地鐵車轉(zhuǎn)向架優(yōu)化設(shè)計研究

何 星

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

1 現(xiàn)狀分析

隨著國內(nèi)社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，越來越多的城市開通了地鐵線路，隨著地鐵線路的快速延伸，線路區(qū)間也在變長，地鐵運用部門要求各類工程車輛能夠快速到達(dá)作業(yè)地點并可以迅速轉(zhuǎn)場作業(yè)。為了滿足此要求，在借鑒了Y25型貨車轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了某地鐵車轉(zhuǎn)向架研發(fā)設(shè)計，設(shè)計自行速度80 km/h，連掛速度100 km/h。理論上可以滿足地鐵車作業(yè)的快速作業(yè)和轉(zhuǎn)場要求。

Y25型轉(zhuǎn)向架是由法國鐵路部門開發(fā)研制的，是一種采用一系軸箱懸掛系統(tǒng)及單腹板焊接構(gòu)架的貨車轉(zhuǎn)向架，是歐洲鐵路聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)型通用貨車轉(zhuǎn)向架，設(shè)計運行速度120 km/h。分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有以下特點：H型焊接式構(gòu)架質(zhì)量變得更輕、簧下重量更??；軸箱懸掛裝置有兩級不同剛度，可適應(yīng)貨車的空載、整備狀態(tài)運行條件；軸箱懸掛裝置采用利諾爾摩擦減振器，其單側(cè)彈簧吊環(huán)在一定范圍內(nèi)的安裝傾角可方便順利地實現(xiàn)貨車空載與滿載兩種不同的工況需求[1]。

某地鐵車轉(zhuǎn)向架是在標(biāo)準(zhǔn)Y25轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上進(jìn)行改良優(yōu)化，其主要改進(jìn)點如下：（1）增加了車軸齒輪箱等驅(qū)動裝置，輪對重量增加；（2）由于是工程車輛，沒有空重車之分，因此軸箱懸掛裝置改為僅有外螺旋鋼彈簧一種剛度；（3）根據(jù)實際使用工況及地鐵車作業(yè)的特點，將吊環(huán)角度設(shè)計靠近下限值；（4）為適應(yīng)國內(nèi)地鐵市場的標(biāo)準(zhǔn)，車輪踏面采用了TB/T449規(guī)定的中國標(biāo)準(zhǔn)LM磨耗型[2]。

由于該地鐵車轉(zhuǎn)向架主要用于地鐵線路，地鐵軌道與干線鐵路相比有以下特點：（1）道床薄，軌重輕，軌道彈性較差，軸重要求嚴(yán)格；（2）曲線半徑小，曲線多，緩和曲線更短，線路坡度大，順坡率大，線路條件差。

安裝了改進(jìn)后轉(zhuǎn)向架的地鐵車在滬昆線上進(jìn)行了線路動力學(xué)性能試驗。試驗過程中在95 km/h速度級時，出現(xiàn)失穩(wěn)，距離目標(biāo)速度110 km/h有較大的差距，且動力學(xué)性能指標(biāo)未能滿足GB/T17426《鐵道特種車輛和軌行機械動力學(xué)性能評定及試驗方法》的規(guī)定[3]。可以判定，該類型轉(zhuǎn)向架無法滿足設(shè)計要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

2 主要零部件

2.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由兩側(cè)梁、橫梁和一些安裝座組成，采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成的H型構(gòu)架，在原Y25轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架如圖1所示。

圖1 地鐵車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架簡圖

2.2 輪對

該車有自走行和作業(yè)走行的要求，因此與Y25轉(zhuǎn)向架的光軸輪對相比，其在輪對上裝有車軸齒輪箱，增加了簧下質(zhì)量，輪對如圖2所示。

圖2 輪對簡圖

2.3 其他零部件

該車一系懸掛裝置選用的為利諾爾減振器，采用心盤與螺旋鋼旁承共同承載，并設(shè)有車體支撐裝置和車軸支撐裝置，保證在作業(yè)時，整車是一個剛性的整體，從而保證作業(yè)的質(zhì)量。

3 優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用分析

3.1 試驗失敗原因分析

機車車輛蛇行運動的理論臨界速度計算公式如下：

其中，（r:車輪半徑；s:左右兩滾動圓間的距離之半；ε:接觸角參數(shù)，表示接觸面斜率對于輪對橫移量的變化率；δ0：車輪與軌道接觸角；ζ：輪對中心線至輪軌接觸點的距離對于輪對橫移量的變化率；ρz：輪對對Z軸的回轉(zhuǎn)半徑；je：等效斜率；P：軸荷重；m：簧下重量；b：左右兩定位彈簧間距離之半；Kx：輪對每側(cè)的縱向定位剛度；Ky：輪對每側(cè)的橫向定位剛度）。

由于輪對上增加有車軸齒輪箱，導(dǎo)致其簧下重量較Y25轉(zhuǎn)向架簧下重量增加了約54%，亦即m變大，從公式計算其臨界速度會下降約20%；由于從錐型踏面改為了LM磨耗型踏面，錐型踏面的je約為0.05，LM磨耗型的je約為0.1，從公式計算分析，其臨界速度會下降約20%，在設(shè)計之初，吊環(huán)傾角小導(dǎo)致正壓力偏小，從而導(dǎo)致輪對的縱向定位剛度偏小，亦即Kx偏小，也會導(dǎo)致車輪的臨界速度有一定的下降。

通過對地鐵轉(zhuǎn)向架設(shè)計參數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，其實際臨界速度比Y25轉(zhuǎn)向架下降較多，符合實際試驗情況。由于踏面不可更改、簧下質(zhì)量無法減輕，為提高臨界速度，只能從提高定位剛度方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 轉(zhuǎn)向架優(yōu)化方案設(shè)計

為確保安全可靠，在采用成熟可靠的Y25轉(zhuǎn)向架技術(shù)基礎(chǔ)上，保持轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)、輪對、單元制動器、心盤、旁承等不變。其主要優(yōu)化方面如下：

軸箱懸掛裝置采用錐型橡膠簧一系懸掛定位方式，其與Y25轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛相比有如下優(yōu)點：①取消了導(dǎo)框，簡化了構(gòu)架、軸箱的結(jié)構(gòu)和制造工藝；②實現(xiàn)了輪對在縱向、橫向、垂向三個方向的彈性定位，消除了對軸箱的磨耗，改善了動力學(xué)性能；③金屬橡膠彈簧可以根據(jù)動力學(xué)性能的要求，實現(xiàn)三向不同的剛度值，不但提高了蛇行運動穩(wěn)定性，改善了運行平穩(wěn)性，更重要的是釋放了輪對的搖頭運動，減小了輪對通過曲線時的沖角，減少了輪軌磨耗；④橡膠彈簧具有吸收高頻振動的能力，提高了構(gòu)架的疲勞壽命；⑤采用斜裝的油壓減振器，可同時滿足垂向和橫向減振的需要，油壓減振器的減振效果更佳，詳見圖3。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為匹配新的懸掛裝置進(jìn)行如下更改：由導(dǎo)框定位改為了彈性定位，在原轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基礎(chǔ)上改裝錐型橡膠簧定位安裝座；并增設(shè)油壓減振器安裝座及其他安裝座，構(gòu)架簡圖詳見圖4。

圖3 錐型橡膠彈簧懸掛裝置簡圖

圖4 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架簡圖

3.3 優(yōu)化設(shè)計后效果驗證

某地鐵車在轉(zhuǎn)向架進(jìn)一步優(yōu)化整改完成后，再次在滬昆線進(jìn)行了動力學(xué)性能試驗。試驗過程中最高速度運行到110 km/h速度級時，試驗情況良好，各項指標(biāo)均滿足要求，試驗順利通過，轉(zhuǎn)向架優(yōu)化設(shè)計方案行之有效。

4 結(jié)束語

通過對原有轉(zhuǎn)向架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，不僅滿足了現(xiàn)有地鐵車的裝機使用，同時可以將該轉(zhuǎn)向架應(yīng)用到其他的地鐵工程車輛。由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行更改，其構(gòu)架的強度與剛度均沒有變化，符合相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過實踐應(yīng)用驗證，其臨界速度高，動力學(xué)性能符合要求，滿足了地鐵車快速作業(yè)和轉(zhuǎn)場的要求，為后續(xù)地鐵工程車輛類似轉(zhuǎn)向架的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)及實際運用經(jīng)驗。