新型160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉向架結構設計

賈洪龍，李文學，程建會

（長春軌道客車股份有限公司技術中心 轉向架開發部，吉林長春130062）

新型160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉向架結構設計

賈洪龍，李文學，程建會

（長春軌道客車股份有限公司技術中心 轉向架開發部，吉林長春130062）

介紹了速度等級為160 km/h、軸重為17 t的新型快速寬軌客車轉向架設計結構，轉向架型號CW 820。轉向架研發過程中充分考慮了巴基斯坦境內運行環境條件及要求，借鑒了國內鐵路客車等一些運營成熟的轉向架結構，同時結合了技術引進國外動車組轉向架先進設計理念，為巴基斯坦鐵路（簡稱：巴鐵）首次提供了空氣彈簧轉向架。

寬軌；空氣彈簧；轉向架；設計

目前，世界有一些國家，如巴基斯坦、阿根廷、巴西等鐵路軌道采用寬軌，軌距較我國的準軌1 435 mm相比要寬，巴基斯坦、阿根廷軌距為1 676 mm，巴西軌距為1 600 mm。為了增加我國鐵路客車在世界市場的份額，中國北車長春軌道客車股份有限公司（簡稱：長客公司）針對巴基斯坦202輛寬軌客車項目，設計出新型的型號為CW820的速度160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉向架，能夠完全滿足巴基斯坦運營條件。這是長客公司第2次向巴鐵局提供寬軌客車。首次供貨175輛客車采用的是鋼彈簧寬軌轉向架，本次供貨202輛客車標書技術規范中明確規定必須采用空氣彈簧寬軌轉向架，是巴基斯坦境內首次采用空氣彈簧轉向架。

1　CW820轉向架設計要求及參數

巴基斯坦地處亞熱帶，南部沿海夏季溫熱，其他季節干燥多風沙，線路條件差，而且該國工業落后，車輛使用、維護水平較低，CW820轉向架設計充分考慮了巴基斯坦境內運行環境條件及要求，借鑒了國內鐵路客車等一些運營成熟的轉向架結構，同時結合了技術引進國外動車組轉向架先進設計理念。該轉向架主要技術參數見表1。

表1　轉向架技術參數

2　CW820轉向架設計結構

CW820為無搖枕、無搖動臺、無旁承式三無結構，具有結構簡單、成本低、維修量少、性能優良、安全可靠等優點。轉向架由構架組成、轉臂式軸箱定位裝置、中央懸掛裝置、基礎制動裝置、基礎制動配管、軸溫報警裝置等組成。其技術特點如下：

（1）采用改進的H形焊接構架，組焊后整體退火去應力；

（2）一系懸掛由雙圈螺旋式鋼彈簧、垂向減振器、轉臂式橡膠節點定位等組成；

（3）二系懸掛由大橫向變位帶阻尼孔的空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等組成；

（4）在車體和轉向架之間采用單牽引拉桿傳遞牽引力和制動力；

（5）基礎制動采用軸盤式制動單元裝置。

轉向架的總體結構如圖1所示。

圖1　轉向架總體圖

2.1構架形式

轉向架構架采用無搖枕、轉臂式軸箱定位結構，構架主體材質選用Q345R板材。如圖2所示，構架由兩根箱形側梁、兩根管形橫梁以及兩縱向輔助箱形梁焊接而成。側梁為中部下凹的魚腹箱形結構，上蓋板由中央蓋板和端板組成。側梁上焊有定位座以及一系垂向減振器座、二系橫向減振器座等，內部有4塊加強筋板。橫梁使用兩根無縫鋼管，用縱向梁連接，縱向梁為箱形結構，兼做橫向擋座；橫梁上焊接有牽引拉桿座以及制動吊座。

圖2　轉向架構架圖

根據構架靜強度及疲勞強度計算和試驗表明，該轉向架構架強度可以滿足要求。

2.2輪對軸箱定位裝置

軸箱定位裝置主要包括輪對、軸端組成、一系鋼彈簧組成、節點裝置、一系垂向減振器等，如圖3所示。

圖3　輪對軸箱定位圖

輪對主要由車軸、車輪和制動盤等組成。輪對內側距為1 600 mm。車軸符合TB/T2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件》的要求。車輪符合TB/T2708-1996《鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術條件》，踏面為巴鐵要求的P8型。

軸端主要由軸箱體、軸承、前蓋、壓板、防塵擋圈和軸端螺栓等組成。軸箱為轉臂式結構，軸箱體材料為B級鋼，結構為一體式，組裝方便。

一系鋼彈簧組成主要由雙圈螺旋鋼彈簧、上下夾板、特制螺栓等組成。內外圈彈簧執行T B/T 1025-2000《機車車輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術條件》。

每軸端設置一垂向減振器，用來衰減來自軌道的沖擊和振動。每個垂向減振器通過4個螺栓將構架與軸箱連接到一起，與一系鋼彈簧組并聯。

2.3中央懸掛裝置

中央懸掛裝置主要由空氣彈簧、橫向減振器、橫向緩沖器、高度調整閥、壓差閥、安全鋼絲繩、牽引支座、牽引拉桿、抗蛇行減振器等組成。如圖4所示。

圖4　中央懸掛裝置

目前空氣彈簧大量運用在國內外鐵路客車轉向架上，大大提高了車輛運行的平穩性，但巴基斯坦國內并未采用過。且巴鐵系統供風壓力小（500 kPa）、載質量大（最重發電車達68 t），現有空氣彈簧直徑無法滿足這一要求。長客公司針對巴基斯坦202輛寬軌客車項目的特點，聯合青島四方車輛研究所有限公司研制出有效直徑為φ650 mm的大直徑空氣彈簧。

每輛車的轉向架和車體之間安裝4個高度閥，每一個高度閥控制一個空氣彈簧的充氣、排氣以及高度調整。水平杠桿和調整桿的功能是將由于乘客負載引起的高度變化信息，準確地傳遞給高度調整閥，通過高度閥的充排風使空氣彈簧始終處于標準高度。調整桿兩端使用球形關節軸承，能滿足車體與轉向架間的相對轉動。

差壓閥的設置是基于安全的考慮，當兩空氣彈簧內部的壓差達到限度時，就會發生動作，將兩個附加氣室導通。這樣就能避免某一個高度閥故障而過充或任意一個空氣彈簧爆破而導致的車輛過度傾斜，保證車輛安全運行。

安全鋼絲繩是空氣彈簧的防過充裝置，當高度閥和壓差閥都有故障時空氣彈簧可能無限制的充氣和升高，安全鋼絲繩就是抑制其無限升高對車輛起安全作用。

牽引裝置用來傳遞牽引力和制動力。牽引裝置采用單拉桿結構，其結構簡單，安裝方便。牽引支座通過8個螺栓與車體底架固定在一起。

每個轉向架設有兩個對稱布置的抗蛇行減振器，抗蛇行減振器一端與車體連接另一端與構架相連，能有效抑制車輛的蛇行運動。

2.4基礎制動裝置

基礎制動裝置采用軸盤制動，在每根車軸上裝有兩個制動盤，每個制動盤配置一個單元制動缸，如圖5所示，制動缸以3點懸掛在構架橫梁的盤形制動吊座上。該制動裝置結構簡單能保證車輛安全制動。

圖5　制動單元

3　CW 820轉向架的計算試驗

CW820轉向架是新開發的一種寬軌客車轉向架，研發過程進行了一系列的計算和試驗，結果表明CW820轉向架的性能指標和結構強度滿足相關標準要求。

3.1動力學性能計算

西南交通大學牽引試驗室對經濟車和空調車進行了動力學計算，建立了空車、滿載、超載模型，對轉向架關鍵懸掛參數進行了優化，并對優化后的模型和故障工況進行了蛇行運動穩定性、運行平穩性和舒適度、曲線通過安全性等的校核計算。計算結果表明該車不同工況下的性能指標符合UIC 513、UIC 518、GB 5599-1985、UIC 505-5等標準的相關要求，運動穩定性具有足夠的速度裕量，能夠滿足線路160 km/h速度正常運行的安全要求。

3.2構架的強度計算分析

CW820轉向架構架由北京交通大學進行了有限元分析，結果表明：構架的靜強度和疲勞強度均滿足要求，構架的第一階固有頻率為32.2 Hz，振型為兩側梁反向點頭。構架的有限元離散模型及構架合成動應力幅值云圖如圖6、圖7所示。

圖6　構架有限元離散模型

圖7　構架合成動應力幅值云圖

3.3構架靜強度及疲勞強度試驗

構架的強度試驗按照UIC 515-4-1999《客運車輛后轉向架—走行部轉向架構架結構強度試驗》及prEN 13749-1999《鐵路應用輪對和轉向架規定轉向架構架結構要求的方法》進行，靜態試驗結果表明測點應力在強度許用極限范圍內；疲勞試驗布置8個液壓作動器同時對構架分3階段施加總計1 000萬次，在600萬次、800萬次和1 000萬次階段循環結束后檢查了試驗構架整體，均未發現裂紋，滿足試驗要求。

3.4轉向架滾振試驗

西南交通大學牽引動力國家重點試驗室對CW820轉向架，配牽引動力試驗室試驗車車體，進行整車滾動振動試驗。試驗包括蛇行運動穩定性和運行平穩性試驗，試驗方案有轉向架原始狀態試驗、空氣彈簧無氣和拆除各減振器故障方案在內的試驗方案49個。試驗結果表明：C W 820轉向架在260 km/h速度范圍內未出現失穩，該轉向架具有足夠的蛇行運動穩定性。該轉向架在40～260 km/h速度范圍內的車體橫向和垂向運行平穩性指標等級達到優。該轉向架的運行穩定性和運行平穩性能夠滿足在線路上160 km/h速度運行的要求。

3.5正線動力學性能試驗

中國鐵道科學研究院機車車輛研究所于2013年7月對長客公司出口巴基斯坦的寬軌客車進行了動力學性能試驗，試驗線路為Lahore-Kanawal，試驗線路總長為283 km。試驗結果表明，在正常工況和重車工況下硬臥車的運行穩定性和橫向穩定性指標均滿足試驗大綱的要求，橫向平穩性和垂向平穩性為優級；在正常工況下發電車的運行穩定性和橫向穩定性指標均滿足試驗大綱的要求，橫向平穩性和垂向平穩性為優級。

4　結束語

自20世紀60年代空氣彈簧應用在軌道客車上以來，由于其具有變剛度，容易得到較低的振動頻率，進而得到良好的運行品質，故逐漸取代鋼圓彈簧作為二系懸掛系統。CW820轉向架是巴鐵車輛首次批量采用的空氣彈簧轉向架，標志著巴鐵邁入了鐵路客車現代化進程。該轉向架設計理念先進、可靠，經過一系列試驗及實際線路的運用，證明其具有優良的運行性能。

［1］ 嚴雋耄.車輛工程［M］.北京，中國鐵道出版社，1999.

［2］ 李文學.寬軌CW-KB140型空氣彈簧轉向架的研制［J］.鐵道車輛，2005，43（10）：26-29.

［3］ 張曉軍.出口巴基斯坦寬軌客車轉向架［J］.鐵道車輛，2006，44（1）：22-24.

［4］ 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.長春軌道客車股份有限公司出口巴基斯坦空調硬臥車動力學性能計算報告［R］.2010.

［5］ 北京交通大學結構強度實驗室.巴基斯坦寬軌客車轉向架構架靜強度和疲勞強度計算報告［R］，2011.

［6］ 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.CW820（巴基斯坦客車）轉向架滾振動試驗臺動力學試驗報告［R］.2011.

［7］ 鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站.巴基斯坦202輛寬軌客車動力學性能試驗研究報告［R］.2013.

Structure Design of New Type Air Spring Bogie of 160 km/h Broad Gauge Passenger Car

JIA Honglong，LI Wenxue，CHENG Jianhui
（Research&Development Center of Bogie Department，Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper introduces the bogie design of broad gauge passenger car with the speed of 160 km/h，and axle load of 17 tons，which is exported to Pakistan.The type of the bogie is CW820.Bogie development considers the Pakistan operation conditions，and adopts mature bogie structure of domestic railway passenger cars.At the same time，combined with the advanced technology bogie design concept of imported EMU，it is the first time to provide air spring bogie for Pakistan.

broad gauge；air spring；bogie；design

U270.33

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.13

1008-7842（2015）04-0059-04

5—）男，工程師（

2014-12-19）