摘　要: 首次使用I2D EA S 軟件進(jìn)行了B 型城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的三維裝配設(shè)計。闡述了轉(zhuǎn)向架的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和動力學(xué)性能參數(shù)的優(yōu)化選擇。
關(guān)鍵詞: 城市軌道交通; 輕軌車輛; 轉(zhuǎn)向架; 設(shè)計; 參數(shù); 優(yōu)化

1　概述
城市軌道交通具有安全、快速、準(zhǔn)時、高效、節(jié)能、無污染和占地少的特點, 能滿足城市發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)實要求。發(fā)展城市軌道交通是解決城市公共交通問題的根本途徑, 也是城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇。現(xiàn)代快速城市軌道交通系統(tǒng)采用全封閉車道、自動信號控制調(diào)度系統(tǒng)和輕型快速電動車組, 行車密度大, h～ 40 km 平均旅行速度一般為30 km /h, 最高運行h～ 90 km 速度為80 km /h, 單向最大載客能力可達(dá)6 萬人h～ 8 萬人h。城市軌道交通車輛有三大關(guān)鍵技術(shù): VVV F 調(diào)頻調(diào)壓交流傳動與控制技術(shù); 輕量化車體技術(shù); 輕量化、高性能、高可靠性轉(zhuǎn)向架技術(shù)。
現(xiàn)代城市軌道交通車輛的類型一般可以分為A 型、B 型、C 型和低地板輕軌車。其中, 低地板輕軌車又可分為70% 低地板和100% 低地板2 種。目前, 同時具有發(fā)展城市軌道交通的現(xiàn)實需要和經(jīng)濟(jì)實力的多為客流量大的大中型城市, 其快速軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的主流是以A 型車或B 型車為基礎(chǔ), 基本編組單元為2M + 1T 或1M+ 1T 的電動車組立體化運行。整個軌道交通系統(tǒng)正朝著地下鐵道、高架輕軌和近郊地面三位一體的立體化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。采用VVV F 交流傳動技術(shù)和輕量化耐候鋼或不銹鋼車體的B 型車, 能夠滿足我國一些城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展要求, 并有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性, 其走行部為輕量化、低噪聲的無搖枕轉(zhuǎn)向架。
2　轉(zhuǎn)向架選型分析
2. 1　城市軌道交通對轉(zhuǎn)向架的特殊要求與干線鐵路相比, 城市軌道交通有以下特點:
(1) 間距短, 啟停頻繁, 對牽引和制動性能要求很高;
(2) 曲線半徑小, 對走行部要求高;
(3) 線路坡度大, 可達(dá)30‰～ 60‰;
(4) 載重從1816 t (310 人) 到26 t (432 人), 空重車重量差大;
(5) 行車密度大, 最短行車間隔可達(dá)115 m in～ 2 m in, 自動控制程度高;
(6) 運行環(huán)境特殊, 安全可靠性要求極高;
(7) 對噪聲要求嚴(yán)格;
(8) 需滿足城市總體風(fēng)格和居民的審美要求, 車輛造型和色彩要求極富創(chuàng)造性。對于轉(zhuǎn)向架的運行穩(wěn)定性、輕量化、低噪聲、高可靠性、易維護(hù)及特殊的運行環(huán)境必須給予足夠的重視。轉(zhuǎn)向架對車輛的運行性能和行車安全至關(guān)重要, 對軌道交通系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性有重大影響。
2. 2　國內(nèi)既有轉(zhuǎn)向架的特點目前, 國內(nèi)地鐵、輕軌電動客車用轉(zhuǎn)向架除國產(chǎn)的外, 還有引進(jìn)國外技術(shù)的, 主要有2 種: 一種是上海地鐵1 號線、2 號線和廣州地鐵1 號線用轉(zhuǎn)向架, 為從歐洲整機(jī)進(jìn)口的產(chǎn)品; 另一種是北京復(fù)八線地鐵用轉(zhuǎn)向架, 為引進(jìn)韓國韓進(jìn)重工技術(shù)研制生產(chǎn)的產(chǎn)品。其中, 上海2 號線地鐵車輛也用于我國第一條高架輕軌—— 明珠線。為便于分析比較, 將各種轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)特征和參數(shù)列于表1。
2. 3　轉(zhuǎn)向架的發(fā)展方向縱觀國內(nèi)外情況,A 型或B 型城市軌道交通車輛走行部的發(fā)展趨勢是輕量化、低噪聲的無搖枕轉(zhuǎn)向架, 一系懸掛為橡膠彈簧, 二系懸掛為空氣彈簧與抗側(cè)滾扭桿并用, 牽引電機(jī)橫向架懸, 采用單元式基礎(chǔ)制動裝置。城市軌道交通車輛的線路條件和走行特性與干線鐵路車輛有很大不同, 如轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間十分苛刻; 采用交流傳動技術(shù), 齒輪傳動比很高; 載客量很素的綜合作用給城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計帶來大, 運行環(huán)境特殊, 安全可靠性要求極高, 等等。這些因了特殊的困難。
表1　現(xiàn)有地鐵、輕軌轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)特征和參數(shù)

　　注: 上海地鐵1 號線用轉(zhuǎn)向架為橡膠彈性聯(lián)軸器。
3　轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計要求和主要技術(shù)參數(shù)
3. 1　轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計要求
(1) 轉(zhuǎn)向架的綜合性能應(yīng)符合規(guī)定的限界和線路條件, 能夠滿足地下鐵道、高架線路和近郊地面大容量、快速城市軌道交通系統(tǒng)的運用要求。
(2) 轉(zhuǎn)向架具有適宜的運行穩(wěn)定性和良好的曲線通過能力。
(3) 運行平穩(wěn)性指標(biāo)按GB5599—1985 《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行: 車輛在空載和滿載之間的任何載荷條件及各種運營速度下, 其垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于或等于215, 且性能穩(wěn)定。
(4) 轉(zhuǎn)向架的安全性指標(biāo)按GB5599—1985 《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行: 脫軌系數(shù)Q ?P ≤1. 0; 輪重減載率?P ?P ≤016; 傾覆系數(shù)D ≤018。
(5) 轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件的靜強(qiáng)度、動強(qiáng)度符合有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)或TB1335—1996 《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的要求。
(6) 適當(dāng)采取輕量化措施, 轉(zhuǎn)向架總重約415t(不含驅(qū)動裝置)。
(7) 可靠性高, 對可能的故障均采取安全措施。
(8) 可維護(hù)性好。

3. 2　轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)
4　轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
B 型城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架為輕量化、低噪聲、無搖枕轉(zhuǎn)向架。軸箱彈簧為無磨耗圓錐疊層橡膠彈簧, 采用H 型鋼板壓型焊接構(gòu)架, 中央懸掛為空氣彈簧直接支承車體的三無結(jié)構(gòu), 采用單元式單側(cè)閘瓦踏面制動裝置, 牽引電機(jī)橫向架懸。轉(zhuǎn)向架分為動車轉(zhuǎn)向架(圖1) 和拖車轉(zhuǎn)向架(圖2)。在動車轉(zhuǎn)向架的每根車軸上裝有1 臺交流牽引電動機(jī)、齒輪傳動箱和聯(lián)軸器。動車轉(zhuǎn)向架與拖車轉(zhuǎn)向架相比, 除軸箱彈簧的特性參數(shù)不同外, 其他零部件可完全互換。

圖1　動車轉(zhuǎn)向架裝配圖

圖2　拖車轉(zhuǎn)向架裝配圖
首次采用I2DEA S 軟件對轉(zhuǎn)向架直接進(jìn)行三維裝配設(shè)計。構(gòu)架、軸箱等的三維造型設(shè)計為后續(xù)的有限元強(qiáng)度計算打下了基礎(chǔ)。對各零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、重心和主慣性軸位置的計算, 以便為轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能計算提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
4. 1　輪對軸箱定位裝置輪對軸箱定位裝置采用圓錐疊層橡膠彈簧(圖3) , 橡膠彈簧的優(yōu)點在于具有非線性剛度特性, 并有隔離高頻振動和降低輪軌噪聲的作用。對三向彈簧參數(shù)

圖3　輪對軸箱彈簧裝配圖
進(jìn)行優(yōu)化選擇, 在獲得轉(zhuǎn)向架適宜的蛇行運動穩(wěn)定性和滿足傳遞制動力、牽引力要求的前提下, 注重提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過能力。在軸箱彈簧與軸箱之間設(shè)有調(diào)整墊片, 以便于落車調(diào)整。軸箱蓋與構(gòu)架之間設(shè)有安全吊環(huán)。
采用我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的H SD 型車輪, 車輪滾動圓直徑為<840 mm , 踏面為LM 型磨耗形踏面。遠(yuǎn)期有條件時將采用噪聲優(yōu)化車輪和大等效斜度圓弧踏面。車軸為非標(biāo)RC3 軸, 軸頸直徑為<120 mm, 軸頸中心距為1 930 mm 。采用<120mm ×<240mm ×160mm 雙列圓柱滾子軸承, 軸箱材料為鑄鋼, 有條件時將采用鋁合金。
4. 2　構(gòu)架組成構(gòu)架為H 型輕量化低合金高強(qiáng)度鋼板焊接結(jié)構(gòu), 主要由2 根側(cè)梁和2 根橫梁組成(圖4)。側(cè)梁上蓋板、
下蓋板和立板的厚度分別為12 mm 、14 mm 、10 mm, 側(cè)梁內(nèi)部設(shè)有多塊厚度為8 mm 的筋板。構(gòu)架橫梁采用直徑<180 mm 、壁厚14 mm 的無縫鋼管, 可提高構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)的可靠性。側(cè)梁與橫梁的連接處和兩橫梁之間設(shè)有縱向加強(qiáng)梁。

圖4　構(gòu)架裝配圖
構(gòu)架側(cè)梁上焊有制動缸安裝座、軸箱彈簧定位座等, 橫梁上焊有牽引電機(jī)吊座、齒輪箱吊桿座、牽引拉桿座和橫向緩沖器座等。所有關(guān)鍵安裝座的位置精度均通過對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的整體加工獲得。采用三維有限元分析法進(jìn)行了構(gòu)架應(yīng)力和振動模態(tài)分析。計算表明, 構(gòu)架整體應(yīng)力分布合理, 不存在薄弱環(huán)節(jié)。模態(tài)分析采用了L anczo s 方法, 最低階模態(tài)振型為構(gòu)架扭曲, 頻率為3011 H z 。正常運用情況下, 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的使用壽命不低于車體壽命(30 a), 在此期間內(nèi)不需要對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)修整。轉(zhuǎn)向架焊接制造完工后需進(jìn)行消除焊接內(nèi)應(yīng)力的處理。
4. 3　中央懸掛裝置
中央懸掛裝置采用低橫向剛度、大扭轉(zhuǎn)變形的空氣彈簧直接支承車體的三無結(jié)構(gòu), 垂向用可變阻尼節(jié)流閥減振, 橫向安裝油壓減振器, 還設(shè)有非線性橫向緩沖止擋和新型抗側(cè)滾扭桿裝置(圖5)。動車頭部轉(zhuǎn)向架裝設(shè)排障器和信號天線托架。當(dāng)采用第三軌受電時, 還需裝設(shè)第三軌受流器。
圖5　無搖枕型中央懸掛裝配

牽引裝置由中心銷、牽引梁、復(fù)合彈簧和新結(jié)構(gòu)Z 形牽引拉桿組成, 牽引點距軌面高度為385 mm 。新結(jié)構(gòu)Z 形牽引拉桿具有低的橫向及垂向附加剛度, 提高了車輛的橫向及垂向動力學(xué)性能, 實現(xiàn)了無磨耗、無間隙牽引。
4. 4　基礎(chǔ)制動裝置
動車、拖車轉(zhuǎn)向架均采用單側(cè)單元式踏面制動裝置, 制動力優(yōu)先由動車的再生制動負(fù)擔(dān)。每軸設(shè)1 個帶彈簧停放制動器的單元制動缸, 停放制動能力滿足用戶規(guī)定的最大限制坡道要求。此方案的優(yōu)點在于, 動車、拖車轉(zhuǎn)向架的制動裝置(除制動倍率外) 完全相同。與軸裝盤形制動和輪裝盤形制動相比, 該轉(zhuǎn)向架具有較低的簧下質(zhì)量, 有利于減小輪軌之間的動作用力。單元制動缸的主要技術(shù)參數(shù)見表3。
4. 5　齒輪傳動裝置采用斜齒輪一級減速, 以使傳動平穩(wěn), 降低傳動噪聲。為降低簧下質(zhì)量, 齒輪箱材料采用高強(qiáng)度鑄造鋁合金。采用剛性可移式鼓形齒聯(lián)軸器或TD 型撓性板式聯(lián)軸器(圖6)。齒輪箱采用具有雙面密封效果的機(jī)械式迷宮密封, 免維護(hù), 無磨損。傳動裝置的傳動比等主要技術(shù)參數(shù)將依據(jù)列車基本單元的配置和牽引電機(jī)的選擇來確定。
4. 6　其他裝置
圖6　牽引電機(jī)傳動裝置

5　轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能參數(shù)優(yōu)化
鐵道車輛是一個復(fù)雜的多體動力學(xué)系統(tǒng), 不但有各個部件之間的相互作用力和相對運動關(guān)系, 還有輪軌之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系。在轉(zhuǎn)向架設(shè)計過程中, 筆者與北方交通大學(xué)合作, 利用德國鐵路專用軟件S IM 2 PA CK 建立了車輛系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型, 對影響車輛動力學(xué)性能的轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計算。包括: 一系圓錐橡膠彈簧的三向剛度、二系橫向減振器阻尼、抗蛇行減振器阻尼、抗側(cè)滾扭桿剛度和車輪踏面斜度的變化等。車輛系統(tǒng)的每種參數(shù)對車輛的動態(tài)響應(yīng)、蛇行運動穩(wěn)定性和曲線通過性能三個方面的影響是不同的, 而且, 提高車輛蛇行運動臨界速度和改善車輛曲線通過性能這兩者對懸掛參數(shù)的要求是有矛盾的。因此, 車輛懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)選擇, 只能按實際運用條件進(jìn)行綜合考慮。這些條件包括最高運營速度、曲線半徑和超高以及線路不平順等。通過多方案的參數(shù)優(yōu)化選擇, 轉(zhuǎn)向架蛇行運動的計算臨界速度為220 km /h, 動車、拖車的運行平穩(wěn)性指標(biāo)小于2. 5, 曲線通過能力和運行安全性指標(biāo)滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
6　結(jié)論與建議
立足于國內(nèi)技術(shù), 研制出具有國際先進(jìn)水平的轉(zhuǎn)向架, 對我國城市軌道交通的發(fā)展具有重大意義。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計受車輛限界、地板高度、車輛寬度和軸重等的嚴(yán)格限制。通過B 型城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計, 筆者有以下幾點體會:
(1) 雖然完成了轉(zhuǎn)向架的設(shè)計和理論分析計算, 但結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、關(guān)鍵零部件的疲勞強(qiáng)度以及運行性能仍有待于進(jìn)一步試驗和長期的運用考驗。
(2) 對于采用VVV F 交流傳動的A 型和B 型城市軌道交通車輛來說, 踏面單元制動是較理想的基礎(chǔ)制動方式。
(3) 車輪直徑大小及其輻板形式不僅影響輪軌之滑防空轉(zhuǎn)控制傳感器、接地電刷裝置和固體輪緣潤滑間的相互作用, 也關(guān)系到轉(zhuǎn)向架傳動裝置的設(shè)計和牽引電機(jī)的選擇。應(yīng)盡快研制車輪直徑和輻板形式合理的噪聲優(yōu)化車輪。
(4) 有關(guān)單位應(yīng)研制專門適用于城市軌道交通車輛的大等效斜度圓弧踏面, 以提高城市軌道交通系統(tǒng)運營的經(jīng)濟(jì)性。
(5) 城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的研制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。轉(zhuǎn)向架的設(shè)計與線路、限界條件、傳動技術(shù)的發(fā)展以及轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)零部件的技術(shù)水平密切相關(guān)。
(6) B 型城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)完全可以用于A 型車, 只需根據(jù)A 型車鋁合金車體的設(shè)計特點對轉(zhuǎn)向架固定軸距和空氣彈簧上支承面高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。

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