摘 要: 首次使用I2D EA S 軟件進行了B 型城市軌道交通車輛轉向架的三維裝配設計。闡述了轉向架的主要結構設計特點和動力學性能參數的優化選擇。
關鍵詞: 城市軌道交通; 輕軌車輛; 轉向架; 設計; 參數; 優化
1 概述
城市軌道交通具有安全、快速、準時、高效、節能、無污染和占地少的特點, 能滿足城市發展和環境保護的現實要求。發展城市軌道交通是解決城市公共交通問題的根本途徑, 也是城市可持續發展戰略的必然選擇。現代快速城市軌道交通系統采用全封閉車道、自動信號控制調度系統和輕型快速電動車組, 行車密度大, h～ 40 km 平均旅行速度一般為30 km /h, 最高運行h～ 90 km 速度為80 km /h, 單向最大載客能力可達6 萬人h～ 8 萬人h。城市軌道交通車輛有三大關鍵技術: VVV F 調頻調壓交流傳動與控制技術; 輕量化車體技術; 輕量化、高性能、高可靠性轉向架技術。
現代城市軌道交通車輛的類型一般可以分為A 型、B 型、C 型和低地板輕軌車。其中, 低地板輕軌車又可分為70% 低地板和100% 低地板2 種。目前, 同時具有發展城市軌道交通的現實需要和經濟實力的多為客流量大的大中型城市, 其快速軌道交通系統發展的主流是以A 型車或B 型車為基礎, 基本編組單元為2M + 1T 或1M+ 1T 的電動車組立體化運行。整個軌道交通系統正朝著地下鐵道、高架輕軌和近郊地面三位一體的立體化、網絡化方向發展。采用VVV F 交流傳動技術和輕量化耐候鋼或不銹鋼車體的B 型車, 能夠滿足我國一些城市軌道交通系統的發展要求, 并有一定的技術經濟性, 其走行部為輕量化、低噪聲的無搖枕轉向架。
2 轉向架選型分析
2. 1 城市軌道交通對轉向架的特殊要求與干線鐵路相比, 城市軌道交通有以下特點:
(1) 間距短, 啟停頻繁, 對牽引和制動性能要求很高;
(2) 曲線半徑小, 對走行部要求高;
(3) 線路坡度大, 可達30‰～ 60‰;
(4) 載重從1816 t (310 人) 到26 t (432 人), 空重車重量差大;
(5) 行車密度大, 最短行車間隔可達115 m in～ 2 m in, 自動控制程度高;
(6) 運行環境特殊, 安全可靠性要求極高;
(7) 對噪聲要求嚴格;
(8) 需滿足城市總體風格和居民的審美要求, 車輛造型和色彩要求極富創造性。對于轉向架的運行穩定性、輕量化、低噪聲、高可靠性、易維護及特殊的運行環境必須給予足夠的重視。轉向架對車輛的運行性能和行車安全至關重要, 對軌道交通系統運行的經濟性有重大影響。
2. 2 國內既有轉向架的特點目前, 國內地鐵、輕軌電動客車用轉向架除國產的外, 還有引進國外技術的, 主要有2 種: 一種是上海地鐵1 號線、2 號線和廣州地鐵1 號線用轉向架, 為從歐洲整機進口的產品; 另一種是北京復八線地鐵用轉向架, 為引進韓國韓進重工技術研制生產的產品。其中, 上海2 號線地鐵車輛也用于我國第一條高架輕軌—— 明珠線。為便于分析比較, 將各種轉向架的主要技術特征和參數列于表1。
2. 3 轉向架的發展方向縱觀國內外情況,A 型或B 型城市軌道交通車輛走行部的發展趨勢是輕量化、低噪聲的無搖枕轉向架, 一系懸掛為橡膠彈簧, 二系懸掛為空氣彈簧與抗側滾扭桿并用, 牽引電機橫向架懸, 采用單元式基礎制動裝置。城市軌道交通車輛的線路條件和走行特性與干線鐵路車輛有很大不同, 如轉向架的結構設計空間十分苛刻; 采用交流傳動技術, 齒輪傳動比很高; 載客量很素的綜合作用給城市軌道交通車輛轉向架的設計帶來大, 運行環境特殊, 安全可靠性要求極高, 等等。這些因了特殊的困難。
表1 現有地鐵、輕軌轉向架的主要技術特征和參數
注: 上海地鐵1 號線用轉向架為橡膠彈性聯軸器。
3 轉向架總體設計要求和主要技術參數
3. 1 轉向架總體設計要求
(1) 轉向架的綜合性能應符合規定的限界和線路條件, 能夠滿足地下鐵道、高架線路和近郊地面大容量、快速城市軌道交通系統的運用要求。
(2) 轉向架具有適宜的運行穩定性和良好的曲線通過能力。
(3) 運行平穩性指標按GB5599—1985 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》的規定執行: 車輛在空載和滿載之間的任何載荷條件及各種運營速度下, 其垂向和橫向平穩性指標均小于或等于215, 且性能穩定。
(4) 轉向架的安全性指標按GB5599—1985 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》的規定執行: 脫軌系數Q ?P ≤1. 0; 輪重減載率?P ?P ≤016; 傾覆系數D ≤018。
(5) 轉向架關鍵零部件的靜強度、動強度符合有關國際標準或TB1335—1996 《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的要求。
(6) 適當采取輕量化措施, 轉向架總重約415t(不含驅動裝置)。
(7) 可靠性高, 對可能的故障均采取安全措施。
(8) 可維護性好。
3. 2 轉向架主要技術參數
4 轉向架主要結構設計特點
B 型城市軌道交通車輛轉向架為輕量化、低噪聲、無搖枕轉向架。軸箱彈簧為無磨耗圓錐疊層橡膠彈簧, 采用H 型鋼板壓型焊接構架, 中央懸掛為空氣彈簧直接支承車體的三無結構, 采用單元式單側閘瓦踏面制動裝置, 牽引電機橫向架懸。轉向架分為動車轉向架(圖1) 和拖車轉向架(圖2)。在動車轉向架的每根車軸上裝有1 臺交流牽引電動機、齒輪傳動箱和聯軸器。動車轉向架與拖車轉向架相比, 除軸箱彈簧的特性參數不同外, 其他零部件可完全互換。
圖1 動車轉向架裝配圖
圖2 拖車轉向架裝配圖
首次采用I2DEA S 軟件對轉向架直接進行三維裝配設計。構架、軸箱等的三維造型設計為后續的有限元強度計算打下了基礎。對各零部件進行了準確的質量、轉動慣量、重心和主慣性軸位置的計算, 以便為轉向架的動力學性能計算提供可靠的基礎數據。
4. 1 輪對軸箱定位裝置輪對軸箱定位裝置采用圓錐疊層橡膠彈簧(圖3) , 橡膠彈簧的優點在于具有非線性剛度特性, 并有隔離高頻振動和降低輪軌噪聲的作用。對三向彈簧參數
圖3 輪對軸箱彈簧裝配圖
進行優化選擇, 在獲得轉向架適宜的蛇行運動穩定性和滿足傳遞制動力、牽引力要求的前提下, 注重提高轉向架的曲線通過能力。在軸箱彈簧與軸箱之間設有調整墊片, 以便于落車調整。軸箱蓋與構架之間設有安全吊環。
采用我國現行標準的H SD 型車輪, 車輪滾動圓直徑為<840 mm , 踏面為LM 型磨耗形踏面。遠期有條件時將采用噪聲優化車輪和大等效斜度圓弧踏面。車軸為非標RC3 軸, 軸頸直徑為<120 mm, 軸頸中心距為1 930 mm 。采用<120mm ×<240mm ×160mm 雙列圓柱滾子軸承, 軸箱材料為鑄鋼, 有條件時將采用鋁合金。
4. 2 構架組成構架為H 型輕量化低合金高強度鋼板焊接結構, 主要由2 根側梁和2 根橫梁組成(圖4)。側梁上蓋板、
下蓋板和立板的厚度分別為12 mm 、14 mm 、10 mm, 側梁內部設有多塊厚度為8 mm 的筋板。構架橫梁采用直徑<180 mm 、壁厚14 mm 的無縫鋼管, 可提高構架主體結構的可靠性。側梁與橫梁的連接處和兩橫梁之間設有縱向加強梁。
圖4 構架裝配圖
構架側梁上焊有制動缸安裝座、軸箱彈簧定位座等, 橫梁上焊有牽引電機吊座、齒輪箱吊桿座、牽引拉桿座和橫向緩沖器座等。所有關鍵安裝座的位置精度均通過對轉向架構架的整體加工獲得。采用三維有限元分析法進行了構架應力和振動模態分析。計算表明, 構架整體應力分布合理, 不存在薄弱環節。模態分析采用了L anczo s 方法, 最低階模態振型為構架扭曲, 頻率為3011 H z 。正常運用情況下, 轉向架構架的使用壽命不低于車體壽命(30 a), 在此期間內不需要對轉向架進行結構修整。轉向架焊接制造完工后需進行消除焊接內應力的處理。
4. 3 中央懸掛裝置
中央懸掛裝置采用低橫向剛度、大扭轉變形的空氣彈簧直接支承車體的三無結構, 垂向用可變阻尼節流閥減振, 橫向安裝油壓減振器, 還設有非線性橫向緩沖止擋和新型抗側滾扭桿裝置(圖5)。動車頭部轉向架裝設排障器和信號天線托架。當采用第三軌受電時, 還需裝設第三軌受流器。
圖5 無搖枕型中央懸掛裝配
牽引裝置由中心銷、牽引梁、復合彈簧和新結構Z 形牽引拉桿組成, 牽引點距軌面高度為385 mm 。新結構Z 形牽引拉桿具有低的橫向及垂向附加剛度, 提高了車輛的橫向及垂向動力學性能, 實現了無磨耗、無間隙牽引。
4. 4 基礎制動裝置
動車、拖車轉向架均采用單側單元式踏面制動裝置, 制動力優先由動車的再生制動負擔。每軸設1 個帶彈簧停放制動器的單元制動缸, 停放制動能力滿足用戶規定的最大限制坡道要求。此方案的優點在于, 動車、拖車轉向架的制動裝置(除制動倍率外) 完全相同。與軸裝盤形制動和輪裝盤形制動相比, 該轉向架具有較低的簧下質量, 有利于減小輪軌之間的動作用力。單元制動缸的主要技術參數見表3。
4. 5 齒輪傳動裝置采用斜齒輪一級減速, 以使傳動平穩, 降低傳動噪聲。為降低簧下質量, 齒輪箱材料采用高強度鑄造鋁合金。采用剛性可移式鼓形齒聯軸器或TD 型撓性板式聯軸器(圖6)。齒輪箱采用具有雙面密封效果的機械式迷宮密封, 免維護, 無磨損。傳動裝置的傳動比等主要技術參數將依據列車基本單元的配置和牽引電機的選擇來確定。
4. 6 其他裝置
圖6 牽引電機傳動裝置
5 轉向架動力學性能參數優化
鐵道車輛是一個復雜的多體動力學系統, 不但有各個部件之間的相互作用力和相對運動關系, 還有輪軌之間復雜的相互作用關系。在轉向架設計過程中, 筆者與北方交通大學合作, 利用德國鐵路專用軟件S IM 2 PA CK 建立了車輛系統的多體動力學模型, 對影響車輛動力學性能的轉向架主要參數進行了優化計算。包括: 一系圓錐橡膠彈簧的三向剛度、二系橫向減振器阻尼、抗蛇行減振器阻尼、抗側滾扭桿剛度和車輪踏面斜度的變化等。車輛系統的每種參數對車輛的動態響應、蛇行運動穩定性和曲線通過性能三個方面的影響是不同的, 而且, 提高車輛蛇行運動臨界速度和改善車輛曲線通過性能這兩者對懸掛參數的要求是有矛盾的。因此, 車輛懸掛系統的結構設計和參數選擇, 只能按實際運用條件進行綜合考慮。這些條件包括最高運營速度、曲線半徑和超高以及線路不平順等。通過多方案的參數優化選擇, 轉向架蛇行運動的計算臨界速度為220 km /h, 動車、拖車的運行平穩性指標小于2. 5, 曲線通過能力和運行安全性指標滿足有關標準的要求。
6 結論與建議
立足于國內技術, 研制出具有國際先進水平的轉向架, 對我國城市軌道交通的發展具有重大意義。轉向架的結構設計受車輛限界、地板高度、車輛寬度和軸重等的嚴格限制。通過B 型城市軌道交通車輛轉向架的設計, 筆者有以下幾點體會:
(1) 雖然完成了轉向架的設計和理論分析計算, 但結構設計的合理性、關鍵零部件的疲勞強度以及運行性能仍有待于進一步試驗和長期的運用考驗。
(2) 對于采用VVV F 交流傳動的A 型和B 型城市軌道交通車輛來說, 踏面單元制動是較理想的基礎制動方式。
(3) 車輪直徑大小及其輻板形式不僅影響輪軌之滑防空轉控制傳感器、接地電刷裝置和固體輪緣潤滑間的相互作用, 也關系到轉向架傳動裝置的設計和牽引電機的選擇。應盡快研制車輪直徑和輻板形式合理的噪聲優化車輪。
(4) 有關單位應研制專門適用于城市軌道交通車輛的大等效斜度圓弧踏面, 以提高城市軌道交通系統運營的經濟性。
(5) 城市軌道交通車輛轉向架的研制是一個復雜的系統工程。轉向架的設計與線路、限界條件、傳動技術的發展以及轉向架基礎零部件的技術水平密切相關。
(6) B 型城市軌道交通車輛轉向架的基本結構和技術完全可以用于A 型車, 只需根據A 型車鋁合金車體的設計特點對轉向架固定軸距和空氣彈簧上支承面高度進行適當調整即可。
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