美國波士頓地鐵軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉志遠 張文康 高純友 徐成祥 李 濤 王凱風(fēng) 劉海濤

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//第一作者，高級工程師)

軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架具有結(jié)構(gòu)空間緊湊、重量輕、運行噪聲低、曲線通過性能好、適應(yīng)扭曲線路強等諸多優(yōu)點。目前，地鐵發(fā)展較早的北美市場對于軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架的需求量非常大，尤其是美國地鐵市場。中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡為“長客股份”)于2014年12月中標(biāo)美國波士頓地鐵項目，依托美國波士頓地鐵項目要求，長客股份自主研制了軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架。

1 軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架為軸箱內(nèi)置式帶搖枕結(jié)構(gòu)，設(shè)計過程中主要采用了美國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括FRA(聯(lián)邦鐵路管理局),APTA(美國公共交通協(xié)會)和AAR(美國鐵路協(xié)會)等標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)向架采用整體鑄造構(gòu)架和鑄造搖枕；二系懸掛采用雙曲囊空氣彈簧，控制模式采用三點控制方式；一系懸掛采用人字形橡膠彈簧；每根車軸都由1套驅(qū)動裝置驅(qū)動；每臺轉(zhuǎn)向架上裝有4套踏面制動單元，其中每車一位轉(zhuǎn)向架安裝2套帶停放功能的制動單元；采用第三軌受流方式；一位轉(zhuǎn)向架上還裝有信號天線、輪緣潤滑、三軌冰雪刮刀及緊急停車觸發(fā)裝置。轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。轉(zhuǎn)向架的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

注：1——構(gòu)架；2——搖枕；3——輪對軸箱裝置；4——一系懸掛裝置；5——二系懸掛裝置；6——牽引裝置；7——驅(qū)動裝置；8——基礎(chǔ)制動裝置；9——受流裝置；10——信號裝置

1.1 構(gòu)架和搖枕

構(gòu)架采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，構(gòu)架上設(shè)有各種設(shè)備的安裝座，包括受流器、制動單元、電機及齒輪箱等。搖枕亦采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，搖枕內(nèi)腔作為空氣彈簧的附加氣室，內(nèi)腔采用防腐涂層進行防腐。構(gòu)架和搖枕結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

表1 軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)

注:1——構(gòu)架;2——搖枕;3——旁承;4——中心銷摩擦套

構(gòu)架和搖枕之間通過旁承傳遞垂向載荷，并通過中心銷傳遞縱向力和橫向力，構(gòu)架上的中心銷孔內(nèi)安裝有具有自潤滑功能的摩擦套。構(gòu)架和搖枕之間設(shè)有旋轉(zhuǎn)止擋，防止構(gòu)架和搖枕之間發(fā)生過量的旋轉(zhuǎn)運動。構(gòu)架和搖枕的鑄造材料采用C4鋼，其性能優(yōu)于B級鋼。構(gòu)架使用壽命不小于30 a。

1.2 輪對軸箱裝置

輪對由車輪、車軸、軸箱、軸箱軸承和降噪阻尼環(huán)等組成，且每條輪對上都裝有1套齒輪箱和接地裝置。軸箱軸承為內(nèi)置式，輪對軸箱裝置如圖3所示。車軸的設(shè)計壽命為40 a，材質(zhì)為AAR標(biāo)準(zhǔn)M-101中的F級，且按照EN 13104標(biāo)準(zhǔn)進行強度分析。車輪采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為AAR 標(biāo)準(zhǔn)M-107中的B級,車輪直徑為711.2 mm,且其強度分析按照EN 13979和AAR S-660標(biāo)準(zhǔn)進行。每個車輪安裝有2套降噪阻尼環(huán)，軸承為自密封結(jié)構(gòu)，軸箱采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，鑄鋼材質(zhì)為B級鋼。

注:1——車輪；2——車軸;3——軸箱組成(含軸承)

1.3 懸掛牽引裝置

轉(zhuǎn)向架采用兩級懸掛結(jié)構(gòu)。一系懸掛結(jié)構(gòu)(見圖4)采用人字型橡膠彈簧，一系橡膠彈簧安裝在軸箱的兩側(cè)。一系懸掛還包括一系定位桿和撞擊止擋， 一系定位桿同時能夠起到起吊的功能。二系懸掛結(jié)構(gòu)(見圖5)主要由空氣彈簧、高度調(diào)整閥、差壓閥、抗側(cè)滾扭桿、橫向及垂向液壓減振器、橫向緩沖止擋等組成。

注:1——人字型橡膠彈簧；2——一系定位桿

注:1——空氣彈簧;2——高度閥;3——抗側(cè)滾扭桿;4——橫向緩沖器；5——橫向減振器；6——垂向減振器；7——差壓閥

其中，空氣彈簧(見圖6)為雙曲囊結(jié)構(gòu)，彈簧內(nèi)部帶有1個輔助橡膠彈簧，在空氣彈簧無氣時提供緊急狀態(tài)下的支撐剛度，同時緊急橡膠彈簧內(nèi)還設(shè)有金屬止擋。車輛采用3點控制空氣彈簧的充風(fēng)和排風(fēng)，其中一位轉(zhuǎn)向架上裝有1套高度閥控制系統(tǒng)，二位轉(zhuǎn)向架裝有2套高度閥控制系統(tǒng)，且二位轉(zhuǎn)向架上的兩個空氣彈簧之間設(shè)有一個差壓閥?？箓?cè)滾扭桿的垂向連桿一端采用無磨耗的橡膠節(jié)點結(jié)構(gòu)，另一端采用關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)進行連接。橫向緩沖止擋與中心銷的自由間隙為10 mm，止擋內(nèi)部設(shè)有金屬止擋，保證止擋的最大彈性壓縮量不超過20 mm。每個轉(zhuǎn)向架設(shè)有一個橫向液壓減振器和兩個二系垂向液壓減振器,用于控制車輛的橫向和垂向振動。當(dāng)車輪直徑由于磨耗或鏇輪加工造成車輛高度降低時，可在旁承和構(gòu)架之間增加調(diào)整墊。構(gòu)架和搖枕之間的縱向力和橫向力主要通過中心銷進行傳遞，搖枕和車體間設(shè)有雙牽引拉桿(見圖7)，用于傳遞縱向力，且牽引拉桿的兩端均裝有彈性橡膠節(jié)點。

圖6 空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 牽引拉桿安裝示意圖

1.4 驅(qū)動裝置

每臺動車轉(zhuǎn)向架均裝有兩套驅(qū)動裝置。牽引電動機采用架懸式，與構(gòu)架上的電機吊座剛性連接。齒輪箱為平行軸式，齒輪箱采用二級齒輪傳動結(jié)構(gòu)。齒輪減速箱箱體的一端通過軸承安裝于車軸上，箱體的另一端通過吊桿彈性地吊裝于構(gòu)架側(cè)梁的齒輪箱吊座上。聯(lián)軸節(jié)為齒式結(jié)構(gòu)。電機上設(shè)有速度傳感器，為牽引、信號和制動提供速度信號。驅(qū)動裝置具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置(見圖9)采用踏面制動形式。一位轉(zhuǎn)向架每根車軸上安裝有常用制動和帶停放功能的制動各1套，二位轉(zhuǎn)向架4個制動單元均為常用制動。轉(zhuǎn)向架制動管路安裝在構(gòu)架底部。停放制動缸可以通過手動方式進行緩解，且緩解作業(yè)可以在司機室和車下進行。另外，一位轉(zhuǎn)向架一位軸的兩側(cè)各裝有1套緊急停車觸發(fā)裝置。

圖9 基礎(chǔ)制動裝置結(jié)構(gòu)圖

1.6 輔助裝置

每組車的一位轉(zhuǎn)向架端部安裝有ATP(列車自動保護)天線和輪緣潤滑裝置(見圖10)，天線和輪緣潤滑安裝支架采用A588鋼板焊接而成，天線支架與構(gòu)架的連接采用螺栓連接，并設(shè)有二級保護裝置。

注：1——ATP天線；2——輪緣潤滑；3——二級保護裝置

2 轉(zhuǎn)向架分析計算及試驗驗證

2.1 構(gòu)架強度計算及試驗驗證

根據(jù)用戶合同要求及美國國家標(biāo)準(zhǔn)AWSD 1.1，采用ANSYS軟件對構(gòu)架靜強度和疲勞強度進行了分析。其中，靜強度要求在規(guī)定的載荷下(包括30g設(shè)備沖擊載荷)，最大應(yīng)力不得超過屈服強度的50%；疲勞強度不得超出AWS D 1.1中規(guī)定的疲勞許用應(yīng)力。計算結(jié)果顯示，構(gòu)架及搖枕的靜強度及疲勞強度均滿足標(biāo)準(zhǔn)及合同要求。

另外，長客股份對構(gòu)架結(jié)構(gòu)進行了強度試驗，且試驗結(jié)束后均進行了磁粉探傷。結(jié)果顯示，構(gòu)架未出現(xiàn)任何裂紋，且滿足強度要求。

2.2 車輛動力學(xué)性能分析

采用Vampire軟件對車輛進行了動力學(xué)性能分析計算，且分別對用戶合同中規(guī)定的11種工況進行了計算分析，計算內(nèi)容包括車輛高速穩(wěn)定性、運行安全性、側(cè)風(fēng)傾覆、靜態(tài)輪重減載及動態(tài)輪重減載、乘坐舒適性能以及小曲線通過性能等。

為了確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性，采用軌道檢測設(shè)備對已經(jīng)磨耗到限的軌道進行了正線和車廠線的軌道測試，根據(jù)測試結(jié)果形成真實的軌道譜，并將真實的軌道譜輸入到計算模型中。另外，對不同運營公里的車輪進行了踏面外形測試，并繪制出磨耗踏面外形。結(jié)合軌廓測試及磨耗輪踏面外形測試，動力學(xué)計算考慮了新輪/新軌，新輪/磨耗軌，磨耗輪/新軌，磨耗輪/磨耗軌4種輪軌匹配關(guān)系，并逐一對其動力學(xué)性能進行計算分析。結(jié)果表明，車輛的動力學(xué)性能完全滿足用戶合同要求。

3 結(jié) 語

軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架完全是長客股份自主研發(fā)的產(chǎn)品，同時也是長客股份及國內(nèi)其它軌道車輛企業(yè)首次為美國地鐵提供轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。該類型的轉(zhuǎn)向架通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算及試驗驗證，證明轉(zhuǎn)向架性能完全滿足用戶合同及規(guī)范使用要求。