QS ZQJ-12?型防傾覆地鐵橋梁檢查車(chē) 轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)

蔡峰 張曉峰 袁瑞文

摘 要：介紹一種具有防傾覆功能的地鐵橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架，包括其組成、主要技術(shù)參數(shù)、各部件及特點(diǎn);然后通過(guò)進(jìn)行防傾覆計(jì)算，為液壓系統(tǒng)中油壓閾值的選擇和鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);最后通過(guò)進(jìn)行廠(chǎng)內(nèi)傾覆試驗(yàn)，驗(yàn)證該車(chē)輛的防傾覆功能滿(mǎn)足使用要求。

關(guān)鍵詞：地鐵;橋梁檢查車(chē);轉(zhuǎn)向架;防傾覆;結(jié)構(gòu)部件;技術(shù)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U273.3

QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)（ 橫向最大檢測(cè)范圍為12 m ）是2018年中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司為廣州地鐵集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的一種滿(mǎn)足地鐵橋梁檢查作業(yè)要求的工程車(chē)。該工程車(chē)上部裝有橋梁檢測(cè)設(shè)備。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行橋梁檢查作業(yè)時(shí)，裝有檢查人員的吊籃通過(guò)機(jī)械臂伸至橋梁底部，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車(chē)輛產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，此時(shí)車(chē)輛容易發(fā)生傾覆側(cè)翻，因此該橋梁檢查車(chē)必須具有防傾覆功能，這對(duì)該車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的一系和二系懸掛提出了新的設(shè)計(jì)要求。

1 組成及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 組成

QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、軸箱懸掛裝置、輪對(duì)、旁承、牽引裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、電機(jī)懸掛裝置、附件等組成，如圖1所示。與既有工程車(chē)轉(zhuǎn)向架不同，通過(guò)在一系和二系懸掛中分別設(shè)計(jì)鎖緊機(jī)構(gòu)和頂車(chē)油缸，使車(chē)輛在檢查作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)向架的一系和二系懸掛均處于剛性連接，從而平衡車(chē)輛的偏轉(zhuǎn)力矩，可有效避免車(chē)輛的傾覆。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 主要部件及特點(diǎn)

2.1 構(gòu)架

構(gòu)架采用鋼板焊接形成的箱形梁結(jié)構(gòu)，主要由側(cè)梁、橫梁、連接梁及各安裝座焊接而成，如圖2所示。為安裝一系鎖緊機(jī)構(gòu)頂車(chē)油缸，在構(gòu)架側(cè)梁下蓋板留有頂車(chē)油缸安裝接口;為節(jié)約空間，軸箱拉桿座和制動(dòng)座設(shè)計(jì)成一組合座;為防止二系油缸損壞而影響整車(chē)防傾覆功能，在構(gòu)架兩端側(cè)梁上設(shè)計(jì)有二系垂向止擋座，以安裝二系垂向止擋。

構(gòu)架整體焊接后退火，保證去除焊接應(yīng)力。構(gòu)架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度有限元分析表明，該構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 軸箱懸掛裝置

軸箱懸掛裝置主要由軸箱體、減振墊、下彈簧座、軸箱彈簧、上彈簧座、一系減振器、軸箱拉桿組件、吊鉤、一系頂車(chē)油缸、支架、軸箱軸承等組成，如圖3所示。軸箱懸掛裝置采用單拉桿軸箱彈性定位結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸箱配有2個(gè)單圈彈簧和1個(gè)油壓減振器以衰減垂向振動(dòng);每個(gè)軸箱與構(gòu)架之間設(shè)計(jì)有一系頂車(chē)油缸及鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)由安裝在構(gòu)架上的吊鉤和安裝在軸箱體上的支架組成。當(dāng)車(chē)輛在橋梁上檢查作業(yè)時(shí)，一系頂車(chē)油缸伸出至軸箱體上平面的磨耗板上并使構(gòu)架上升20 mm，此時(shí)吊鉤鎖緊，一系懸掛處于剛性連接狀態(tài)。此時(shí)一系頂車(chē)油缸的額定油壓為20 MPa，行程為65 mm，經(jīng)計(jì)算分析在此油壓下，構(gòu)架上部可抬升至吊鉤鎖緊，同時(shí)不會(huì)破壞鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.3 輪對(duì)

輪對(duì)由車(chē)軸和車(chē)輪組成，如圖4所示。車(chē)輪采用全加工整體輾鋼輪，新輪直徑為840 mm，車(chē)輪踏面采用LM型;車(chē)軸采用鍛造碳素鋼實(shí)心車(chē)軸。輪對(duì)壓裝方法采用冷壓方式。

2.4 旁承及二系頂車(chē)油缸

旁承采用4個(gè)二系橡膠堆承載，配備了2個(gè)二系橫向油壓減振器，如圖5所示。為了使車(chē)輛具有防傾覆功能，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車(chē)體之間設(shè)計(jì)有4個(gè)二系頂車(chē)油缸。當(dāng)車(chē)輛在橋梁上檢查作業(yè)時(shí)，二系頂車(chē)油缸伸至構(gòu)架上平面磨耗板上并使車(chē)體上升5 mm，此時(shí)二系頂車(chē)油缸已伸出至全行程，車(chē)體上升高度小于橡膠堆的靜撓度，轉(zhuǎn)向架二系懸掛趨于剛性連接狀態(tài)。同時(shí)，為防止二系頂車(chē)油缸失效而影響車(chē)輛防傾覆功能，在構(gòu)架的兩側(cè)設(shè)計(jì)有起保護(hù)作用的垂向止擋。二系頂車(chē)油缸的額定油壓為20 MPa，行程為25 mm。在此行程下，可確保二系頂車(chē)油缸和橡膠堆同時(shí)承載，以減小二系頂車(chē)油缸的承載力，延長(zhǎng)二系頂車(chē)油缸的使用壽命。

2.5 牽引裝置

牽引裝置由中心銷(xiāo)、牽引桿裝配、牽引塊等組成，如圖6所示。牽引裝置采用中央牽引的方式，2個(gè)牽引桿呈Z字形布置，牽引銷(xiāo)與車(chē)體之間通過(guò)螺栓連接，牽引桿與構(gòu)架橫梁下蓋板通過(guò)橡膠關(guān)節(jié)連接。牽引銷(xiāo)上部采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，下面錐形部分鍛造成形，機(jī)加工后與上部組焊在一起。

2.6 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用帶閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)器的獨(dú)立制動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、杠桿少、方便運(yùn)用和維修等特點(diǎn)。基礎(chǔ)制動(dòng)為單側(cè)踏面制動(dòng)，每軸安裝1個(gè)帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)器和1個(gè)常用單元制動(dòng)器，呈轉(zhuǎn)向架中心對(duì)稱(chēng)布置，每個(gè)單元制動(dòng)器通過(guò)螺栓固定在構(gòu)架的制動(dòng)座上。

2.7 電機(jī)懸掛裝置

電機(jī)懸掛裝置采用撓性浮動(dòng)齒式聯(lián)軸節(jié)傳遞動(dòng)力的架懸結(jié)構(gòu)，牽引電機(jī)吊掛于構(gòu)架橫梁上的電機(jī)吊座上，撓性浮動(dòng)齒式聯(lián)軸節(jié)一端與電機(jī)輸出端連接，另一端和齒輪箱中的主動(dòng)齒輪連接。齒輪箱一端吊掛于橫梁上的齒輪箱吊座上，另一端通過(guò)2個(gè)軸承抱于車(chē)軸上。2套電機(jī)懸掛裝置呈中心對(duì)稱(chēng)布置。電機(jī)懸掛裝置由電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱裝配等組成，如圖7所示。

3 防傾覆計(jì)算

通過(guò)分析各工況下QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)的防傾覆能力，需分別計(jì)算一系和二系頂車(chē)油缸以及鎖緊吊鉤的受力情況，以便確定每種工況下頂車(chē)油缸所需的最小油壓和鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為液壓系統(tǒng)中油壓閾值的選擇和鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。計(jì)算假定條件為：最大傾覆力矩為橫向作用的力偶，縱向均勻作用于車(chē)輛上部（即不考慮橋梁檢查設(shè)備工作機(jī)構(gòu)的縱向作用力偶）。

3.1 工況定義

根據(jù)QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)實(shí)際運(yùn)用情況分析，各工況定義如表2所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)防傾覆計(jì)算參數(shù)如表3所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果

以表2中工況最?lèi)毫拥牡?工況為例介紹計(jì)算過(guò)程，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。此工況下橋檢設(shè)備工作機(jī)構(gòu)全部伸出至最大偏矩處，車(chē)輛處于曲線(xiàn)外側(cè)超高150 mm軌道上，同時(shí)受最大側(cè)風(fēng)作用（用戶(hù)要求校核風(fēng)速12.5 m/s）。此工況下工作機(jī)構(gòu)引起最大偏距MP1為138.6 kN · m;同時(shí)由于車(chē)輛位于外側(cè)超高的軌道上，除工作機(jī)構(gòu)伸出部分質(zhì)量外，車(chē)輛剩余質(zhì)量重心發(fā)生了Δl = 151.3 mm的橫向偏移，車(chē)輛剩余質(zhì)量自身引起一定偏距MS;另外，受最大側(cè)風(fēng)作用，對(duì)車(chē)輛也產(chǎn)生一定偏距MF。鑒于以上3種偏距的影響，車(chē)輛兩側(cè)車(chē)輪的受力發(fā)生變化，產(chǎn)生增載和減載現(xiàn)象。

第5工況下的計(jì)算過(guò)程利用了第2工況下的計(jì)算結(jié)果，具體載荷計(jì)算如下。

（1）計(jì)算表2中第2工況下的結(jié)果。一系油缸輸出力Foil恒定（油缸內(nèi)額定工作油壓為20 MPa），為：

（1）

一系油缸鎖緊后，一系吊鉤鎖緊內(nèi)力F1為：

（2）

為保持一系吊鉤始終有鎖緊內(nèi)力，一系油缸所需的最小油壓P1為：

（3）

為保持二系油缸始終達(dá)到最大行程，二系油缸所需的最小油壓P2為：

（4）

（2）車(chē)輛位于外側(cè)超高軌道上時(shí)，車(chē)輛剩余部分質(zhì)量所引起的偏距MS為：

（5）

（3）最大側(cè)風(fēng)對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的偏距MF為：

（6）

（4）受工作機(jī)構(gòu)最大偏距、車(chē)輛位于外側(cè)超高軌道上以及最大側(cè)風(fēng)的影響，車(chē)輛兩側(cè)車(chē)輪受力變化值ΔF0、一系吊鉤受力變化值ΔF1、二系油缸支承力變化值ΔFoil分別為：

（7）

（8）

（9）

（5）此工況下一系油缸鎖緊后，一系吊鉤最大鎖緊內(nèi)力發(fā)生在減載側(cè)，最大鎖緊內(nèi)力F1 max為：

F1 max = F1 + Δ F1 = 45.2 + 24.4 = 69.6 kN? ? ? ? ?（10）

（6）為保持一系吊鉤有鎖緊內(nèi)力，一系油缸所需最小油壓P1 min為：

（11）

（7）為保持二系油缸達(dá)到最大行程（車(chē)體上升5 mm），二系油缸所需最小油壓P2 min為：

（12）

（8）此工況下車(chē)輛在減載側(cè)發(fā)生了輪重減載，輪重減載率η為：

（13）

各工況下的載荷計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，從表中可以看出：

（1）車(chē)輛在工況最?lèi)毫拥牡?工況下，車(chē)輛輪重減載最大，最大輪重減載率為58%，車(chē)輛不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

（2）在工作油壓20 MPa情況下，一系吊鉤最大鎖緊內(nèi)力為69.6 kN，一系吊鉤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需滿(mǎn)足此最大力的要求。

（3）為保持車(chē)輛在不同工況下一系吊鉤鎖緊、二系油缸伸出至最大行程，一系油缸所需的最小油壓為13.7 MPa，二系油缸所需的最小油壓為14 MPa，液壓系統(tǒng)的油壓不得低于14 MPa。

（4）車(chē)輛在不同工況下承受側(cè)風(fēng)的能力不同，其中在第4工況下車(chē)輛承受側(cè)風(fēng)能力最弱，所能承受的最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速為56.9 m/s，滿(mǎn)足用戶(hù)地區(qū)的天氣條件要求。

4 傾覆試驗(yàn)

根據(jù)與用戶(hù)簽訂的合同要求，橋梁檢查車(chē)在曲線(xiàn)超高為150 mm、吊籃承受最大荷載為280 kg的情況下，車(chē)輛不發(fā)生傾覆。傾覆試驗(yàn)示意圖如圖9所示，分為垂直向下檢查、橋下水平范圍檢查、跨越聲屏障工作、豎直向上檢查和橋梁側(cè)面檢查共5種工況，其中橋梁側(cè)面檢查工況下的偏轉(zhuǎn)力矩最大，車(chē)輛最容易發(fā)生傾覆。經(jīng)廠(chǎng)線(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪在試驗(yàn)各個(gè)工況過(guò)程中始終保持與鋼軌接觸，試驗(yàn)中各零部件運(yùn)行正常，橋梁檢查車(chē)達(dá)到了穩(wěn)定檢查作業(yè)的試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

QS ZQJ-12型橋梁檢查車(chē)轉(zhuǎn)向架是在既有工程車(chē)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行的適應(yīng)性改進(jìn)，因其特殊的橋梁檢查工況要求，通過(guò)分別在轉(zhuǎn)向架一系和二系之間設(shè)計(jì)頂車(chē)油缸及鎖緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的防傾覆功能，達(dá)到了橋梁檢查穩(wěn)定作業(yè)的要求。目前該車(chē)已交付用戶(hù)，得到了用戶(hù)的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

[1] 鮑維千. 機(jī)車(chē)總體及轉(zhuǎn)向架[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2] 嚴(yán)雋耄. 車(chē)輛工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[3] 周毅. 鐵路橋梁檢查車(chē)[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012（8）：23-30.

[4] 王伯銘. 城市軌道交通車(chē)輛總體及轉(zhuǎn)向架[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[5] 張健. GK2C型機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012（2）：18-20.

[6] 段華東，李云召，蔣忠城. 基于Ansys WorkBench的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2014，（9）：31-33.

[7] 劉曉雪，楊睿璋，佟維. 基于動(dòng)應(yīng)力計(jì)算的構(gòu)架疲勞壽命分析[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012（6）：27-30.

[8] 賈群義. 滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].陜西西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[9] 康宇. 一系縱向變剛度定位裝置及其動(dòng)力學(xué)影響研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2016.

[10] 劉中彥，丁捷. 港鐵超聲波檢測(cè)車(chē)二系懸掛橫向參數(shù)的研究與優(yōu)化[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2018（8）：21-25.

[11] 高旭. 內(nèi)燃機(jī)車(chē)空氣制動(dòng)機(jī)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[12] 饒忠. 列車(chē)制動(dòng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[13] 羅赟，羅世輝，金鼎昌. 架懸機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置懸掛參數(shù)及結(jié)構(gòu)的研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26（5）：57-61.

[14] 成軍強(qiáng)，祝航. 某型地鐵齒輪箱有限元模態(tài)分析及試驗(yàn)研究[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2018（6）：32-33.

[15] 郝宇. 兩種軸式轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比分析[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2018（2）：17-22.

[16] 李海濱，唐松柏. GMC96B型鋼軌打磨車(chē)試驗(yàn)研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2011，39（12）：38-44.

[17] 黃海軍，張飛龍. 橋梁檢測(cè)車(chē)在城市軌道交通的應(yīng)用分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2017（20）：68-69.

[18] 郭揚(yáng)艷，葉施，韋強(qiáng). 軌道交通橋梁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（3）：68-70.

[19] 趙得智. 某桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)上車(chē)結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)[D].河北秦皇島：燕山大學(xué)，2019.

[20] 李谷，馬曉寧，婁超，等. 廈門(mén)地鐵綜合檢測(cè)車(chē)設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2017（2）：38-41.

[21] 周兵. 地鐵車(chē)振對(duì)高鐵橋梁影響研究[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2010（3）：37-39.

收稿日期 2019-12-23

責(zé)任編輯 黨選麗

Bogie design of Type QS ZQJ-12 anti-capsizing metro bridge inspection vehicle

Cai Feng， Zhang Xiaofeng， Yuan Ruiwen

Abstract： This paper introduces a kind of bogie with anti-capsizing function， including its composition， main technical parameters， components and characteristics. It provides theoretical basis for the selection of hydraulic system oil pressure threshold and the structural design of locking mechanism through anti-capsizing calculation. In conclusion， it verifies the anti-capsizing function of the vehicle to meet the use requirements through in-works capsizing test.

Keywords： subway， bridge inspection vehicle， bogie， anti-capsizing， structural components， technical parameters