全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車(chē)轉(zhuǎn)向架的研制

趙 卓薛世海高純友張文康李 濤張 銳

（1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站，100081，北京∥第一作者，工程師）

隨著城市人口的日益增加，提高城市交通運(yùn)載效率，同時(shí)盡可能降低能耗并節(jié)約勞動(dòng)成本成為城市軌道交通發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車(chē)是解決上述問(wèn)題的有效手段，是未來(lái)地鐵列車(chē)發(fā)展的重要方向［1］。中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)有限公司自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車(chē)，其轉(zhuǎn)向架的研制也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的空白。

1 自主研發(fā)全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車(chē)的主要技術(shù)特點(diǎn)

該項(xiàng)目列車(chē)為3輛編組，全部為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：采用鋼板、鋼管及鍛件焊接的“H”型構(gòu)架，轉(zhuǎn)臂式軸箱定位，一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧并聯(lián)垂向減振器以衰減來(lái)自軌道的沖擊和振動(dòng)，二系懸掛采用歐式大柔度空氣彈簧支撐車(chē)體質(zhì)量，并設(shè)置橫向減振器、垂向減振器、橫向止擋和抗側(cè)滾扭桿等結(jié)構(gòu)吸收振動(dòng)和抑制過(guò)量位移；采用“Z”型布置的雙牽引拉桿來(lái)傳遞車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的牽引制動(dòng)力；采用輪盤(pán)式基礎(chǔ)制動(dòng)單元以提高制動(dòng)效率并降低車(chē)輪的磨耗；采用架懸式交流牽引電機(jī)、二級(jí)減速齒輪箱和齒式聯(lián)軸節(jié)的傳動(dòng)裝置（該項(xiàng)目列車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1）及干式輪緣潤(rùn)滑裝置。頭車(chē)一位端轉(zhuǎn)向架布置有障礙物及脫軌檢測(cè)裝置。轉(zhuǎn)向架如圖1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 構(gòu)架

構(gòu)架采用傳統(tǒng)的“H”型焊接構(gòu)架，由側(cè)梁及橫梁組成。側(cè)梁為低合金高強(qiáng)度鋼板及鍛件焊接而成的等剛度設(shè)計(jì)的箱型結(jié)構(gòu)；側(cè)梁中部設(shè)有空氣彈簧座和橫向減振器安裝座，內(nèi)側(cè)設(shè)有制動(dòng)缸安裝座，外側(cè)設(shè)置二系垂向減振器安裝座，端部設(shè)有彈簧帽筒、一系垂向減振器安裝座及輔助設(shè)備安裝孔。橫梁由無(wú)縫鋼管、鍛件及鋼板焊接而成；橫梁上設(shè)有電機(jī)吊座和齒輪箱安裝座，底部設(shè)有牽引拉桿座。構(gòu)架如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

圖2 構(gòu)架

2.2 輪對(duì)軸箱裝置

車(chē)輪采用整體式輾鋼車(chē)輪，通過(guò)加熱安裝到車(chē)軸上。車(chē)輪采用了與用戶(hù)鋼軌型式更匹配的改良型P8Y踏面，提供了良好的動(dòng)力學(xué)性能。車(chē)輪外側(cè)安裝有降噪阻尼環(huán)，有效地降低車(chē)輪的輻射噪聲［2］。腹板處安裝有輪裝式制動(dòng)盤(pán)。

車(chē)軸采用實(shí)心車(chē)軸，中部裝有分體式二級(jí)減速齒輪箱，用于傳遞電機(jī)的牽引制動(dòng)力。

采用雙列圓錐滾子自密封軸承和整體式球墨鑄鐵軸箱，軸箱前蓋預(yù)留與制動(dòng)、信號(hào)及接地設(shè)備的安裝接口。輪對(duì)軸箱裝置如圖3所示。

2.3 一系懸掛裝置

一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧并聯(lián)垂向減振器來(lái)衰減吸收來(lái)自軌道的沖擊和振動(dòng)。在鋼彈簧下部串聯(lián)了橡膠墊，減少轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)對(duì)鋼彈簧的影響。橡膠彈性節(jié)點(diǎn)容許軸箱相對(duì)構(gòu)架有較大的垂直方向位移，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化使軸箱縱向與橫向的定位剛度有所不同，以適應(yīng)縱、橫兩個(gè)方向的不同彈性定位剛度的要求，在確保穩(wěn)定性的同時(shí)可獲得良好的曲線通過(guò)性能［3］。一系懸掛裝置模型如圖4所示。

圖3 輪對(duì)軸箱裝置

圖4 一系懸掛裝置

2.4 二系懸掛裝置

二系懸掛裝置采用大柔度的歐式空氣彈簧并聯(lián)垂向減振器來(lái)提供二系垂向減振和阻尼，每個(gè)空氣彈簧由一個(gè)高度閥控制。由于空氣彈簧的垂向剛度小，以及高度調(diào)整閥的滯后效應(yīng)，車(chē)輛易產(chǎn)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)影響乘坐的舒適性，因此在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架間設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置用以抑制車(chē)體過(guò)分的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。抗側(cè)滾扭桿的垂向連桿采用無(wú)磨耗的橡膠節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，減小了維護(hù)的工作量，降低了傳遞給車(chē)體的振動(dòng)。構(gòu)架與牽引梁間設(shè)置二系橫向減振器來(lái)吸收車(chē)體的橫向振動(dòng)。二系懸掛裝置模型如圖5所示。

2.5 牽引裝置

中心銷(xiāo)通過(guò)螺栓固定在車(chē)體枕梁上，在構(gòu)架上設(shè)置垂向止擋，充當(dāng)轉(zhuǎn)向架的整體起吊和防過(guò)充裝置。車(chē)體和轉(zhuǎn)向架間采用“Z”型雙牽引拉桿結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向架具有相對(duì)于車(chē)體在橫向、垂向、側(cè)滾和點(diǎn)頭等方向的自由度，只傳遞車(chē)體縱向的牽引力和制動(dòng)力。牽引裝置如圖6所示。

圖5 二系懸掛裝置

圖6 中央牽引裝置

2.6 驅(qū)動(dòng)裝置

每臺(tái)動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架對(duì)稱(chēng)布置有兩套驅(qū)動(dòng)裝置，包括電機(jī)、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)。其中齒輪箱采用二級(jí)減速結(jié)構(gòu)，飛濺式潤(rùn)滑方式；聯(lián)軸節(jié)采用齒式結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足齒輪箱與電機(jī)之間的變位要求，并傳遞扭矩。驅(qū)動(dòng)裝置如圖7所示。

2.7 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

采用三點(diǎn)吊掛式制動(dòng)夾鉗單元、輪裝制動(dòng)盤(pán)，根據(jù)制動(dòng)計(jì)算結(jié)果，布置有相應(yīng)的停放制動(dòng)缸，在車(chē)輛側(cè)面可以通過(guò)閘線進(jìn)行手動(dòng)緩解。制動(dòng)配管布置在構(gòu)架上部，與車(chē)體接口位于電機(jī)外側(cè)，以便于維護(hù)。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置如圖8所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)裝置

圖8 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

2.8 輔助裝置

構(gòu)架端部布置有干式輪緣潤(rùn)滑裝置，用于減少鋼軌與輪緣的磨耗，以提高車(chē)輪的使用壽命，同時(shí)降低輪對(duì)通過(guò)曲線時(shí)的噪聲。

在頭車(chē)一位轉(zhuǎn)向架前端布置有障礙物檢測(cè)及脫軌檢測(cè)裝置，用于全自動(dòng)駕駛的安全保護(hù)，如圖9所示。該裝置通過(guò)螺栓固定在轉(zhuǎn)向架端部，裝置兩側(cè)為構(gòu)架安裝支座，用于構(gòu)架端部和探測(cè)設(shè)備的連接；裝置底部為彈性方形檢測(cè)梁，中部為位移傳感器控制箱和高度調(diào)整裝置。方形檢測(cè)梁位于軌道上方一定高度范圍內(nèi)。當(dāng)軌道上方存在障礙物時(shí)，如果障礙物尺寸和質(zhì)量較小，則方形梁可將該障礙物排出軌道；如障礙物尺寸和質(zhì)量較大，方形梁會(huì)產(chǎn)生較大縱向變形，此時(shí)位于位移傳感器控制箱內(nèi)的位移傳感器會(huì)探測(cè)到這一變形（如圖10所示），從而輸出一個(gè)列車(chē)緊急制動(dòng)信號(hào)給列車(chē)控制系統(tǒng)來(lái)引發(fā)列車(chē)的緊急停車(chē)，以保護(hù)車(chē)輛安全。

脫軌檢測(cè)裝置與障礙物檢測(cè)裝置集成在一起，只是當(dāng)列車(chē)脫軌時(shí)由方形檢測(cè)梁的垂向變形來(lái)觸發(fā)列車(chē)的緊急制動(dòng)。

圖9 障礙物檢測(cè)及脫軌檢測(cè)裝置

圖10 位移傳感器控制箱

3 分析計(jì)算

3.1 構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13749及用戶(hù)合同要求，采用ANSYS軟件對(duì)構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析。分析采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)單元均有3個(gè)方向自由度，單元模型如圖11所示。構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算采用對(duì)15個(gè)載荷工況進(jìn)行了分析，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有超出構(gòu)架材料屈服強(qiáng)度的點(diǎn)，表明構(gòu)架靜強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)及合同要求。圖12為構(gòu)架縱向超常載荷計(jì)算結(jié)果。

采用疲勞損傷累積理論根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7608對(duì)構(gòu)架疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。構(gòu)架的疲勞損傷系數(shù)取決于按照BS 7608指定給構(gòu)架每處焊縫的焊縫等級(jí)。圖13是基于較低的焊縫等級(jí)F2計(jì)算的構(gòu)架疲勞損傷結(jié)果。針對(duì)疲勞損傷大于0.7的區(qū)域，可以通過(guò)焊縫打磨及鎢極氬弧焊重熔，來(lái)提高焊縫的疲勞強(qiáng)度，使得構(gòu)架各處的損傷累積均在1.0以下，以滿(mǎn)足構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的要求。

圖11 構(gòu)架單元模型

圖12 框架縱向超常載荷計(jì)算結(jié)果

圖13 F2焊縫等級(jí)100%應(yīng)力范圍下的疲勞損傷

3.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

采用Vampire軟件對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，分析模型如圖14所示。分別對(duì)下列不同工況時(shí)的車(chē)輛穩(wěn)定性、傾覆安全性、扭曲軌道的輪重減載率、轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)及乘坐舒適性能進(jìn)行了分析。

工況分類(lèi)如下：

（1）A車(chē)（帶司機(jī)室動(dòng)車(chē)）和B車(chē)（不帶司機(jī)室動(dòng)車(chē)）；

（2）空氣彈簧充風(fēng)和無(wú)風(fēng)狀態(tài)；

（3）載荷狀態(tài)分別為M1（空載），M2（平均載荷），M4（滿(mǎn)載），M5（超載）；

（4）新輪和磨耗到限車(chē)輪；

（5）懸掛參數(shù)從新造到維修限度狀態(tài)。

圖14 Vampire軟件的動(dòng)力學(xué)分析模型

3.2.1 抗脫軌穩(wěn)定性

車(chē)輛的抗脫軌穩(wěn)定性計(jì)算考慮以下條件下車(chē)輛的回復(fù)阻尼系數(shù)：

（1）車(chē)輛速度在25～90 km/h；

（2）踏面等效錐度為0.05～0.45時(shí)；

（3）輪軌力為半蠕滑、3/4蠕滑及全蠕滑；

（4）懸掛參數(shù)由新造到維修限度；

（5）根據(jù)合同要求，回復(fù)阻尼系數(shù)不得小于5%。抗脫軌穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)輛在任何工況下回復(fù)阻尼系數(shù)均大于5%。

3.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性

車(chē)輛的傾覆穩(wěn)定性計(jì)算考慮了A車(chē)及B車(chē)空載時(shí)，懸掛參數(shù)由新造到維修限度時(shí)的輪重減載率，同時(shí)考慮了130 km/h橫風(fēng)及150 mm軌道曲線超高影響。抗傾覆計(jì)算時(shí)輪重減載計(jì)算結(jié)果均小于100%，如圖15所示，表明車(chē)輛在最?lèi)毫忧闆r下均無(wú)傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 扭曲軌道上的輪重減載

扭曲軌道上的輪重減載計(jì)算考慮在如圖16所示的軌道扭曲條件下，車(chē)輛在空載、空簧充風(fēng)或無(wú)風(fēng)狀態(tài)，懸掛參數(shù)從新造到維修限度時(shí)的輪重減載率。計(jì)算結(jié)果均在合同要求的限度值0.6以下。

圖15 抗傾覆計(jì)算時(shí)輪重減載率

圖16 軌道扭曲輸入

3.2.4 轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)

轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算分析了轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)角度3.19°、回轉(zhuǎn)速度0.2°/s時(shí)車(chē)輛在充風(fēng)和無(wú)風(fēng)狀態(tài)下各載荷工況的回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，所有車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)在各工況及懸掛條件下均小于0.08，見(jiàn)表1所示。

表1 不同工況下轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2.5 舒適性

車(chē)輛的乘坐舒適性計(jì)算，分析了線路條件、線路不平順及速度曲線下的舒適性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12299進(jìn)行評(píng)估。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：無(wú)論是懸掛參數(shù)處于正常狀態(tài)還是極限狀態(tài)，在空簧充風(fēng)時(shí)，車(chē)輛舒適性均能達(dá)優(yōu)秀等級(jí)；即使空簧無(wú)風(fēng)時(shí)，車(chē)輛舒適性指數(shù)也能達(dá)到良好等級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

該轉(zhuǎn)向架的研發(fā)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)全自動(dòng)無(wú)人駕駛車(chē)輛用轉(zhuǎn)向架的空白，為我國(guó)在全自動(dòng)無(wú)人駕駛車(chē)輛領(lǐng)域的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同工況下車(chē)輛舒適性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)向架設(shè)置了全自動(dòng)無(wú)人駕駛獨(dú)有的障礙物及斷軌檢測(cè)裝置。該裝置結(jié)構(gòu)布置緊湊合理，便于日常檢修及維護(hù)，確保了車(chē)輛全自動(dòng)運(yùn)行的安全。

構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算表明，各工況下的靜強(qiáng)度應(yīng)力均未超出材料屈服強(qiáng)度，構(gòu)架不會(huì)出現(xiàn)永久變形；疲勞強(qiáng)度計(jì)算表明，構(gòu)架的疲勞壽命滿(mǎn)足40年使用壽命的要求。

動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向架的抗脫軌穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、扭曲軌道輪重減載率、回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)及舒適性指數(shù)均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及合同要求，動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)良。

目前，該轉(zhuǎn)向架已正式上線運(yùn)營(yíng)。其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，可靠性高，乘坐舒適性好，得到了乘客及用戶(hù)的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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