城轨B型车辆转向架方案设计

文章编号:100726034(2004)0320021203城轨B 型车辆转向架方案设计周　睿(中国南车集团南京浦镇车辆厂,江苏南京210031)摘　要:阐述了城市轨道车辆转向架设计的基本要求;介绍了城轨B 型车转向架的技术设计方案,并对城轨车辆转向架的强度、动力学计算提出了具体要求。

关键词:城轨B 型车辆;转向架;设计中图分类号:U260.331 文献标识码:B 转向架是城轨B 型车辆的重要技术部件,它除了发挥支承、导向和隔振等重要作用外,还要起传递发挥牵引力和制动力的作用,对车辆的运行性能起着决定性的作用。

根据相关的技术资料和部分城市提出的要求,进行了城轨B 型车转向架的方案设计。

1　转向架的主要设计要求和技术参数1.1　转向架的主要设计要求B 型车转向架要求采用无摇枕转向架结构,使用环境条件、限界条件、结构特点、功能要求、强度及动力学性能等,均比铁路用客车转向架的要求要高得多,在满足转向架性能要求的前提下,设计中尽可能采用简单可靠的结构;各运动部件要尽可能实现无磨耗或少磨耗的结构形式;要求具有较高的互换性,便于转向架的运用维修;在转向架一、二系悬挂处应考虑易于加垫调整车辆高度;在最不利的情况下,所有转向架的零部件均能保证车辆的安全运行。

1.2　转向架的主要技术参数轨距/mm 1435轴重/t14最高运行速度/km ・h -1120轮对内侧距/mm 1353±2固定轴距/mm 2200车轮直径/mm 新轮时840,最大磨耗时770轴颈中心距/mm1940收稿日期:2003-12-10作者简介:周　睿(1972-),男,甘肃天水人,高级工程师,1993年毕业于上海铁道学院铁道车辆专业,工学学士,现主要从事铁路客车转向架设计工作。

左右空簧中心距/mm 1880空簧上平面距轨面高/mm 860中心销安装面距轨面高/mm 860牵引电机额定功率/kW 190齿轮箱传动比: 5.0667基础制动装置:盘形制动满足最大停放坡度/‰26限界:符合城市轨道交通B 型车限界转向架自重/t ≤7图1　动力转向架2　转向架主要结构方案的确定B 型车转向架分为动车转向架(见图1)和拖车转向架(见图2)两大类。

动车转向架采用Bo -Bo轴式,轮对由交流牵引电动机驱动,牵引电机架悬于构架横梁上,电机输出的扭矩通过鼓形齿联轴节传递给齿轮箱驱动轮对。

采用H 型焊接构架;轴箱悬挂部分采用橡胶弹簧定位方式;中央悬挂部分为无摇枕结构的全空气弹簧支承,牵引装置采用“Z ”型双牵引拉杆结构;基础制动采用盘形制动单元结构。

拖车转向架基本结构同动车转向架,取消传动装置,每轴采用2套盘形制动单元装置。

12设计制造图2　非动力转向架2.1　构架装置构架(见图3)是转向架中受力最复杂的承载部件。

设计中在考虑传统客车构架强度设计的基础上,还要考虑由于牵引电机及传动系统产生的动载荷作用力。

构架采用U 形有端梁焊接结构,主体由左右2根对称布置的侧梁和1根主横梁组成,构架两端组焊2根无缝钢管作为端梁。

侧梁、横梁是由钢板拼焊而成的箱形结构,材质为16MnR ,外侧焊缝需经磨削处理和探伤检查,侧梁呈中部下凹的鱼腹形,上、下盖板均为整体冲压成形,避免在该处出现横向焊缝而影响整体强度,侧架内腔用作空气弹簧附加气室。

由2根无缝钢管形成的端梁可以提高整个构架的扭转刚度,并可提供制动吊座焊接位置。

构架组焊后要进行整体去应力退火和喷丸处理,并进行1.6kPa 的水压试验。

构架上还焊有电机吊座、齿轮箱吊座、一系弹簧座、牵引拉杆座和横向减振器座、横向挡座、抗侧滚扭杆座等。

图3　动力转向架构架装置2.2　轮对轴箱定位装置轮对轴箱定位装置(见图4)直接影响车辆的运行品质,同时轮对轴箱为簧下质量,为了减少轮轨间的动作用力,降低噪音,要尽可能减轻质量。

轮对轴颈中心距1940mm 。

车轮采用整体辗钢全加工车轮,LM 型磨耗踏面,车轮滚动圆直径新轮为 840mm ,磨耗到限直径为 770mm 。

采用整体自密封圆柱滚子轴承。

动车每轴装1套制动盘,并压装齿轮箱,拖车每轴装2套制动盘。

转向架轴端根据需要加装防滑器、速度传感器、接地装置等。

轴箱定位装置采用圆锥叠层橡胶弹簧结构,用橡胶弹簧提供所需要的纵向、横向和垂向3个方向刚度值,实现无磨耗定位,以保证车辆的运行品质,可充分利用橡胶弹簧的非线形特性实现城轨车辆的载客量大而车辆地板面高度变化小的特点,另外橡胶的阻尼特性可起到垂向减震作用,提高了构架的疲劳寿命。

2.3　中央悬挂装置中央悬挂装置是由二系悬挂系统和牵引装置等组成(见图5)。

(1)二系悬挂系统图4　动力转向架轮对轴箱定位装置图5　中央悬挂装置二系悬挂系统是由2组空气弹簧系统、横向减振器、横向挡、抗侧滚扭杆等组成。

每组空气弹簧均设有1套高度控制阀,保证空簧的工作高度,2组空气弹簧间设有差压阀,保证当任1空气弹簧失去压22设计制造 机车车辆工艺　第3期2004年6月力时,该转向架另1个空气弹簧也要立即放气。

要求采用横向大变位、低刚度的空气弹簧,利用其良好的横向特性,可代替传统转向架中摇枕的作用,达到简化结构和轻量化目的的同时,保证车辆性能。

同时在空气弹簧和附加气室间设节流阀,利用节流阀的可调阻尼有效地衰减垂向振动而代替二系垂直液压减振器。

在车体与构架之间安装抗侧滚扭杆装置,以减少车体相对构架的侧滚角位移。

为了提高车辆舒适性并限制车体的横向位移,在车体中心牵引销和构架之间设有横向减振器和非线性的横向止挡。

(2)牵引装置要求有较大的纵向刚度满足传递驱动力和制动力,同时在横向和垂向对转向架产生较小的附加刚度。

本方案中采用低位“Z”型双牵引拉杆结构,减小轴重转移,提高粘着利用率,能可靠的传递纵向牵引力和制动力,同时垂向和横向刚度比较小,适应车体与转向架之间的相对运动。

在双牵引拉杆座和构架之间设有防止空气弹簧过充止挡。

2.4　基础制动装置转向架基础制动采用轴盘式盘形制动结构。

与踏面制动相比,盘形制动具有摩擦因数稳定、制动效率高、散热性能好、磨损量小及噪音低等优点,采用盘形制动形式也使将来弹性车轮的使用成为可能。

动车转向架每条轮对设1套盘形制动单元,在转向架上斜对称布置,拖车转向架每条轮对设2套盘形制动单元。

根据制动计算结果在转向架上设置停放制动缸。

由于盘形制动结构在铁路客车上已运用十分成熟,在城轨车辆上使用基本不存在技术上的问题。

2.5　牵引传动装置动力转向架牵引传动装置由牵引电机、齿轮减速箱和鼓形齿轮联轴器3部分组成。

牵引电机采用全悬挂结构,通过螺栓固定在构架横梁电机吊座上;鼓形齿轮联轴器是传动装置的关键部件,它既要能保证均匀地传递扭矩,同时需具有适应构架和轮对之间相对运动的能力;齿轮箱为两级齿轮传动系统,压装在车轴上,并通过弹性吊杆悬挂在构架横梁齿轮箱吊座上,齿轮箱体一侧还设置了1个安全托架,该托架与构架上的安全止挡一起对齿轮箱起安全防护作用。

3　强度和动力学性能分析3.1　强度分析转向架设计应保证各主要承载件在车辆运用的各种最不利工况下其静强度、疲劳强度满足安全要求。

B型车转向架构架不仅要考虑普通客车构架所受各种载荷工况,还要充分考虑分析牵引电机吊座和传动齿轮箱吊座及其相邻区域的结构强度和疲劳强度,当构架受线路的随机激扰频率与电机本身固有频率接近时,该部位会成为高应力区域,应选择合适的动载荷或安全系数保证强度。

上海地铁1号线构架电机的动载荷仅取1g,导致该部位强度裕量不足,早期出现裂纹,经对上海地铁车辆进行实测,试验转向架电机最大加速度为3.3g,因此在对构架强度计算时,对电机的动载荷取4g。

另外还要进行构架可靠性评估,预测生命周期,以保证在使用期间(不低于车体30a寿命)不产生危害行车安全的裂纹等重大缺陷。

构架完成首件产品后,要进行静强度和1000万次疲劳强度试验。

3.2　动力学优化设计要求建立精确的B型车辆系统非线性数学模型,经过多方案的动力学优化分析,确定转向架的一、二系主要悬挂参数,保证车辆系统的蛇行运动稳定性、曲线通过安全性和运行平稳性符合要求。

(1)蛇行运动稳定性计算为确保B型车辆系统运动稳定性,要求车辆系统的蛇行失稳临界速度要高于其最高运行速度,并且应具有足够的余量。

临界速度的计算应考虑新轮与磨耗后的旧轮、空簧无气、空车、减振器失效、一系纵横向刚度制造公差和长期使用的参数变化等各种工况下的情况,确保列车的运行安全。

(2)运行平稳性计算设计要求在合格的线路上,B型车辆系统在任何载荷和速度的工况下,车体横向及垂向平稳性指标不大于2.5,且车体的垂向和横向平均最大振动加速度需满足;经过150000km运行后,2个方向的平稳性指标不大于2.7。

在计算时应考虑到空气弹簧无气、减振器失效、一系垂向刚度变化、踏面磨耗等不利工况的影响。

(3)曲线通过性能计算计算和分析B型地铁车辆以不同速度分别通过不同半径的曲线线路时,转向架参数对B型地铁车辆系统的轮对横移量、轮对摇头角、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等的影响。

应充分考虑轮、轨(下转第27页)32城轨B型车辆转向架方案设计W0i=0.92+0.0048v+0.000125v2(7)取30‰直线顺坡紧急制动,所以有:F i=0.835×104×(x i-x i-1)。

4　方程式的解对于式(4),具有非线性性质的牵引力、制动力、运行阻力以及非线性特性的车钩缓冲装置运动方程的求解,实际上是解非线性微分方程问题,一般可采用数值积分方法。

首先将非稳态工况开始前的机车牵引力、车钩力、制动力、运行阻力代入式(4)中,并将n+1个二阶微分方程组变换为2(n+1)个一阶微分方程组。

选取合适的初始条件后采用数值积分法积分。

最常用的积分方法是四阶龙格-库塔法、显式数值积分法等。

积分后求出t=t+Δt时的列车的状态,然后以新状态下的机车牵引力、车钩力、制动力及运行阻力代入微分方程,再求出下一时间步长下的列车状态。

照此办法沿时间坐标前进可求出整个瞬态过程中列车纵向运动的状态。

本次采用显式数值积分法求解。

4.1　计算初始条件列车在牵引力、制动力及线路坡度变化时(非稳态过程)产生在列车中的纵向作用力比稳态运行时大得多,在非稳态过程中车辆之间的相互作用力具有冲击和振动的性质,考虑到米轨货车只限开远分局使用,无驼峰编组作业,调车速度小,装载吨位小,列车牵引吨位也小,因此其最大纵向力出现在顺坡紧急制动。

所以计算工况如下:(1)线路:30‰坡道;(2)列车行进:顺坡紧急制动,牵引力为零;(3)初速度:11km/h;(4)列车编组:18辆P31,每辆总重48t。

4.2　编程求解M i x″i=T i+F i-F i+1-B i-W ii=0,1,2...17。

采用显式数值积分法,求解可得最大纵向力为506kN,该力出现在列车后部2/3处。