時速200 km動力集中動車組非動力轉向架技術方案可行性分析

呂建法，李英明，李明星

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

轉向架作為車輛最核心技術之一，是保證車輛安全、可靠運行的根本，選擇成熟可靠的轉向架技術是保證車輛運行安全、可靠的前提[1]。現有轉向架結構不能完全適應時速200 km動力集中動車組的使用要求，需在現有轉向架技術平臺基礎上進行適應性優化設計。時速200 km動力集中動車組相比時速160 km動力集中動車組(CR200J型動車組)的輸入條件發生一定的變化[2]，在速度、軸重等頂層指標上提出了新的要求。本文根據時速200 km動力集中動車組技術要求，以復興號CR200J型動車組用SW-220K型轉向架平臺為原型，從頂層指標的變化、關鍵技術等方面對時速200 km動力集中動車組非動力轉向架技術方案進行可行性分析，頂層指標主要有速度提升、軸重增加，關鍵技術包括動力學性能、基礎制動配置、旋轉部件適應性、承載件結構強度、檢修維護性能等。

1 設計要求

時速200 km動力集中動車組與CR200J型動車組定位為同一系列車型，主要運行條件為既有線路、客貨混跑快速線路，從車型系列化及用戶運維的角度，其轉向架平臺的確定不宜考慮既有高速動車組轉向架，而應考慮SW-220K型轉向架，主要考慮因素如下：

(1) 平臺一致性。既有高速動車組轉向架與CR200J型動車組轉向架平臺相差較大，若保持成熟結構，不能保證復興號系列動力集中動車組技術平臺一致性。

(2) 檢修維護體系一致性。SW-220K型轉向架沿用了25T型客車的檢修維護體系[3]，包括修程修制、檢修人員、設備。若應用既有高速動車組轉向架，需評估、驗證零部件的修程修制適應性及既有設備兼容能力。

(3) 既有線路適應性。既有線路鋼軌軌頭磨耗廓形復雜，且客貨混跑，這對既有高速動車組轉向架“下嫁”運用是個挑戰[4]。而SW-220K型轉向架踏面廓形及懸掛參數經過了多年的既有線路運用，有較好的適應性。

(4) 技術成熟性。既有高速動車組轉向架經過多年的客運專線運用，成熟度高，但若做到與CR200J型動車組平臺兼容，需作出比較大的調整，技術變更大，零部件成熟優勢減弱。雖然SW-220K型轉向架平臺無200 km/h運行速度的運營業績，但可以通過論證提升滿足要求。

(5) 成本可控性。SW-220K型轉向架新造及檢修成本，對標25T型客車遠低于既有高速動車組[5]。既有高速動車組通過降配方式進行設計變更，成本空間有限，且犧牲原有的可靠性。

時速200 km動力集中動車組設計要求較CR200J型動車組頂層指標的變化主要為速度提升、軸重增加，并以此為目標對關鍵技術及相關部件進行選型和優化，如圖1所示。

圖1 時速200 km動力集中動車組設計要求

2 關鍵技術分析

SW-220K型轉向架來源于SW-220型高速轉向架[6]。2001年，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室對SW-220型轉向架進行了滾振試驗，試驗速度達到300 km/h未失穩，運行平穩性達到優級。SW-220K型轉向架在SW-220型轉向架基礎上對基礎制動系統簡配1軸盤/軸，并優化懸掛參數，用于CR200J型動車組上時再次對其構架、制動夾鉗、制動盤、閘片進行了升級。

SW-220K型轉向架按最高運營速度160 km/h、最高試驗速度176 km/h設計，整體采用無搖枕轉向架、H型焊接構架、轉臂式軸箱定位和四點支撐空氣彈簧裝置，配置溫度、振動等安全監測系統，具有結構簡潔、技術可靠、檢修維護方便特點，且運用成熟。

2.1 動力學性能

基于SW-220K型轉向架和SW-220型轉向架動力學性能，通過仿真及試驗對時速200 km動力集中動車組懸掛參數進行選型分析。圖2為SW-220K型和SW-220型轉向架動力學性能對比。

圖2 SW-220K型和SW-220型轉向架動力學性能對比

由圖2可以看出：

(1) 2種轉向架的臨界速度均超過400 km/h，各動力學指標均滿足運營要求。

(2) 對于橫向平穩性，速度較低時SW-220型轉向架優于SW-220K型轉向架，隨著速度增加，差異逐漸減小；對于垂向平穩性，SW-220型和SW-220K型轉向架差異不大。

(3) 當曲線半徑小于2 000 m時，SW-220K型轉向架的輪軸橫向力和脫軌系數優于SW-220型轉向架，當曲線半徑大于2 000 m時，兩者差異不大。

(4) 在既有線上運行時，SW-220K型轉向架的輪軌垂向力和輪重減載率優于SW-220型轉向架。

2017年12月，裝用SW-220K型轉向架的CR200J型短編動車組在渝貴鐵路線進行了200 km/h運行速度工況下的動力學性能研究性試驗，試驗結果表明，各指標均滿足要求。

2.2 基礎制動配置

目前CR200J型動車組基礎制動采用2軸盤/軸的布置方式。SW-220K型轉向架基礎制動裝置采用盤形制動，每軸配置2個軸裝制動盤與夾鉗單元配對；采用三點吊掛式制動夾鉗；制動盤采用鑄鋼材料，其外徑640 mm、內徑370 mm、盤厚110 mm；閘片采用粉末冶金材料，為彈性浮動結構[7]。按照此方案采用3種方式進行200 km/h速度級運營條件下的熱容量核算。

2.2.1方式1

方式1是最高速度下純空氣緊急制動。該工況下制動盤熱容量的仿真與試驗對比如表1所示，由表1可以看出，制動盤熱容量滿足要求。

表1 制動盤熱容量仿真與試驗對比

2.2.2方式2

方式2是在蘭新線軍馬場-張掖區段的模擬線路(長度120 km，下坡)上以200 km/h的速度恒速運行，區段末尾進行一次緊急制動[8]。該工況下的摩擦副溫度曲線如圖3所示，由圖3可以看出，純空氣制動時，制動盤熱容量為624 ℃，接近許用限度；考慮電制動時，制動盤熱容量為406 ℃，滿足相關要求。

圖3 摩擦副溫度曲線

2.2.3方式3

方式3是在45 km的長大坡道(25‰)上以200 km/h的速度恒速下坡運行，坡底進行一次緊急制動[9]。在該極限工況下，制動盤熱容量為782 ℃，熱容量不足，需調整為3軸盤/軸。

2.2.4結論

從上述3種方案的熱容量仿真及試驗結果看，SW-220K型轉向架可滿足200 km/h動力集中動車組正常運營的需求，且可實現輪對統型，但是需要考慮如下問題：

(1) 優化制動系統控制模式，電制動力、空氣制動力進行列車級分配，優先使用電制動力，降低空氣制動介入速度，減少制動盤和閘片磨耗[10]；

(2) 按動車組標準控制制動盤和閘片質量；

(3) 個別困難地段限速運行；

(4) 針對長大坡道不降速運行的極端工況，調整基礎制動為3軸盤/軸，構架相應進行調整。

2.3 軸箱軸承適應性

SW-220K型轉向架采用分體式雙列圓柱滾子軸承，其內徑130 mm、外徑250 mm、寬160 mm。該軸承無自密封功能，當列車運行速度由160 km/h提高至200 km/h時，會因其轉速提高、軸溫升高、橫向力增大使軸承甩脂風險加大，造成運用過程中潤滑不良而導致失效。

如果將非自密封軸承優化為自密封軸承，可有效改善可能出現的潤滑不良問題，同時，非自密封軸承運用60萬km后需分解檢修，而采用自密封型式后可實現120萬km免維護。改進后的軸承需保持滾子、內外圈主體結構不變，車軸及軸端接口不變。

2.4 承載件結構強度

2.4.1構架

依據TB/T 3549.1—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 轉向架 第1部分：轉向架構架》規定，按17 t軸重對構架進行強度仿真分析，包括超常載荷作用下的靜強度評估和運營載荷作用下的疲勞強度評估。分析結果表明：構架母材及焊縫的動應力幅值均未超出疲勞極限圖中的疲勞極限，且安全裕度較高。圖4、圖5分別為構架有限元模型和疲勞極限圖。2022年，SW-220K型構架在中鐵檢驗認證中心按17 t軸重通過了靜強度及疲勞強度試驗。

圖4 構架有限元模型

圖5 疲勞極限圖

2.4.2車軸

按TB/T 2705—2010《鐵道車輛非動力車軸設計方法》規定對車軸進行強度校核，車軸計算截面見圖6，車軸各截面應力計算結果見表2。計算結果表明，車軸強度能夠滿足車輛17 t軸重、最高運營速度200 km/h的運用要求。

圖6 車軸計算截面圖

表2 車軸各截面應力 MPa

2.4.3車輪

按TB/T 3463—2016《鐵道車輛車輪強度評定方法》規定對車輪進行強度校核，車輪有限元模型見圖7。

圖7 車輪有限元模型

各工況下車輪最大等效應力見表3，由表3可知，靜強度滿足要求；車輪疲勞應力變化量為203 MPa，遠低于許用值(370 MPa)，表明車輪疲勞強度滿足要求。

表3 車輪各工況下最大等效應力 MPa

3 優化結構SW-220K型轉向架

CR200J型動車組用SW-220K型轉向架平臺在既有線路上已經過了近13年的運用考驗，包括高寒及風沙氣候條件的運用考驗[12]，故障率低，維護性好，平臺基礎扎實。該轉向架在動力學性能方面可滿足時速200 km動力集中動車組速度提升的需求，關鍵承載部件強度可滿足17 t軸重需求，而且在軸箱軸承、制動控制系統等方面，結合既有高速動車組運用經驗，有優化提升的空間。

3.1 主要技術參數

表4為優化結構SW-220K型轉向架主要技術參數。

表4 優化結構SW-220K型轉向架主要技術參數

3.2 主要結構

優化結構SW-220K型轉向架結構如圖8所示。

1.構架組成；2.輪對軸箱定位裝置；3.中央懸掛裝置；4.基礎制動裝置； 5.速度傳感器安裝；6.轉向架排障裝置。圖8 優化結構SW-220K型轉向架結構圖

采用H型焊接構架、單牽引拉桿、盤型制動等結構。采用兩級懸掛，一系懸掛采用圓柱螺旋鋼彈簧+垂向減振器，輪對軸箱采用轉臂式定位；二系懸掛采用空氣彈簧，設高度調整閥及差壓閥，安裝橫向減振器、抗蛇行減振器。拖車轉向架端部設置排障裝置。

3.3 檢修維護性能

(1) 修程分析。相對于CR200J型動車組使用的原結構SW-220K型轉向架，時速200 km動力集中動車組使用的優化結構SW-220K型轉向架的修程具有如下優點：軸箱軸承采用自密封軸承，第1個D3修項點可取消；采用一體式制動夾鉗，基礎制動檢修維護內容可優化；懸掛件狀態修里程延長；具備D3修車輛不解編檢修可行性[11]；借鑒既有高速動車組一級修，可細化入庫檢修檢查作業內容。

(2) 統型分析。備品備件種類減少，一是同一車型轉向架零部件統型，二是與原結構SW-220K型轉向架零部件統型。

(3) 運維界面分析。保持客車轉向架運維界面的統一，便于維護。如軸端結構、軸箱體結構與落輪設備、旋輪設備的接口不變。

(4) 應急處置分析。基于車輛運行速度提高，軸溫預警、報警溫度限度及處置措施可借鑒既有高速動車組經驗進行適應性調整。

4 結束語

時速200 km動力集中動車組非動力車轉向架可沿用SW-220K型轉向架進行優化提升，優化結構SW-220K型轉向架滿足相關指標要求。具體優化方案如下：

(1) 通過轉向架關鍵部件選型分析對部分零部件進行適應性變更；

(2) 軸箱軸承采用自密封結構；

(3) 優化制動系統控制模式，以減小基礎制動摩擦副的磨耗速率，充分利用動力車電制動力，降低空氣制動介入速度。

優化結構SW-220K型轉向架可與CR200J型動車組、25T型客車檢修維護體系保持一致，技術變更小，成熟可靠，且新造及運維成本能夠有效控制。