工藝轉(zhuǎn)向架總體方案和牽引/制動計算

李濤，陳選民，鄧景山，陸超，景小鋒

工藝轉(zhuǎn)向架總體方案和牽引/制動計算

李濤1，陳選民1，鄧景山2，陸超1，景小鋒2

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院 機車車輛學院，廣東 廣州 510430； 2.廣州地鐵集團有限公司 運營事業(yè)總部，廣東 廣州 510000）

對地鐵車輛檢修用工藝轉(zhuǎn)向架進行了研究，開發(fā)了一種新型工藝轉(zhuǎn)向架組，該工藝轉(zhuǎn)向架組由動力工藝轉(zhuǎn)向架和非動力工藝轉(zhuǎn)向架組成，能夠適應不同廠家車輛車體的架修要求。地鐵車輛檢修時，車體和轉(zhuǎn)向架分離，工藝轉(zhuǎn)向架組支撐車體，運載到指定檢修區(qū)間。介紹了工藝轉(zhuǎn)向架優(yōu)點和總體方案；對工藝轉(zhuǎn)向架進行了牽引計算和制動計算，計算結(jié)果表明，工藝轉(zhuǎn)向架組牽引地鐵車輛車體在平直軌道上行駛時，不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；動力工藝轉(zhuǎn)向架組牽引地鐵車輛車體在平直濕滑軌道上行駛并采取制動措施時，也不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

工藝轉(zhuǎn)向架；總體方案；牽引計算；制動計算

地鐵車輛經(jīng)過一定時期的運行，各部件會發(fā)生磨耗、變形或損壞，為了使地鐵車輛在良好狀態(tài)下穩(wěn)定可靠地運行，延長使用期限，必須進行有計劃的檢查和檢修。在檢修轉(zhuǎn)向架時，把車體和轉(zhuǎn)向架分離后，采用工藝轉(zhuǎn)向架替換轉(zhuǎn)向架，牽引并承載地鐵車輛車體，完成車體在各檢修區(qū)的檢修任務[1-4]。

本文開發(fā)了一種新型工藝轉(zhuǎn)向架組分為動力工藝轉(zhuǎn)向架和非動力工藝轉(zhuǎn)向架兩類。動力工藝轉(zhuǎn)向架采用電力驅(qū)動，只需1～2人操作，降低了人力成本，提高了生產(chǎn)效率，效益顯著。而目前大部分采用非動力工藝轉(zhuǎn)向架，一種是通過人力推動工藝轉(zhuǎn)向架負載車體，需要7～8人協(xié)同完成，推車過程中還有可能發(fā)生磕碰事故，存在安全隱患，生產(chǎn)效率較低；另一種是采購軌道牽引車牽引工藝轉(zhuǎn)向架，設備購置成本高。

工藝轉(zhuǎn)向架組適應性廣，可多自由度調(diào)節(jié)，適應不同廠家的車輛車體的架修要求：軸距可調(diào)，能滿足不同型號的架車機支撐工藝轉(zhuǎn)向架的使用要求；橫向和縱向定位裝置采用無級調(diào)節(jié)，可滿足不同車型地鐵車輛對位；支撐定位裝置的安裝座可橫向滑動，可滿足不同車型地鐵車輛支撐。工藝轉(zhuǎn)向架能夠適應不同車型，采購工藝轉(zhuǎn)向架種類少，占用空間小，采購和維護成本低。

1 工藝轉(zhuǎn)向架組總體方案

新型工藝轉(zhuǎn)向架組設計參數(shù)如表1所示。

表1 新型工藝轉(zhuǎn)向架組設計參數(shù)

工藝轉(zhuǎn)向架組由動力工藝轉(zhuǎn)向架和非動力工藝轉(zhuǎn)向架組成，作業(yè)時由一臺動力工藝轉(zhuǎn)向架與一或兩臺非動力工藝轉(zhuǎn)向架組對，共同支撐一輛地鐵車輛的車體運行。動力工藝轉(zhuǎn)向架（圖1）主要包括構(gòu)架、驅(qū)動機構(gòu)、主動走行機構(gòu)、從動走行機構(gòu)、支撐定位裝置、電源、電氣控制系統(tǒng)和附件等[5-7]。非動力工藝轉(zhuǎn)向架（圖2）主要包括構(gòu)架、從動走行機構(gòu)和支撐定位裝置等。動力工藝轉(zhuǎn)向架與非動力工藝轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、支撐定位裝置、走行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)可以通用。

1.構(gòu)架 2.驅(qū)動機構(gòu) 3.主動走行機構(gòu) 4.從動走行機構(gòu) 5.支撐定位裝置 6.電源 7.電氣控制系統(tǒng)和附件

1.構(gòu)架 2.從動走行機構(gòu) 3.支撐定位裝置

構(gòu)架（圖3）主要由標準型材和鋼板焊接而成，包括一根中央橫梁和二根側(cè)梁。構(gòu)架側(cè)梁下蓋板上設有2300/2500 mm兩套軸距安裝孔，橫梁上的懸吊裝置安裝座有兩個安裝孔。將走行機構(gòu)的軸箱定位裝置（圖4）聯(lián)接不同安裝孔，懸吊裝置安裝在相應的安裝孔內(nèi)，即可獲得2300/2500 mm的軸距。

圖3 構(gòu)架

圖4 軸箱定位裝置

支撐定位裝置由安裝座、安全定位裝置和承載托盤裝置等組成。安全定位裝置上設有縱向和橫向伸縮機構(gòu)，可以夾緊地鐵車輛的牽引座，承載托盤可以橫向滑動，以適應不同廠家的車輛。

走行機構(gòu)分為主動走行機構(gòu)和從動走行機構(gòu)。主動走行機構(gòu)設置于動力工藝轉(zhuǎn)向架上，由軸箱定位裝置、軸箱緩沖橡膠墊、軸箱、輪軸組成、長、短聯(lián)軸套及扭矩銷等組成，通過驅(qū)動裝置牽引地鐵車輛車體自行。從動走行機構(gòu)只有一根聯(lián)軸套。

驅(qū)動裝置由車軸齒輪箱、永磁無刷直流電機和懸掛裝置等組成。車軸齒輪箱的輸出軸嵌入主動走行機構(gòu)的軸套中，形成抱軸結(jié)構(gòu)。永磁無刷直流電機安裝在車軸齒輪箱體的高速端，其后端部安裝有制動器，斷電時，制動器制動。懸吊裝置彈性吊掛在工藝轉(zhuǎn)向架的懸吊梁上，安裝結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠。

電源由直流電壓48 V的磷酸鐵鋰電池組和充電機等組成。當蓄電池組電量不足、處于虧電狀態(tài)時，電量運行器就會顯示紅色，提示及時充電。采用智能自動鋰電專用充電機，可根據(jù)蓄電池的充電特性曲線，自動對蓄電池的充電電流、電壓和時間進行設置并自動充電，蓄電池充滿電后，自動停止充電。

電氣控制系統(tǒng)由走行控制系統(tǒng)、充電控制系統(tǒng)和安全警示系統(tǒng)等組成。電氣主控柜、走行控制柜、操作手柄、緊急按鈕和警示燈均采用礦用防爆型結(jié)構(gòu)，防護等級IP65。動力工藝轉(zhuǎn)向架分為線遙控和面板控制兩種運行方式。

附件由電源箱體、電氣控制柜體和連掛裝置等組成。蓄電池箱和充電機走行控制箱具有防水防爆功能和良好通風散熱能力。蓄電池箱底部開有進氣孔，上側(cè)面開有排氣孔。散熱孔采用內(nèi)藏式，可防止沖洗水噴入，進排氣孔處采用金屬網(wǎng)柵進行隔爆。蓄電池組上方設有金屬網(wǎng)柵進行隔爆。充電走行控制箱內(nèi)裝有電氣主控柜、充電機和走行控制柜。電氣主控柜和走行控制柜也采用礦用防爆箱結(jié)構(gòu)，外側(cè)開有推拉門，方便充電插頭、遙控手柄及線纜收納。

2 牽引計算

根據(jù)TB/T 1407－1998《列車牽引計算規(guī)程》[8]和相關(guān)文獻[9-10]進行車輛牽引計算。

一臺動力工藝轉(zhuǎn)向架、一臺非動力工藝轉(zhuǎn)向架和地鐵車輛的車體組成臨時車輛，由動力工藝轉(zhuǎn)向架牽引，在平直軌道上運行。

2.1 車輛啟動單位基本阻力

參照《列車牽引計算規(guī)程》[8]2.4.1車輛起動單位基本阻力ω'，動力工藝轉(zhuǎn)向架與非動力工藝轉(zhuǎn)向架走行機構(gòu)類似，起動阻力相同，臨時車輛的起動基本阻力ω'取為5 N/kN。

2.2 車輛附加阻力

（1）坡道附加阻力ω：臨時車輛在平直軌道上運行，坡道坡度為0，根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》[8]（2-24），ω＝，故ω＝0。

（2）曲線附加阻力ω：臨時車輛在車間直線上運行，故ω＝0；

（3）隧道附加阻力ω：臨時車輛車間內(nèi)運行，無隧道，故ω＝0；

故根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》[8]（2-29），加算附加阻力ω＝ω＋ω＋ω＝0。

2.3 車輛啟動運行單位總阻力ωq

ω＝ω＋ω'＝5 N/kN，即為5‰。

2.4 輪周牽引力、運行阻力和計算粘著牽引力

一個動力工藝轉(zhuǎn)向架包括一條主動輪對與一條從動輪對。主動輪對上安裝YP132B5-48V 3.0-600型電機，電機上的制動盤制動力轉(zhuǎn)矩為電機額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。根據(jù)使用經(jīng)驗，車軸齒輪箱的傳動效率＝85%。

則電機功率為：

式中：為電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；為轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）推導出：

計算得：＝47.75 N·m。

電機經(jīng)過車軸齒輪箱減速后，車軸齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩T為：

式中：為車軸齒輪箱傳動比；為車軸齒輪箱的傳動效率。

計算得：T＝1294.3 N·m。

車軸齒輪箱的輸出軸與主動輪軸組成采用軸套與扭矩銷聯(lián)接，輸出轉(zhuǎn)矩直接傳送至主動輪軸組成的車輪上，主動輪軸組成的車輪圓周轉(zhuǎn)矩等于車軸齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩。

該轉(zhuǎn)矩輸出的輪周牽引力1為：

式中：0為新輪輪徑，mm。

計算得：1＝5177.2 N。

該臨時車輛的總質(zhì)量P為：

式中：01為動力工藝轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，t；02為非動力工藝轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，t；03為車體質(zhì)量，t。

計算得：P＝33.3 t。

該臨時車輛在平直軌道上運行時的運行總阻力2為：

式中：P為臨時車輛總質(zhì)量，t；為重力加速度，m/s2；w為臨時車輛啟動運行單位總阻力。

計算得：2＝1633.4 N。

由于地鐵車輛結(jié)構(gòu)基本是對稱的，因此前、后兩個轉(zhuǎn)向架各承載一半車體的質(zhì)量，即動力轉(zhuǎn)向架承受的載荷1為：

計算得：1＝137340 N。

動力工藝轉(zhuǎn)向架自重2為：

計算得：2＝30214.8 N。

動力轉(zhuǎn)向架為兩軸結(jié)構(gòu)設計，結(jié)構(gòu)基本是對稱的，因此主動輪軸組成承受載荷為該轉(zhuǎn)向架自重與其承載的一半，即主動輪軸組成承受的載荷3為：

計算得：3＝83777.4 N。

由于主動輪軸組成承受的載荷通過車輪組成全部作用在鋼軌上，因此主動輪軸組成載荷就是主動輪軸組成的粘著重量。

參照《列車牽引計算規(guī)程》[8]5.2.1.1國產(chǎn)各型電力機車的計算粘著系數(shù)μ為：

式中：為工藝轉(zhuǎn)向架組最大行走速度，km/h。

計算得：μ＝0.345。

主動輪軸組成的計算粘著牽引力3為：

計算得：3＝28903.2 N。

通過以上計算，得出粘著牽引力3＞＞輪周牽引力1＞＞運行阻力2，動力工藝轉(zhuǎn)向架可以滿足其牽引地鐵車輛的車體在平直軌道上行駛的動力要求，不會出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。

3 制動計算

3.1 電機主軸輸出的制動力矩

當電機接到制動指令時，電機停止工作，制動盤制動，電機主軸輸出的制動力矩T為：

計算得：T＝71.63 N·m。

3.2 車軸齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩

電機經(jīng)過車軸齒輪箱減速后，車軸齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩T為：

計算得：T＝2687.4 N·m。

3.3 輪周制動力

車軸齒輪箱的輸出軸與主動輪軸組成采用軸套與扭矩銷相聯(lián)，車軸齒輪箱輸出的制動轉(zhuǎn)矩直接傳遞至主動輪軸組成的車輪上。該制動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的輪周制動力F為：

計算得：F＝10749.6 N。

3.4 臨時車輛的總制動力

臨時車輛的總制動力F為制動力矩產(chǎn)生的輪周制動力與運行總阻力之和，即：

計算得：F＝12383 N。

3.5 制動粘著系數(shù)

計算得：μ＝0.152。

3.6 制動粘著力

主動輪軸組成的輪軌制動粘著力F0為：

計算得：F0＝12734.2 N。

通過以上計算可知，輪周制動力F小于制動粘著力F0，動力工藝轉(zhuǎn)向架牽引地鐵車輛的車體在平直濕滑軌道上行駛并采取制動措施時，主動輪軸組成的車輪制動時不打滑。

4 現(xiàn)場應用

2018年底，在廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部基地維修中心車輛大修部（以下簡稱車輛大修部）完成了工藝轉(zhuǎn)向架組牽引車體走行試驗（如圖5所示）、制動試驗、車體落在轉(zhuǎn)向架上對位等試驗，試驗結(jié)果表明，工藝轉(zhuǎn)向架各項性能均滿足要求。

圖5 工藝轉(zhuǎn)向架組牽引車體走行試驗

該新型工藝轉(zhuǎn)向架在車輛大修部的試用報告結(jié)論如下：

（1）該工藝轉(zhuǎn)向架軸距可調(diào)、支撐裝置間距可調(diào)、中心銷定位裝置可調(diào)，接口與廣州地鐵A2、A5型車接口匹配；

（2）該工藝轉(zhuǎn)向架與廣州地鐵西朗車輛段架車機、移車臺、軌道（試驗段）接口匹配；

（3）該工藝轉(zhuǎn)向架的承載能力、牽引力及制動力滿足廣州地鐵A2、A5型車車重要求；

（4）該工藝轉(zhuǎn)向架采用電力驅(qū)動，使用方便，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。

5 結(jié)束語

根據(jù)地鐵車輛檢修需求設計了一種新型工藝轉(zhuǎn)向架，該工藝轉(zhuǎn)向架采用電力驅(qū)動，可多自由度調(diào)節(jié)，能夠適應不同廠家車輛車體的架修要求，可提高自動化程度和生產(chǎn)效率，減輕工人勞動，工藝轉(zhuǎn)向架采購種類少，占用空間少，采購和維護成本低。對工藝轉(zhuǎn)向架進行了牽引計算和制動計算和試驗，計算和試驗結(jié)果均滿足要求。

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Overall Scheme of Process Bogie and Traction/Brake Calculation

LI Tao1，CHEN Xuanmin1，DENG Jingshan2，LU Chao1，JING Xiaofeng2

( 1.Locomotive and Rolling Stock College, Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou 510430, China; 2.Operation Headquarter, Guangzhou Metro Group Co., Guangzhou 510000, China )

In this paper, the process bogie used for subway vehicle maintenance is studied, and a new process bogie set is developed, which is composed of power process bogie and non-power power bogie and can adapt to different intermediate repair requirements of vehicle bodies of different manufacturers. During the maintenance of subway vehicles, the vehicle body and the bogie are separated, the process bogie set supports the vehicle body, and the vehicle is carried to the designated maintenance area. Besides, the advantages and overall scheme of the process bogie are introduced; the traction calculation and braking calculation of the process bogie are carried out and the results show that when the process bogie set draws the body of the subway vehicle on a straight track, there will be no skidding; when the body of the subway vehicle is drawn by the bogie set on a straight and slippery track and the braking measures are taken, there will be no skidding, either.

process bogie；overall scheme；traction calculation；braking calculation

U279.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.007

1006－0316 (2020) 11－0043－06

2020－03－18

2017年廣東省教育廳應用研究重大項目：地鐵車輛檢修用工藝轉(zhuǎn)向架（2017GKZDXM009）；廣州市教育局2018年高校科研項目：軌道交通機車車輛檢修裝備研發(fā)創(chuàng)新團隊（201831844）；廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院新引進人才科研啟動項目（GTXYR1701）；機車車輛應用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心項目

李濤（1975－），男，湖南衡陽人，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為機車車輛轉(zhuǎn)向架設計，E-mail：litao98512@126.com。