新型市域快軌車輛轉向架的研制

姜明昊，穆曉軍，劉東坡，張麗，朱戡，付曹政

新型市域快軌車輛轉向架的研制

姜明昊，穆曉軍，劉東坡，張麗，朱戡，付曹政

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

介紹了一種新型市域快軌車輛轉向架的主要技術參數、各部件的基本結構特點，采用正向設計理念，對構架、枕梁、牽引梁等主要結構部件進行有限元仿真分析，完成了動力學仿真計算，并對轉向架主要部件的結構強度及動力學性能進行了試驗驗證。經過理論計算和試驗驗證，該轉向架的結構強度和動力學等各個方面的性能均滿足要求。該轉向架的研制以160 km/h市域快軌車輛轉向架為基礎，兼顧車輛最高運營速度120 km/h的A型地鐵運營需求，同時滿足200 km/h的市域/城際動車組運營需求，最終形成最大設計軸重17.5 t、最高運營速度涵蓋120～200 km/h的轉向架技術平臺。

市域快軌；轉向架；結構；計算分析；試驗驗證

市域（郊）鐵路是城市中心城區聯接周邊城鎮組團及城鎮組團之間的通勤化、快速度、大運量的軌道交通系統[1-4]，可與高鐵動車同軌站停靠，方便出行換乘[5]，是城市綜合交通體系的重要組成部分。隨著新型城鎮化建設的推進，我國已經進入了區域協同發展全面提速的時代。市域快軌為城郊協同發展和城市群的建設提供了有力支撐，在區域城市群的一體化和同城化中起著重要的基礎作用[6]。

目前國內市域快軌車輛剛剛起步[7-9]，國內主機廠均從科研角度出發進行了樣車研制和相應轉向架開發。技術基礎主要分為兩類，一是基于原A型地鐵用轉向架進行升級設計，二是基于原高速動車組用轉向架進行降級設計，但兩者都很難進行標準化推廣。因此，迫切需要在充分調研市域快軌總體要求的基礎上，開發研制一款適用于市域鐵路應用的新型市域快軌車輛轉向架。

1 轉向架主要設計原則

根據A型地鐵車輛轉向架、高速動車組轉向架及軌道車轉向架[10]成熟的設計和運用經驗，新型市域快軌車輛轉向架的設計指導原則是：在滿足市域快軌車輛運行安全、平穩的前提下，使轉向架結構簡單，磨耗少，成本低，檢修方便；同時，考慮通用性、成熟性，搭建市域（城際）動車組轉向架技術平臺。

2 轉向架主要技術參數

160 km/h市域快軌車輛轉向架主要技術參數如表1所示。

3 轉向架基本結構

新型市域快軌車輛轉向架基本結構包括：H型焊接構架、聯系枕梁、輪對軸箱、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引裝置、驅動裝置、基礎制動裝置以及輔助裝置。轉向架結構如圖1所示。

轉向架最高試驗速度為220 km/h，具有足夠的運行穩定性儲備及良好的曲線通過能力，整個轉向架結構簡單、工藝簡化、可靠性高、維修性好。

圖1 轉向架結構

3.1 構架

動、拖車構架的主體結構相同，如圖2所示，采用H型焊接結構，主體結構包括側梁、橫梁及各種吊座等，側梁、橫梁均為箱型焊接結構，構架上設二系垂向減振器座、抗側滾扭桿座、轉臂定位座、一系減振器座、牽引拉桿座、橫向減振器座、橫向止擋座、制動座、抗蛇行減振器座等，動車構架橫梁上設有電機吊座、齒輪箱吊座等。構架采用S355J2W耐候鋼板，主要安裝座采用鍛件結構。

構架焊接執行EN15085標準，焊后不進行整體退火處理，簡化生產工藝。

3.2 聯系枕梁

聯系枕梁整體為箱型焊接結構，如圖3所示，包括有上蓋板、下蓋板、外側立板、連接座、蓋板組成、筋板、車體連接座、二系垂向減振器座、抗蛇行減振器座及中心銷等。聯系枕梁兼做空氣彈簧附加氣室。聯系枕梁采用S355J2W耐候鋼板，車體連接座、抗蛇行減振器座、中心銷采用鍛件結構。

圖2 構架結構

圖3 聯系枕梁結構

國內動車組轉向架大部分采用鑄鋁聯系枕梁結構，本設計采用焊接結構，結構簡單，可以有效降低成本。

3.3 輪對軸箱

輪對軸箱采用分體轉臂式軸箱定位結構，能夠保證軸箱相對于構架在彈簧振動時作垂向運動，使車輛通過曲線產生少量橫向移動。

車輪采用輪徑860 mm的整體碾鋼車輪，材質為ER8，符合EN 13262標準要求。踏面形狀采用LM磨耗型。車軸材質為EA4T，按EN 13103-1進行強度計算校核，并進行全尺寸車軸試樣疲勞強度的性能測試。軸箱采用EN-GJS- 400-18-LT球墨鑄鐵材質，符合EN 1563規定。軸箱采用分體式結構，便于快速更換輪對。軸箱軸承采用成熟的自密封雙列圓錐滾子軸承單元，其L10壽命大于300萬公里。

3.4 一系懸掛裝置

轉向架一系懸掛采用成熟的轉臂式軸箱定位形式，軸箱體與構架通過轉臂定位節點連接；軸箱彈簧采用內外雙層鋼卷螺旋彈簧，安裝在軸箱和構架之間；在軸箱與構架之間設有一系垂向油壓減振器；設置一系垂向止擋，車輛載荷達到AW3后起作用，可限制一系撓度在一定范圍內，確保彈簧不被壓并；設置轉臂安全吊掛裝置，當轉臂節點壓板脫落時可保證轉臂不會脫落，保證車輛的安全運行；鋼彈簧與軸箱體之間設置減振橡膠墊，以保證電氣絕緣，并可緩沖高頻振動，減小極限工況下車輛垂向位移，改善整車的動力學性能。

3.5 二系懸掛裝置

構架和聯系枕梁之間設有二系懸掛，確保車輛地板面保持高度不變。二系懸掛由組合式空氣彈簧、高度閥、高度閥調整桿、抗側滾扭桿、差壓閥、平衡閥、抗蛇行減振器、二系橫向減振器、二系垂向減振器、橫向止擋和調整墊等組成。采用四點支撐，每個轉向架設置兩個高度閥和一個差壓閥。當車輪因磨損而鏇輪到需要調整車體地板面高度時，轉向架可以通過在二系懸掛空氣彈簧下安裝面下方和構架之間加墊片進行調整。

空氣彈簧下部帶有一個輔助橡膠彈簧，在空氣彈簧無氣時提供緊急狀態下的支撐剛度，保證車輛能正常運營。為限制車體通過曲線時因離心力和側向風產生的傾斜運動，在聯系枕梁和構架之間設置抗側滾扭桿裝置。構架上裝有非線性橫向止擋，滿足最惡劣運營狀況下最大限度地減少車體橫向位移，改善運行平穩性。

3.6 牽引裝置

每臺轉向架設有一套牽引裝置，用于傳遞縱向力及制動力，同時在整車起吊時可以起吊轉向架。牽引裝置主要包含中心銷、中心銷套、牽引梁、牽引拉桿等。中心銷的上端焊接在聯系枕梁中心，下端插入牽引梁內，通過中心銷套將中心銷與牽引梁固定在一起，牽引梁和構架之間通過兩個呈“Z”形布置的牽引拉桿連接。在牽引梁上設置有垂向止擋座，通過和構架上設置的垂向止擋座結合使用，當需要對車輛進行起吊時，垂向止擋具有使轉向架隨車體整體起吊的作用。

3.7 驅動裝置

動車轉向架上設置有驅動裝置，包括牽引電機、聯軸節和齒輪傳動裝置，呈斜對稱布置。牽引電機通過螺栓剛性安裝在構架上，前端車軸處設有止落結。齒輪箱為單級平行軸傳動，一側通過軸承安裝在車軸上，另一側通過吊桿安裝在構架上，吊桿兩端均設有橡膠節點。牽引電機與齒輪箱間通過鼓形聯軸節連接，聯軸節由兩個半聯軸節組成，分別與牽引電機輸出軸和齒輪箱輸入軸聯接，易于拆裝。

3.8 基礎制動裝置

基礎制動裝置采用盤型制動、四點吊掛式氣動夾鉗，動、拖車轉向架每軸均配置2個輪盤和1個停放制動夾鉗，滿足定員載荷下在35‰坡道上安全停放、并具有1.2倍冗余的要求，可以通過手動緩解拉環雙側緩解該夾鉗單元的停放制動。

轉向架的每個車輪配置了踏面清掃裝置，主要包括氣缸體、研磨子及自動間隙調整裝置等。工作時，踏面清掃裝置上安裝的研磨子對車輪進行研磨，從而增強輪軌粘著、防止車輪擦傷，并對車輪具有修圓作用、降低車輪的多邊形磨耗。

3.9 輔助裝置

轉向架設置了接觸式障礙物及脫軌檢測裝置、撒砂裝置及輪緣潤滑裝置等，以進一步提高運營的安全性、并減少磨耗。

4 相關計算結果

4.1 關鍵承載部件強度計算結果

依據UIC615-4、EN 13749對轉向架構架和聯系枕梁進行有限元強度分析，計算結果表明：

（1）在超常載荷的各種工況下，構架和聯系枕梁的應力均小于材料的許用應力，滿足靜強度要求；

（2）在模擬運用載荷作用下，構架和聯系枕梁各部位母材/焊縫動應力幅值在相應母材/焊縫GOODMAN疲勞極限圖中的疲勞極限界限內，滿足疲勞強度要求，如圖4、5圖所示。

為保證轉向架的安全性，還分別根據相應標準對車輪、車軸、軸箱、牽引梁、掃石器等關鍵零部件進行強度分析計算，計算結果表明，轉向架采用的所有關鍵承載部件都滿足靜強度和疲勞強度要求。

4.2 動力學性能計算結果

運用動力學分析軟件，分別采用美國五級譜和膠濟譜對160 km/h的市域快軌車輛進行了動力學性能分析，主要分析結論如下：

（1）考慮最惡劣工況，最大等效錐度0.5，AW0車輛空載工況下，動、拖車的臨界速度為325 km/h，滿足220 km/h的最高試驗速度要求，車輛的穩定性符合標準要求。

（2）AW0車輛空載和AW3超員載荷工況下，在160 km/h速度范圍內，動、拖車的舒適度指標均小于2.0，橫向及垂向的平穩性指標均小于2.5，具有優良的運行品質，滿足GB/T 5599中對運行平穩性的要求。

（3）150 m、300 m、650 m、950 m、1162 m等曲線工況下，車輛各狀態下的輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數等安全性指標均滿足GB/T 5599中規定限值，能保證安全運營，滿足曲線通過能力的要求。

（4）配裝該轉向架的市域車輛的最大柔度系數為0.204，為Mc車（帶司機室的動車，Motor vehicle with cabin）AW3工況。

（5）在空簧失效、減振器失效等故障工況下，安全性指標有所增加，但在160 km/h速度范圍內，均沒有超過GB/T 5599中的限制值，能夠安全穩定運行。

圖4 構架強度計算結果

圖5 聯系枕梁強度計算結果

5 試驗驗證

5.1 關鍵承載部件強度試驗

為進一步驗證160 km/h市域快軌車輛轉向架構架和聯系枕梁的靜強度及疲勞強度，委托北京交通大學對構架和聯系枕梁按UIC 615-4和EN 13749標準進行強度試驗，完成1000萬次疲勞試驗后磁粉探傷，無裂紋產生。

為保證轉向架的安全性，還分別根據相應標準對車輪、車軸、軸箱等關鍵零部件進行了強度試驗。經過1000萬次疲勞試驗后磁粉探傷后，均無裂紋。

5.2 車輛滾動振動動力學性能試驗

委托西南交通大學對160 km/h的市域快軌車輛轉向架進行滾動振動動力學試驗，為了充分驗證轉向架的動力學性能，軌道譜分別采用武廣50譜、膠濟譜、武廣90譜、美國5級譜。結果顯示，160 km/h的市域快軌車輛轉向架在80～215 km/h范圍內未出現失穩現象，具有足夠的抗蛇行運動穩定性，平穩性指標為優級。

試驗結果表明，本次研發的160 km/h市域動車組轉向架，在80～160 km/h速度范圍內動力學性能優越，能夠滿足線路上160 km/h速度運行的要求。

6 結論

在充分吸收國內成熟運營160～250 km/h速度等級的市域、城際動車組轉向架的基礎上，成功研制了新型市域快軌車輛轉向架，采用了先進、成熟結構的組合，具有較好的生產、組裝工藝性；在強度方面，所有關鍵部件都通過了強度計算和試驗驗證，且具有較大的安全裕量；在懸掛參數匹配方面，較為優良的各種參數實現了各動力學參數指標，該轉向架具有一定的先進性，具有較為廣闊的應用前景。

新型市域快軌車輛轉向架的研制搭建了市域（城際）動車組轉向架的技術平臺，適應了產品多樣化需求，縮短了研發周期，節約了設計、制造成本，實現了產品的模塊化、簡統化、標準化。后續還需要在線路試驗和運營方面對該轉向架進行進一步考核。

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Development of a New Type Bogie for Intercity Electric Multiple Units

JIANG Minghao，MU Xiaojun，LIU Dongpo，ZHANG Li，ZHU Kan，FU Caozheng

( Beijing Rail Transit Technology and Equipment Group Co., Ltd., Beijing 100071, China )

This paper introduces the main technical parameters, basic structural characteristics of each component of a new type bogie for intercity express rail train. Based on the forward design concept, the finite element simulation analysis of the main structural components such as the bogie frame, bodybolster and traction beam is carried out, and the dynamic simulation calculation is completed. The structural strength and dynamic performance of the main components of the bogie are tested and verified, and both meet the design requirements. The research and development is based on the bogie of 160 km/h intercity expressrail train, taking into account the operation demand of type A metro with the maximum operating speed of 120 km/h and the operation demand of intercity EMU of 200 km/h. Finally, a bogie technical platform with the maximum design axle load of 17.5 t and the maximum operating speed of 120-200 km/h is formed.

intercity express rail train；bogie；structure；calculation and analysis；test verification

U271.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.007

1006-0316 (2022) 03-0040-06

2021-04-01

姜明昊（1984－），女，吉林長春人，碩士，高級工程師，主要研究方向為軌道車輛轉向架設計，E-mail：jiangminghao@rtte.cn。