既有地鐵車輛和轉向架提速改造的技術分析

黃遠清，蘇 強，穆曉軍，付曹政，王 業(yè)，李 穎

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100044）

1 引言

目前，我國各大城市的大多數(shù)地鐵車輛最高運營速度為80?km/h。然而，隨著近幾年來城市地域規(guī)模的擴大、生活區(qū)域加大以及生活節(jié)奏的加快，人們對地鐵的運營速度提出更高的需求。北京地鐵19號線、上海地鐵16號線、廣州地鐵3號線、深圳地鐵11號線、杭州地鐵16號線等最高速度都已經(jīng)達到120?km/h，同時正在新建的杭州地鐵19號線設計最高運營速度也要求為120?km/h，目前，北京地鐵15號線車輛增購項目、6號線車輛增購項目、亦莊線車輛增購項目也都同時提出將車輛最高運營速度提高到120?km/h的需求。所以，提高地鐵線路和車輛的最高運營速度也成為一種趨勢。

當前，正在運營的地鐵車輛數(shù)量眾多，如果僅為提速，將其全部更換為新型高速車輛不符合現(xiàn)實情況。因此，通過對既有地鐵車輛進行改造來提高運營速度是一種相對最優(yōu)的解決辦法。對既有車輛和轉向架進行改造，既能節(jié)省增購車輛所花費的成本，也能夠盡最大可能保持車輛的一致性和互換性。

2 轉向架和車輛的提速改造

2.1 轉向架和車輛結構介紹

某地鐵車輛的轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架，兩者均為無搖枕轉向架。2種類型轉向架上均安裝有車軸、車輪、軸箱軸承、軸箱及基礎制動等裝置，同時，在輪對軸箱裝置與構架之間安裝一系懸掛裝置；在構架和車體之間安裝有二系懸掛裝置和牽引裝置等。另外在動車轉向架上還裝有牽引電動機、聯(lián)軸節(jié)、齒輪傳動裝置等驅動裝置，外觀如圖1和圖2所示。

圖1 動車轉向架示意圖

圖2 拖車轉向架示意圖

某地鐵車輛為B型車輛，設計最高運營速度為80??km/h，其限界滿足既有運行線路運營要求，整車采用3動3拖車輛形式，車體采用不銹鋼材料，密封性良好。同時，車體上裝有車門、貫通道，車下設置車輛穿線孔等，車輛結構如圖3所示。

圖3 車輛結構示意圖

2.2 驅動裝置提速改造分析

速度為80km/h的既有車輛轉向架驅動裝置安裝方式為牽引電機架懸式固定在轉向架構架上。齒輪傳動裝置采用軸懸式，一端通過支撐軸承安裝在車軸上，而另一端通過吊桿彈性地連接在轉向架構架上。每個轉向架配置有2個輪對，每個輪對由車輪、車軸及降噪阻尼環(huán)等組成。軸箱裝置由軸箱體、軸箱軸承等組成。

當車輛提速至120?km/h后，對于牽引電機而言，如果保持不變，則電機軸承轉速就會加快，轉速變快必然導致溫度增高和振動噪聲加大，以致電機的熱平衡溫度不再是保證軸承壽命的最佳溫度，從而引起軸承壽命縮短。同時，所需的牽引逆變器容量會增大，牽引系統(tǒng)中的主電路電流跟著變大，濾波電抗器的額定電流也會增大，伴隨而來的是漏磁量的增大，從而導致電磁干擾增大，增大后的電磁干擾是否還在這些設備的最大承受范圍內，則需進一步探究，因此單純提速會存在一定的風險。尤其是當車輛提速到80～120?km/h區(qū)間后，列車的等效電流變大，會對供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，牽引電制動特性也會發(fā)生變化。所以在提速改造前，需要對牽引系統(tǒng)重新進行實際線路測試和仿真，檢查這些設備及參數(shù)是否可以滿足提速后持續(xù)運營要求。

對于齒輪傳動裝置，在設計時需對齒輪承載能力、齒輪箱箱體和吊桿強度進行計算校核。由于齒輪承載能力校核是按GB/T?3480-1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》中80?km/h最惡劣的工況進行，并按電機短路扭矩計算靜強度和按電機啟動扭矩計算疲勞強度，但提速到120?km/h后輪齒計算使用的動載系數(shù)會根據(jù)提速到120?km/h的輪齒轉速工況選取，會對計算結果產(chǎn)生一定影響。由于齒輪箱箱體和吊桿的強度計算是按額定扭矩工況、啟動扭矩工況、短路扭矩工況對箱體進行有限元強度計算，在計算過程中未使用到速度這個參數(shù)，所以提速后不會對齒輪箱和吊桿的強度產(chǎn)生影響。但是由于提速后，尤其是在80～120??km/h速度區(qū)間內，齒輪轉速提高，輪齒嚙合頻率增大，激振頻率增大，齒輪箱的軸承溫度升高、使用壽命減少，齒輪箱的振動和噪聲加大，同時既有齒輪箱的迷宮密封結構和接觸密封結構的密封能力減弱，箱體內油氣會惡化。綜合分析可知，雖然存在提速后如上所述的不同風險，但是假如電機輸出功率沒有變化，轉速提高后，輸出扭矩反而減少，對輪齒強度、齒輪箱箱體和吊桿的強度影響有利，后續(xù)可以通過對既有齒輪傳動裝置進行相應型式試驗來進一步驗證。

對于聯(lián)軸節(jié)，在設計時需對聯(lián)軸節(jié)的強度和變位能力進行計算校核。由于在計算聯(lián)軸節(jié)強度時按電機短路扭矩計算靜強度，按電機啟動扭矩計算疲勞強度，假如電機不改造升級時，聯(lián)軸節(jié)的強度是可以滿足相關要求，同時相關計算中也未涉及速度，所以提速改造后不會對聯(lián)軸節(jié)強度產(chǎn)生影響。由于計算聯(lián)軸節(jié)的變位能力是依據(jù)一系懸掛參數(shù)、牽引電機和齒輪傳動裝置的相關結構和尺寸以及電機的懸掛方式來計算的，也未涉及速度，故提速改造后不會對聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生影響，可正常使用，但需要對聯(lián)軸節(jié)進行相應的型式試驗（如在80～120?km/h速度區(qū)間內）進一步確認。對于車軸，在設計時根據(jù) EN?13103-2010《鐵路應用-輪對和轉向架-非動力軸設計方法》和EN?13104-2010《鐵路應用-輪對和轉向架-動力軸設計方法》進行強度計算。在強度計算時，把軸重、簧下質量、車輪踏面滾動圓間距離、車軸中心至車輛重心間的高度、左右軸徑載中心距、車輪半徑、齒輪箱重心與近齒端滾動圓距離、制動壓力、齒輪箱質量、車軸材質、制動摩擦系數(shù)作為輸入?yún)?shù)，雖然輸入?yún)?shù)中制動摩擦系數(shù)跟速度有一定關系，但是計算時是采用最惡劣的摩擦系數(shù)，這樣計算出的結果跟速度沒有直接關系，因此，車輛提速后車軸可正常使用，但是需要對車軸進行相應的型式試驗來進一步確認。

對于車輪，在設計時依據(jù)UIC?510-5-2007《整體車輪技術認可》和TB/T?3463-2016《鐵道車輛車輪強度評定方法》進行計算，把軸重、最高運營速度、輪對內側距、車輪直徑、車輪磨耗到限直徑、制動方式、車輪材質等參數(shù)作為計算分析的輸入?yún)?shù)。由于最高運營速度提高到120?km/h時，計算產(chǎn)生的車輪制動熱載荷已不能滿足車輪的規(guī)定值。通過綜合分析，既有的踏面制動方式已經(jīng)不能滿足100?km/h地鐵車輛的頻繁制動要求。因此，需要更換制動方式。

對于軸箱軸承及軸箱，在計算軸箱軸承壽命時依據(jù)軸重、簧下質量、最大速度、新輪直徑、磨耗輪直徑、軸頸配合等參數(shù)和綜合實際運營經(jīng)驗進行計算。因此，由于計算的最大速度與軸承的壽命有直接的關系，在提速到120?km/h后，軸承的壽命會縮短，所以需要對軸箱軸承進行相應的計算和型式試驗來進一步確認。在計算軸箱強度時依據(jù)UIC?615-4-2003《動力元件-轉向架和走行裝置-轉向架構架的結構強度試驗》和EN?13749-2011《鐵路應用-輪對和轉向架-規(guī)定轉向架構架結構要求的方法》進行計算分析，雖然在計算中所施加的載荷跟軸重及選取的動載荷系數(shù)相關，但是由于動載荷系數(shù)取較大值，故提速改造后不會對軸箱產(chǎn)生影響，可正常使用，但需要對軸箱進行相應的型式試驗來進一步確認。

綜上所述，為應對車輛提速改造，車輛驅動裝置改進應從以下幾個方面進行考慮：由于踏面制動無法滿足車輛提速后的要求，需將原有車輪改造成帶有制動盤車輪；根據(jù)電機是否需要改動的情況，判斷電機軸承和齒輪箱軸承是否需要重新選擇和校對；需對齒輪箱的箱體結構和強度、吊桿強度和結構進行校對，輪齒重新設計，迷宮密封結構改進以便散熱，并對密封件材料重新選擇以滿足壽命；根據(jù)懸掛參數(shù)和結構尺寸是否改動，重新選擇聯(lián)軸節(jié)；根據(jù)提速后動力學性能指標的計算結果判斷是否需要改動軸箱結構及定位方式等；另外，與構架相關結構均需進行相應調整改進并對涉及的相應部件做進一步計算和試驗。

2.3 基礎制動裝置提速改造分析

既有80?km/h的轉向架的基礎制動裝置，采用踏面單元制動，其中部分帶停放制動功能。基礎制動裝置主要由踏面制動單元、閘瓦、手動緩解拉線以及制動管路組成。每臺轉向架裝有4套制動單元，其中2套制動單元帶有停放功能，同一功能的制動單元分別于轉向架對角安裝。

當車輛提速至120?km/h后，需要對車輛的熱容量，制動裝置供風量和制動力進行重新計算。

四是切實加強前期工作質量管理。隨著國家行政審批制度改革的深入，一些項目前期工作的審批權可能由中央下放地方管理，這為水利勘測設計質量的監(jiān)督和管理提出了新的挑戰(zhàn)，要研究適應新形勢、新要求的行業(yè)監(jiān)管機制。積極推動注冊土木工程師（水利水電工程）執(zhí)業(yè)資格制度實施，繼續(xù)開展行業(yè)信用等級評價，把好市場準入關。同時，繼續(xù)開展水利前期工作成果質量評價，加強面上水利工程前期工作的指導和培訓，促進水利工程勘測設計質量提高。

根據(jù)既有車輛的熱容量計算報告，依據(jù)軸重或者載荷、初始速度、平均減速度、線路及坡道、站間距、站停時間、初始溫度、車輪和閘瓦材質尺寸進行分析計算。因此，由于初始速度的提高，需要重新計算熱容量，現(xiàn)從2方面考慮計算。首先，從溫度角度考慮，根據(jù)TB/T?2403-2010《鐵道貨車用合成閘瓦》中的規(guī)定，踏面制動摩擦副局部溫度不應超過400?℃。另外，在評價列車長時間處于較高溫度熱負荷仿真結果時，一般建議踏面制動摩擦副溫升不超過300?℃。通常情況下閘瓦最高使用溫度超過300?℃后，其磨耗量會顯著增加，閘瓦壽命隨之大幅縮短。其次，從熱應力角度考慮赫茲接觸應力和熱應力共同作用引起的車輪損傷，如果車輪踏面熱應力位于赫茲接觸應力和熱應力共同作用的安全區(qū)域，則車輪踏面處于正常磨耗狀態(tài)；如果車輪踏面熱應力位于赫茲接觸應力和熱應力共同作用的半危險區(qū)域，車輪踏面損傷會加劇，此情況只可允許偶爾出現(xiàn)；如果車輪踏面熱應力位于赫茲接觸應力和熱應力共同作用的危險區(qū)域，將導致車輪踏面異常損傷，這種情況是不允許出現(xiàn)的，由此可見，速度100?km/h及以上的地鐵車輛的基礎制動不適宜采用踏面制動。

根據(jù)既有線路條件及車輛基礎制動裝置的相關參數(shù)，以最高運營速度80?km/h和100?km/h模擬連續(xù)2?次緊急制動，其摩擦副溫度曲線如圖4?所示。以最高運營速度80?km/h和100?km/h模擬正線運營一個往返，其摩擦副溫度曲線如圖5所示。兩者最高溫度對比見表?1。依據(jù)文獻[3]結論得到踏面制動方式已經(jīng)不能滿足100??km/h 和 120?km/h 地鐵的頻繁制動要求。

圖4 不同車速踏面制動2次緊急制動摩擦副溫度曲線

圖5 不同車速踏面制動模擬運營摩擦副溫度曲線

表1 不同車速踏面制動熱容量計算溫度對比分析 ℃

根據(jù)既有車輛的制動裝置供風量計算報告，供風量計算主要依據(jù)制動缸、制動管路、空氣彈簧和泄露量等情況，同時結合在空壓機均出現(xiàn)故障的情況下，基于安全考慮，車輛風缸容量能夠滿足一定次數(shù)緊急制動。因此，由于在計算中不涉及到最高運營速度，所以提速不會對車輛供風量產(chǎn)生影響，但需要進行相應的試驗進一步驗證。

根據(jù)既有車輛的制動力計算報告，制動力計算主要依據(jù)車輛載荷、運行速度、制動工況、制動方式、故障模式、動力制動和空氣制動的匹配、輪軌黏著特性、熱負荷能力、風源供風能力、風缸容積等情況進行。由于提速導致輪軌黏著特性變化，制動距離變化，所以需要對制動力重新進行計算。

綜上所述，由于既有踏面制動方式不能滿足提速到120?km/h的相關要求，根據(jù)行業(yè)內常用措施，可把踏面制動方式改為輪盤制動。同時對熱容量、制動力計算，結果顯示輪盤制動滿足120?km/h的相關要求。由于制動方式改變，需要將車輪更換為帶制動盤的車輪，并對構架上制動吊座接口結構和尺寸及相應的空間進行校對等。

2.4 懸掛裝置提速改造分析

速度為80?km/h的既有車輛的懸掛裝置由一系懸掛裝置和二系懸掛裝置組成。一系懸掛由圓錐橡膠彈簧、調整墊和壓蓋等組成，圓錐橡膠彈簧能使軸箱在縱向、橫向和垂直方向實現(xiàn)無間隙、無磨耗的彈性定位，并承受3個方向的載荷。二系懸掛由組合式空氣彈簧、橫向油壓減振器、自動高度調整閥、差壓閥、調整墊、調整桿等組成。

根據(jù)某80?km/h地鐵車輛的動力學計算報告及UIC?505-5《UIC?505-1至505-4通用基礎條件、注釋及其規(guī)定》和GB/T?5599-2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》，對車輛穩(wěn)定性（脫軌系數(shù)、輪軌減載率、輪軌橫向力、橫向穩(wěn)定性）、運行品質（垂向加速度和橫向加速度指標）、運行平穩(wěn)性（平穩(wěn)性指標和舒適性指標）進行分析。根據(jù)既有車的計算報告，計算出車輛的臨界速度在AW0工況為163?km/h；在AW2工況為178??km/h；在 AW3 工況為 198?km/h。所以車輛在臨界速度指標上能夠滿足提速到120?km/h的要求。

根據(jù)報告，對于平穩(wěn)性指標，選擇最惡劣工況下進行計算的結果為：當車輛速度為100?km/h時，采用美國5級線路譜，直線狀態(tài)下計算點選在一位端和二位端轉向架中心上方距車體中心橫向1?m車體地板面上，在AW0工況下橫向和垂向分別為1.952和1.632；在AW2工況下橫向和垂向分別為1.761和1.498；在AW3工況下橫向和垂向分別為1.721和1.442。此6種工況下，計算出的數(shù)值均小于2.5（GB/T?5599-2019的優(yōu)級）。對于車速為120?km/h的情況，雖未有對應的計算，但根據(jù)臨界速度和線性比例推算，平穩(wěn)性指標滿足2.5的可能性很大，但需進一步核算。

根據(jù)報告，對于運行品質指標，選擇最惡劣工況下進行計算的結果為：當車速為100?km/h時，在AW0工況下橫向和垂向的加速度分別為0.346?m/s2和0.295?m/s2；在AW2工況下橫向和垂向的加速度分別為0.245?m/s2和0.248?m/s2；在AW3工況下橫向和垂向的加速度分別為0.296?m/s2和0.227?m/s2。計算出的此6種工況數(shù)值均小于2.5?m/s2（GB?5599-2019的規(guī)定值）。對于120?km/h的情況，雖未有對應的計算，但根據(jù)臨界速度和線性比例推算，運行品質指標滿足加速度為2.5?m/s2的可能性很大，但需進一步核算。

綜上所述，針對既有車輛穩(wěn)定性、運行品質和運行平穩(wěn)性在提速以后能否滿足標準規(guī)定指標，需在既有線路和既有車輛上進行相關動力學性能試驗。假如試驗測試結果變化幅度較大，則需進行仿真計算來優(yōu)化或改動相關結構及參數(shù)，如一系簧剛度和阻尼、二系簧垂向剛度和阻尼、二系簧水平剛度和阻尼、二系橫向減振器阻尼、轉臂式軸箱定位結構及定位剛度、構架上相關接口結構等，最后進行相關試驗以滿足標準規(guī)定要求。

3 車輛限界提速改造分析

車速 80?km/h 的既有車輛滿足 CJJ/T?96-2018《地鐵限界標準》、GB/T?50157-2013《地鐵設計規(guī)范》和既有線路的車輛限界的相關要求，對車輛提速到120?km/h進行分析。

根據(jù)CJJ/T?96-2018，車輛運行速度只影響計算參數(shù)，不體現(xiàn)在計算公式中。而運行速度影響的計算參數(shù)有一系彈簧橫向彈性變形量、二系彈簧橫向彈性變形量、車體橫向振動加速度及一、二系垂向動撓度。因此，對提速影響的計算參數(shù)，除車體橫向振動加速度以外，其余參數(shù)均使用極限進行計算，不會對車輛限界造成變化。根據(jù)動力學計算報告，當提速到120?km/h時，車體橫向振動加速度加大，導致計算出來的車輛限界會產(chǎn)生變化，所以需要對提速后的車輛限界進一步的計算。

另外，由于車輛速度等級的提高，車輛限界計算工況調整，車輛瞬時超速計算速度從90?km/h提高到132??km/h，站臺作業(yè)模式也改變，A1、A2、B1、B2 型車輛軌道最大超高值需要從120?mm改動到150?mm，相應的限界計算結果需要做一些調整。

提速后車輛限界改造方案需針對計算出的車輛橫向振動加速度和車輛軌道最大超高值對車輛限界的影響情況進行設計，如滿足車輛限內界要求，無需進行結構改造，如不滿足，進行相應車輛結構改動。

4 車輛氣密性提速改造分析

根據(jù)既有車輛結構，對車輛提速到120?km/h后車輛氣密性進行分析。對于車速80?km/h既有車輛所使用的車門中常規(guī)塞拉門通過膠條進行密封，而既有設計的膠條壓接接觸面積和壓緊變形量存在結構限制，致使密封性能較低，無法滿足更高速度等級的車輛運行密封性要求。同時，對于貫通道兩端的連接，由于既有密封膠條唇部壓縮量、車體平面誤差的存在，可能無法滿足高速度等級的車輛的高密封性要求。對于穿車體的一些開孔，如穿線孔、減重孔等，因速度等級提高可能會出現(xiàn)嘯叫等問題。這些情況的客觀存在，會在一定程度上對氣密性造成一定的負面影響。

根據(jù)參考文獻[4]的描述，車輛速度的提升導致車輛客室內部的壓力波動幅度也相應增加，會直接影響到司乘人員乘坐舒適性。

針對以上問題的改造方案是先對提速后的車門氣密性和噪聲進行相應的試驗，根據(jù)試驗結果提高車門的氣密性要求，采用較好的膠條密封，同時在工藝上采取增大打膠量和保持膠量的均勻等措施。

5 結論

（1）通過分析某正在運營80?km/h地鐵車輛和轉向架，認為不能未經(jīng)改造直接將車輛最高運營速度從80??km/h 提速到 120?km/h。

（2）提速至120?km/h后，需要對驅動裝置進行計算和校核，并通過相應的型式試驗驗證后，再確定是否可以不進行改造直接提速。

（3）提速至120?km/h后，需對轉向架基礎制動裝置進行設計改造，將其改造為盤形制動裝置，同時改造構架和車輪等。

（4）提速至120?km/h后，需在既有線路上對既有車輛的動力學性能進行試驗測試和仿真計算，通過計算結果來確定是否需要改造懸掛參數(shù)或懸掛方式，甚至構架等。

（5）提速至120??km/h后，需對車輛的限界、車輛密封性進一步試驗和計算驗證后，再確定是否需要改造超限界部分、密封材料和密封結構等。

（6）對最高運營速度從 80?km/h 提高到 120??km/h 的轉向架和車輛所涉及到的相關技術要點和風險點進行總結，為后續(xù)具體方案實施提供一定的參考。