(xiàng)目的成功研制及運(yùn)用填補(bǔ)了我國此類動(dòng)力分散型低地板鉸接動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)的空白。