天津地鐵2號線車輛轉(zhuǎn)向架設計

卞 濤，山 麗，劉 艷

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022）

天津地鐵2號線車輛每節(jié)車裝有2臺兩軸轉(zhuǎn)向架，主要參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向架主要技術參數(shù)

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架分為動車轉(zhuǎn)向架（圖1）和拖車轉(zhuǎn)向架兩種形式。

圖1 動車轉(zhuǎn)向架

1.1 構(gòu)架

構(gòu)架分為動車構(gòu)架（圖2）和拖車構(gòu)架，均為H型焊接構(gòu)架，二者主體結(jié)構(gòu)基本相同。

構(gòu)架的側(cè)梁為4塊板箱形焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)梁上下蓋板為鋼板壓型結(jié)構(gòu)，板材選用低合金結(jié)構(gòu)鋼；橫梁由兩根無縫鋼管和兩根橫梁連接梁（由鋼板組焊成箱形）組焊而成，簡化構(gòu)架結(jié)構(gòu)，有利于提高橫梁上各吊座與橫梁的連接強度，有效地提高了構(gòu)架的可靠性，在電機吊座、齒輪箱吊座扭矩作用下，無縫鋼管制造橫梁應力分布均勻，受力好，無縫鋼管經(jīng)過剝皮磁粉探傷處理，確保其承載的安全性，保證車輛運行安全。

構(gòu)架組焊后經(jīng)焊縫機械處理、回火熱處理、整體拋丸處理，最后進行整體加工，保證構(gòu)架的四角對稱度、吊座位置度等精度要求。

圖2 動車構(gòu)架

圖3 構(gòu)架局部結(jié)構(gòu)的有限元模型

橫梁兼作空氣彈簧的附加空氣室，構(gòu)架整體加工后，使用內(nèi)腔防腐液對橫梁及側(cè)梁內(nèi)腔進行防銹處理。

采用UIC 615-4《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗》，利用有限元分析程序ANSYS對構(gòu)架結(jié)構(gòu)進行靜強度和疲勞強度分析計算。計算結(jié)果表明，在35個組合計算工況下，充分考慮了構(gòu)架運行的惡劣情況，構(gòu)架強度滿足UIC615-4標準要求；構(gòu)架主結(jié)構(gòu)及主焊縫、制動吊座和橫向減振器座的疲勞計算結(jié)果能夠滿足Goodman曲線要求。

圖4 主結(jié)構(gòu)母材及主焊縫的Goodman圖

構(gòu)架有限元分析發(fā)現(xiàn)橫梁和側(cè)梁內(nèi)側(cè)的連接部位在一定工況下有嚴重的應力集中現(xiàn)象，橫梁采用無縫鋼管結(jié)構(gòu)時，在側(cè)梁內(nèi)側(cè)和橫梁的連接部位堆焊出很高的角焊縫，然后打磨出分散應力的圓角（半徑通常在R25以上），此種結(jié)構(gòu)的大焊接量容易導致構(gòu)架焊接時產(chǎn)生收縮變形，并且人工打磨量大。本項目設計側(cè)梁內(nèi)側(cè)與橫梁的連接座（圖5），保證側(cè)梁與橫梁的連接，并有足夠的過渡圓角分散應力，減少焊接量和打磨量。利用ANSYS有限元對構(gòu)架進行各種工況的靜強度及疲勞強度分析，結(jié)果表明連接座的設計能夠滿足構(gòu)架各種受力工況下的連接強度要求。

地鐵車輛在拆裝齒輪箱吊桿時，由于吊裝銷軸自上而下貫穿安裝，所以只能向上或水平拆裝。如果向上拆裝，由于吊裝螺栓銷軸較長，構(gòu)架與車體底架的空間距離不足以使其完全拔出，需架車完成拆卸，拆換工作將變得相當繁瑣。本次設計采用開口齒輪箱吊座（圖6），在吊座承載受力小的部位開口，在開口處下部設補強板，補強板還能夠保證齒輪箱吊桿上部與吊座連接部位在運行中不能從開口處竄出，確保行車安全。開口齒輪箱吊座在保證吊座承載能力的同時，簡化了吊桿拆裝工藝。

圖5 連接座布置

圖6 開口齒輪箱吊座

1.2 輪對

輪對由車輪、車軸和降噪阻尼器等組成，動車輪對上還裝有驅(qū)動大齒輪及軸承、滑動環(huán)和軸承壓蓋等零件，均采用熱裝方式與車軸進行裝配。在車輪的輪輞上裝有降噪阻尼器，用來降低車輛在曲線運行時的中高頻噪聲（圖7）。

對車輛進行實際線路運行降噪效果測試，分別選擇一列安裝阻尼器列車和一列沒有安裝阻尼器的列車作為測試對象，曲線半徑R=160m，列車試驗速度v=30 km／h，測試標準按照ISO3095《軌道車輛噪聲測試》進行。列車行駛時聲壓級比較如表2所示。

圖7 動車輪對

表2 列車行駛時聲壓級比較 dB

列車行駛時噪聲的時域譜對比如圖8、圖9所示，縱軸表示聲壓級幅值，橫軸表示時間。

圖8 沒安裝阻尼器列車0.5s內(nèi)的時域圖

圖9 安裝阻尼器列車0.5s內(nèi)的時域圖

從聲壓級的對比來看，列車安裝阻尼器后在彎道行駛具有明顯的降噪效果，降噪達到17.53dB。從時域譜對比來看，彎道上列車安裝阻尼器后對車外噪聲的衰減作用非常明顯。列車安裝阻尼器后對降低環(huán)境噪聲有明顯的效果，尤其是對抑制列車在彎道行駛時產(chǎn)生中高頻噪聲具有明顯的作用。

1.3 軸箱及一系懸掛裝置（圖10）

軸箱裝置主要由軸箱體、軸承、防塵擋圈、端蓋、壓蓋等組成。采用鑄鋼箱體、迷宮式防塵結(jié)構(gòu)。軸箱軸承采用雙列圓柱、自密封單元結(jié)構(gòu)，軸承無需現(xiàn)場潤滑。

圖10 軸箱及一系懸掛

1.4 二系懸掛裝置

二系懸掛裝置（圖11）由組合式空氣彈簧（設有阻尼孔）、橫向油壓減振器、高度調(diào)整閥、壓差閥、橫向止擋、安全鋼索等組成。

圖11 二系懸掛裝置

空氣彈簧的上部進氣口與車體上的空氣管路連接，下部通風口與構(gòu)架內(nèi)部的附加氣室相通。每個空氣彈簧都有足夠大的附加氣室，并由高度閥來補償乘客質(zhì)量的變化。膠囊下面的橡膠堆在空氣彈簧無氣時還能緩和垂向振動，保證列車低速運行回庫。

本次設計在構(gòu)架側(cè)梁兩外側(cè)各布置兩根安全鋼索，主要作用是當空氣彈簧處于過充狀態(tài)，高度閥、壓差閥同時處于故障時，由安全鋼索將車體和構(gòu)架相對限位，限制空氣彈簧的高度，保證車輛與限界之間的有效安全距離，從而保證車輛的行車安全；同時在車輛脫軌發(fā)生傾斜時，能保證車輛在隧道內(nèi)最小空間范圍車體復位，保證乘客安全。在緊急救援起吊時，對稱布置的4根安全鋼索能做到在吊起車體的同時，將轉(zhuǎn)向架連同車體一起被吊起。

1.5 牽引裝置

牽引裝置（圖12）為中央牽引銷方式，由中心銷、上牽引體、下牽引體、復合彈簧、牽引拉桿等組成，中心銷與下牽引體之間裝有復合彈簧，使牽引裝置處于無磨耗狀態(tài)。“Z”形牽引拉桿兩端裝有橡膠關節(jié)，實現(xiàn)了車體與構(gòu)架之間垂向的相對運動。由于采用了復合彈簧和橡膠關節(jié)，緩和了縱向牽引和制動時的沖擊，提高了列車牽引和制動時的運行舒適度。

圖12 牽引裝置

1.6 驅(qū)動傳動裝置

牽引電機采用自通風鼠籠式三相感應電機，額定功率180kW。

齒輪傳動裝置采用平行軸式驅(qū)動方式，箱體為分體式結(jié)構(gòu)。齒輪與軸承的潤滑通過大齒輪的回轉(zhuǎn)，采用飛濺潤滑的方式。每套齒輪傳動裝置安裝2套接地裝置，以保證車輛間的電流在不平衡時也能安全可靠。

聯(lián)軸器為齒式結(jié)構(gòu)，牽引電機輸出軸與主動齒輪軸中心的高度差通過改變齒輪箱吊掛裝置橡膠減振墊相鄰的上、下墊片來進行調(diào)節(jié)。

1.7 基礎制動裝置

基礎制動裝置（圖13）采用踏面制動單元，每個轉(zhuǎn)向架裝4個制動單元，其中1／2為彈簧停車制動單元。彈簧停車制動單元具有手動緩解功能。

制動單元附有閘瓦間隙自動調(diào)整器，可根據(jù)閘瓦和車輪的磨耗情況自動調(diào)整它們之間的間隙到規(guī)定的數(shù)值，也具有手動調(diào)整功能，用于更換閘瓦后的調(diào)節(jié)。

1.8 受流器

天津地鐵2號線車輛通過受流器碳滑靴與帶電三軌相互接觸向全列車供電。受流器為機械式下部受流器，具有回位和鎖定功能。

圖13 基礎制動裝置

受流器安裝在車輛Tc車一位端轉(zhuǎn)向架和動車轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)（Tc車二位轉(zhuǎn)向架、T車轉(zhuǎn)向架不裝受流器），受流器的布置保證列車在斷電區(qū)仍能滿足列車供電要求。

受流臂有弱連接，當車輛在運行中受流臂遇到意外障礙時會斷掉，而不影響車輛的正常運行。當一臺受流器出現(xiàn)故障被隔離時，剩余的受流器還會為整列車提供工作電源，列車的運行將不會受到影響。

1.9 輪緣潤滑器及排障器（圖14）

輪緣潤滑器為干式潤滑，主要由安裝板、導管、彈簧盒、牽引鋼絲繩及推料桿等組成。彈簧儲存的能量通過推料桿傳遞給潤滑塊，沿導管方向壓靠在輪緣部位，借助車輪轉(zhuǎn)動時的相對摩擦，使輪緣與鋼軌接觸處附著一層干式潤滑膜，達到減磨目的。每個輪緣潤滑器的安裝吊座都是通過4個螺栓固定在對應的連接板上，安裝位置可以根據(jù)車輪的磨耗量進行調(diào)整。

排障器下端裝有橡膠管，排除最小30mm高的障阻物，并有一定的緩沖作用，工作高度可以根據(jù)車輪磨耗情況進行調(diào)整，確保車輛順利運行。

圖14 輪緣潤滑器及排障器

2 試驗

2.1 構(gòu)架靜強度及疲勞強度型式試驗

按UIC 615-4和JIS E 4208標準對構(gòu)架進行強度型式試驗。

首先對構(gòu)架橫梁上6個承載座同時施加10點動載荷進行基于JIS E 4208標準載荷下200萬次疲勞試驗，再繼續(xù)進行第2階段UIC 615-4標準的1 000萬次疲勞試驗。

試驗結(jié)果表明，①各超常載荷工況下的所有測點應力均小于材料的屈服極限；②運營載荷工況下應力合成較大點均未超出疲勞Goodman圖極限區(qū)域；③試驗構(gòu)架通過了UIC 615-4標準規(guī)定的第1、2、3階段1 000萬次疲勞試驗的法定條款，同時也通過了按JIS E 4208對橫梁上的6個安裝座進行的200萬次疲勞試驗，達到了試驗大綱規(guī)定的1 200萬次疲勞要求。

2.2 構(gòu)架動應力型式試驗

對天津地鐵2號線車輛進行實際運營線路構(gòu)架動應力型式試驗，分別選擇了一個拖車構(gòu)架和一個動車構(gòu)架進行疲勞可靠性測試評定，見圖15。

測試結(jié)果表明，各個測試部位最大等效應力幅值均小于50MPa的疲勞許用應力，在焊接工藝正常的情況下構(gòu)架能夠滿足安全運行360萬km的疲勞壽命要求。

2.3 動力學型式試驗

在首列車完成5 000km跑合后，車輛在空車（及重車）正常懸掛工況、空車（及重車）空氣彈簧故障工況下進行了正線線路的動力學型式試驗，最高試驗速度88 km／h，試驗結(jié)果表明被試車輛在通過直線和曲線時，各項運行穩(wěn)定性指標均在允許限度內(nèi)，符合GB 5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，滿足80km／h速度級安全運行的要求，運行平穩(wěn)性指標為優(yōu)級，構(gòu)架橫向加速度值符合要求，車輛未發(fā)生橫向失穩(wěn)現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)見表3、表4。

圖15 動車構(gòu)架應變片布置圖

表3 動力學性能指標（直線區(qū)間）

表4 動力學性能指標（曲線區(qū)間）

3 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向架計算和試驗的結(jié)果均表明，該轉(zhuǎn)向架設計結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)架強度足夠、懸掛參數(shù)匹配合理，車輛具有良好的動力學性能。目前，車輛已于2012年7月通車試運營，轉(zhuǎn)向架運行狀況良好。

［1］嚴雋髦.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［2］鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［3］天津地鐵2號線構(gòu)架靜強度與疲勞強度計算報告［R］.成都：西南交通大學，2009.

［4］天津地鐵2號線車輛動力學校核計算報告［R］.成都：西南交通大學，2009.

［5］天津地鐵2號線構(gòu)架強度試驗報告［R］.上海：同濟大學，2011.

［6］天津地鐵2號線構(gòu)架動應力測試與疲勞強度評估報告［R］.北京：北京交通大學，2012.

［7］天津地鐵2號線車輛整車檢驗報告［R］.北京：鐵道部機車車輛檢驗站，2012.