廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)介及其國(guó)產(chǎn)化

段華東

(南車(chē)集團(tuán)公司 株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 技術(shù)中心,湖南株洲412001)

廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架由德國(guó)西門(mén)子公司設(shè)計(jì),采用 H型構(gòu)架和輪盤(pán)制動(dòng),運(yùn)營(yíng)最高速度為120 km/h。株洲電力機(jī)車(chē)有限公司引進(jìn)了該轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架制造技術(shù)和轉(zhuǎn)向架組裝技術(shù),同時(shí)引進(jìn)了生產(chǎn)該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的全套工裝設(shè)備。該轉(zhuǎn)向架的制造均按照ISO 、UIC、DIN 、EN、BN 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,制造過(guò)程中采用了低應(yīng)力小變形焊接工藝等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)。該轉(zhuǎn)向架的制造質(zhì)量不僅達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求,而且主要零部件如構(gòu)架、輪對(duì)等已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

1 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架分兩種:動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架。動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架帶有三相交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),拖車(chē)轉(zhuǎn)向架沒(méi)有帶電動(dòng)機(jī)。

動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本相同,主要包括構(gòu)架、輪對(duì)軸箱裝置、驅(qū)動(dòng)裝置(僅動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架有)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引裝置、抗側(cè)滾裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和附屬裝置等。動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架組成見(jiàn)圖1。

下面介紹廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

圖1 動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架組成

2.1 構(gòu)架

廣州地鐵兩種轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用互換性設(shè)計(jì)。原西門(mén)子構(gòu)架材料主要選用 EN 10155 S3535J2G1或EN 10025 S355J2G3,這種鋼材結(jié)合表面處理能較好的避免腐蝕。改進(jìn)后的廣州地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架選擇代用材料(見(jiàn)表1),其化學(xué)成分和機(jī)械性能都達(dá)到了西門(mén)子的規(guī)定要求。該構(gòu)架由一根橫梁和兩根側(cè)梁(左右各一根)組焊成H結(jié)構(gòu)。構(gòu)架橫梁采用兩根Q 345E無(wú)縫鋼管,橫梁上設(shè)有牽引桿座、制動(dòng)器安裝座、橫向止擋座、電機(jī)懸掛座和齒輪箱吊座。構(gòu)架側(cè)梁由16M nDR鋼板焊接成中間下凹的魚(yú)腹形箱型結(jié)構(gòu),側(cè)梁在中間下凹以便安裝空氣彈簧。側(cè)梁上設(shè)有一系彈簧安裝座、橫向和垂向油壓減振器安裝座、抗側(cè)滾扭桿座、轉(zhuǎn)臂定位座和天線(xiàn)安裝座。構(gòu)架的焊接按DIN6700標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各安裝座的設(shè)計(jì)具有較高的剛度和強(qiáng)度,能承受較大的交變載荷,其中轉(zhuǎn)臂定位座采用鍛件,制動(dòng)器安裝座和牽引桿座采用鑄件。

2.2 輪對(duì)軸箱裝置

輪對(duì)由車(chē)輪和車(chē)軸壓裝而成,其組裝和公差按EN 13260和UIC 813規(guī)定執(zhí)行。車(chē)輪采用整軋鋼輪,材料和化學(xué)成分按EN 13262的ER8規(guī)定;車(chē)軸材料和化學(xué)成分按EN 13261的EA 1N1規(guī)定。車(chē)輪上設(shè)有特殊的制動(dòng)盤(pán)安裝座,車(chē)軸上設(shè)有驅(qū)動(dòng)齒輪和齒輪箱的安裝座。

軸箱主要由軸箱體、軸箱軸承、軸箱端蓋等組成。軸箱采用轉(zhuǎn)臂定位。軸箱體采用高強(qiáng)度的合金鋼鑄造。軸箱軸承采用圓錐滾子軸承,它有較強(qiáng)的承載能力。軸箱外側(cè)設(shè)有軸箱端蓋,并采用密封件密封。

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置主要由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、聯(lián)軸器等組成。電動(dòng)機(jī)為三相交流牽引電機(jī),通過(guò)橡膠墊彈性架懸在構(gòu)架上,這應(yīng)當(dāng)是國(guó)內(nèi)地鐵電機(jī)橡膠懸掛的首次選用;為防止電機(jī)脫落,在懸掛端設(shè)有安全卡槽和防脫落板。齒輪箱一端抱軸安裝,另一端通過(guò)吊桿懸掛在齒輪箱安裝座上,并增設(shè)安全托架以防止齒輪箱吊桿正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時(shí)脫落;齒輪箱采用低噪聲和安全可靠的兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),箱體材料采用高強(qiáng)度鑄鐵件;齒輪箱采用垂直式分隔型結(jié)構(gòu),小間隙的多層迷宮式密封。齒輪和齒輪軸由表面硬化的鋼材制成。傳動(dòng)齒輪和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的連接由柔性齒式聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn),它可補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)軸和齒輪轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生的各種相對(duì)位移,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定傳遞。

2.4 懸掛裝置

懸掛裝置主要由一系懸掛和二系懸掛組成。

一系懸掛安裝在構(gòu)架與軸箱之間,主要包括螺旋鋼彈簧、垂向油壓減振器、橡膠墊、垂向止擋等。一系懸掛采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)臂式定位,一系縱、橫剛度相對(duì)獨(dú)立且分配合理,較好的解決了轉(zhuǎn)向架曲線(xiàn)通過(guò)和抗蛇行穩(wěn)定運(yùn)行的矛盾。一系彈簧相對(duì)于軸箱中心偏置安裝,降低了側(cè)梁高度,優(yōu)化了承載分配。采用雙圈螺旋鋼彈簧組能兼顧車(chē)輛空、重車(chē)狀態(tài)和抑制車(chē)輛的垂向高頻轉(zhuǎn)動(dòng),并滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向架提速的性能要求。減振器能有效減少轉(zhuǎn)向架的垂向振動(dòng),還可用作上升止擋,限制車(chē)體向上產(chǎn)生過(guò)大位移。橡膠墊用來(lái)吸收高頻振動(dòng),能減少高頻振動(dòng)對(duì)構(gòu)架的破壞。

二系懸掛安裝在轉(zhuǎn)向架和車(chē)體之間,主要包括空氣彈簧、高度調(diào)整閥、橫向止擋、橫向油壓減振器、垂向油壓減振器、抗側(cè)滾扭桿等。空氣彈簧用來(lái)承受和傳遞車(chē)體載荷,在無(wú)空氣狀態(tài)下,還設(shè)有緊急橡膠彈簧來(lái)維持地鐵車(chē)輛運(yùn)行。高度調(diào)整閥用來(lái)調(diào)整空氣彈簧的充放氣,以此限制不同負(fù)載狀態(tài)下車(chē)輛地板面相對(duì)軌面的高度變化在很小范圍內(nèi)(一系懸掛的橡膠蠕變和車(chē)輪磨耗除外)。橫向止擋和橫向減振器用于限制車(chē)體的橫向移動(dòng)。抗側(cè)滾扭桿兩端通過(guò)橡膠軸承懸掛在車(chē)體底架上,有效降低了轉(zhuǎn)向架的簧間質(zhì)量,并起到限制車(chē)體向上產(chǎn)生過(guò)大位移的安全作用。橫向止擋、油壓減振器和抗側(cè)滾扭桿的采用,大大提高了轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性能。

2.5 牽引裝置

牽引裝置主要由牽引桿、牽引座、橡膠關(guān)節(jié)等組成。牽引桿用來(lái)傳遞車(chē)體和轉(zhuǎn)向架之間的縱向作用力。牽引座設(shè)有牽引桿安裝座、減振器安裝座、整體起吊孔和橫向止擋座。橡膠關(guān)節(jié)設(shè)在牽引桿兩端,其作用是減少列車(chē)加速和減速時(shí)對(duì)牽引桿的沖擊,避免牽引桿的磨損。

2.6 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

廣州地鐵轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用盤(pán)形制動(dòng)器,每根車(chē)軸上安裝兩個(gè)制動(dòng)盤(pán)。輪盤(pán)制動(dòng)能有效地配合電氣制動(dòng),以此保證車(chē)輛的運(yùn)行安全。輪盤(pán)制動(dòng)可減少車(chē)輪磨耗,提高車(chē)輪使用壽命。

2.7 附屬裝置

附屬裝置主要包括接地裝置、傳感器裝置、輪緣潤(rùn)滑裝置、轉(zhuǎn)向架布線(xiàn)等。接地裝置和速度傳感器都安裝在軸箱上。輪緣潤(rùn)滑裝置的噴嘴安裝在轉(zhuǎn)向架的前軸上。

3 轉(zhuǎn)向架的國(guó)產(chǎn)化

3.1 構(gòu)架選材(表1)

Q345E和16M nDR按DIN 6700要求進(jìn)行了相應(yīng)的化學(xué)成分、機(jī)械和焊接性能試驗(yàn),并且在DJ1機(jī)車(chē)和上海地鐵轉(zhuǎn)向架制造時(shí)確認(rèn)了其代用性能。

表1 構(gòu)架板材的代用方案表

3.2 構(gòu)架焊接

株洲電力機(jī)車(chē)有限公司建立了DIN6700焊接體系,完成了認(rèn)證申請(qǐng)、焊工資質(zhì)認(rèn)證、設(shè)計(jì)輸出文件改進(jìn)、焊接工藝評(píng)定、焊接構(gòu)件供應(yīng)商管理、焊接質(zhì)量體系管理文件編制、焊接質(zhì)量體系專(zhuān)題審核等工作。

為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,構(gòu)架焊接中其橫梁、側(cè)梁、構(gòu)架和各附件都采用焊接工裝進(jìn)行。構(gòu)架焊接過(guò)程遵循DIN 6700的焊接規(guī)定,焊接方法主要采用富氬氣體保護(hù)焊。構(gòu)架焊完后各焊縫經(jīng)打磨光滑平整來(lái)盡可能消除焊縫表面缺陷,并通過(guò)噴丸、打沙消除氧化層。焊縫表面缺陷按EN 25817鋼電弧焊接缺陷等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定,焊縫按DIN 6700標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X光檢驗(yàn),按EN 1290的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行磁粉探傷。檢驗(yàn)不能有不良缺陷。

3.3 構(gòu)架強(qiáng)度校核

在構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核中,計(jì)算載荷和載荷工況按西門(mén)子公司提供的構(gòu)架試驗(yàn)大綱規(guī)定的計(jì)算載荷和載荷工況實(shí)施。按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架各種載荷組合了13種工況,并考慮超常載荷工況和3g沖擊載荷工況。通過(guò)I-DEAS仿真分析,計(jì)算結(jié)果表明3g沖擊載荷工況產(chǎn)生最大Von Mises應(yīng)力值(見(jiàn)圖2)為247 MPa,此值小于材料屈服極限315 M Pa,可見(jiàn)構(gòu)架靜強(qiáng)度合格。通過(guò)計(jì)算構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)在1～13種工況下的平均應(yīng)力及最大、最小主應(yīng)力值,并將各值點(diǎn)入Goodman曲線(xiàn)進(jìn)行疲勞評(píng)估,得出構(gòu)架滿(mǎn)足材料的疲勞強(qiáng)度要求。

圖2 3g沖擊載荷工況的Von Mises應(yīng)力云圖

3.4 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

在構(gòu)架的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中,還對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了主要載荷下的靜強(qiáng)度試驗(yàn)與超常載荷下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

構(gòu)架疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,確保了載荷的形式和大小與實(shí)際運(yùn)用工況的一致性,并充分考慮最?lèi)毫庸r。構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)次數(shù)為1千萬(wàn)次,按照UIC615-4施加階段載荷,試驗(yàn)按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行無(wú)損探傷檢查。

通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證國(guó)產(chǎn)化構(gòu)架的使用壽命。

3.5 輪對(duì)組裝

輪對(duì)組裝采用壓裝,方法是通過(guò)油壓機(jī)將車(chē)軸均勻壓入車(chē)輪。壓裝前裝配表面需要涂油來(lái)減少拉傷,車(chē)輪和車(chē)軸壓裝時(shí),油壓機(jī)自動(dòng)記錄器可自動(dòng)記錄壓力曲線(xiàn)圖,由此可確定壓裝是否符合要求。廣州地鐵輪對(duì)壓裝曲線(xiàn)如圖3,輪轂與輪座的位移達(dá)到20 mm前,開(kāi)始增加裝配力,然后持續(xù)增加力,過(guò)油槽時(shí)允許壓入力稍有下降,壓入力不得超過(guò)規(guī)定范圍。壓裝終止前,位移的最后25mm內(nèi)壓力降應(yīng)限制在49 kN以?xún)?nèi)。

3.6 轉(zhuǎn)向架組裝與試驗(yàn)

圖3 輪對(duì)壓裝曲線(xiàn)圖

由于引進(jìn)了轉(zhuǎn)向架的組裝技術(shù),因此實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架的組裝國(guó)產(chǎn)化。組裝的主要工裝設(shè)備有升降臺(tái)、落車(chē)臺(tái)位等。組裝例行試驗(yàn)包括稱(chēng)重調(diào)簧試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。稱(chēng)重調(diào)簧試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)組裝好的轉(zhuǎn)向架加載,通過(guò)增加一系彈簧的墊片,調(diào)整各輪重和軸重偏差在±2%以?xún)?nèi)。氣密性試驗(yàn)表明空氣管道的密封良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

在廣州地鐵3號(hào)線(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架項(xiàng)目中,輪對(duì)、軸箱體及端蓋、一系彈簧、橡膠彈簧、抗側(cè)滾扭桿裝置、牽引裝置等零部件都在國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,進(jìn)一步有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的有接地裝置、轉(zhuǎn)向架布線(xiàn)、電機(jī)、輪緣潤(rùn)滑裝置等。隨著國(guó)內(nèi)供應(yīng)商技術(shù)水平的提高,國(guó)產(chǎn)化的程度會(huì)逐步上升。

這些轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化,嚴(yán)格按照西門(mén)子轉(zhuǎn)向架要求進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算和出廠(chǎng)試驗(yàn)。動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行平穩(wěn)性(優(yōu)級(jí))、運(yùn)行穩(wěn)定性,曲線(xiàn)通過(guò)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,且滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向架安全運(yùn)行要求;試驗(yàn)驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求,這為國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架在后續(xù)交付車(chē)輛中的全部應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ),并得到業(yè)主的一致好評(píng)。

[1]王 娟,謝 謙,黃 憲.地鐵車(chē)輛國(guó)產(chǎn)化探討[J].鐵道車(chē)輛,2003,(8):24-28.