摘 要: 首次使用I2D EA S 软件进行了B 型城市轨道交通车辆转向架的三维装配设计。阐述了转向架的主要结构设计特点和动力学性能参数的优化选择。
关键词: 城市轨道交通; 轻轨车辆; 转向架; 设计; 参数; 优化
1 概述
城市轨道交通具有安全、快速、准时、高效、节能、无污染和占地少的特点, 能满足城市发展和环境保护的现实要求。发展城市轨道交通是解决城市公共交通问题的根本途径, 也是城市可持续发展战略的必然选择。现代快速城市轨道交通系统采用全封闭车道、自动信号控制调度系统和轻型快速电动车组, 行车密度大, h～ 40 km 平均旅行速度一般为30 km /h, 最高运行h～ 90 km 速度为80 km /h, 单向最大载客能力可达6 万人h～ 8 万人h。城市轨道交通车辆有三大关键技术: VVV F 调频调压交流传动与控制技术; 轻量化车体技术; 轻量化、高性能、高可靠性转向架技术。
现代城市轨道交通车辆的类型一般可以分为A 型、B 型、C 型和低地板轻轨车。其中, 低地板轻轨车又可分为70% 低地板和100% 低地板2 种。目前, 同时具有发展城市轨道交通的现实需要和经济实力的多为客流量大的大中型城市, 其快速轨道交通系统发展的主流是以A 型车或B 型车为基础, 基本编组单元为2M + 1T 或1M+ 1T 的电动车组立体化运行。整个轨道交通系统正朝着地下铁道、高架轻轨和近郊地面三位一体的立体化、网络化方向发展。采用VVV F 交流传动技术和轻量化耐候钢或不锈钢车体的B 型车, 能够满足我国一些城市轨道交通系统的发展要求, 并有一定的技术经济性, 其走行部为轻量化、低噪声的无摇枕转向架。
2 转向架选型分析
2. 1 城市轨道交通对转向架的特殊要求与干线铁路相比, 城市轨道交通有以下特点:
(1) 间距短, 启停频繁, 对牵引和制动性能要求很高;
(2) 曲线半径小, 对走行部要求高;
(3) 线路坡度大, 可达30‰～ 60‰;
(4) 载重从1816 t (310 人) 到26 t (432 人), 空重车重量差大;
(5) 行车密度大, 最短行车间隔可达115 m in～ 2 m in, 自动控制程度高;
(6) 运行环境特殊, 安全可靠性要求极高;
(7) 对噪声要求严格;
(8) 需满足城市总体风格和居民的审美要求, 车辆造型和色彩要求极富创造性。对于转向架的运行稳定性、轻量化、低噪声、高可靠性、易维护及特殊的运行环境必须给予足够的重视。转向架对车辆的运行性能和行车安全至关重要, 对轨道交通系统运行的经济性有重大影响。
2. 2 国内既有转向架的特点目前, 国内地铁、轻轨电动客车用转向架除国产的外, 还有引进国外技术的, 主要有2 种: 一种是上海地铁1 号线、2 号线和广州地铁1 号线用转向架, 为从欧洲整机进口的产品; 另一种是北京复八线地铁用转向架, 为引进韩国韩进重工技术研制生产的产品。其中, 上海2 号线地铁车辆也用于我国第一条高架轻轨—— 明珠线。为便于分析比较, 将各种转向架的主要技术特征和参数列于表1。
2. 3 转向架的发展方向纵观国内外情况,A 型或B 型城市轨道交通车辆走行部的发展趋势是轻量化、低噪声的无摇枕转向架, 一系悬挂为橡胶弹簧, 二系悬挂为空气弹簧与抗侧滚扭杆并用, 牵引电机横向架悬, 采用单元式基础制动装置。城市轨道交通车辆的线路条件和走行特性与干线铁路车辆有很大不同, 如转向架的结构设计空间十分苛刻; 采用交流传动技术, 齿轮传动比很高; 载客量很素的综合作用给城市轨道交通车辆转向架的设计带来大, 运行环境特殊, 安全可靠性要求极高, 等等。这些因了特殊的困难。
表1 现有地铁、轻轨转向架的主要技术特征和参数
注: 上海地铁1 号线用转向架为橡胶弹性联轴器。
3 转向架总体设计要求和主要技术参数
3. 1 转向架总体设计要求
(1) 转向架的综合性能应符合规定的限界和线路条件, 能够满足地下铁道、高架线路和近郊地面大容量、快速城市轨道交通系统的运用要求。
(2) 转向架具有适宜的运行稳定性和良好的曲线通过能力。
(3) 运行平稳性指标按GB5599—1985 《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定执行: 车辆在空载和满载之间的任何载荷条件及各种运营速度下, 其垂向和横向平稳性指标均小于或等于215, 且性能稳定。
(4) 转向架的安全性指标按GB5599—1985 《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定执行: 脱轨系数Q ?P ≤1. 0; 轮重减载率?P ?P ≤016; 倾覆系数D ≤018。
(5) 转向架关键零部件的静强度、动强度符合有关国际标准或TB1335—1996 《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求。
(6) 适当采取轻量化措施, 转向架总重约415t(不含驱动装置)。
(7) 可靠性高, 对可能的故障均采取安全措施。
(8) 可维护性好。
3. 2 转向架主要技术参数
4 转向架主要结构设计特点
B 型城市轨道交通车辆转向架为轻量化、低噪声、无摇枕转向架。轴箱弹簧为无磨耗圆锥叠层橡胶弹簧, 采用H 型钢板压型焊接构架, 中央悬挂为空气弹簧直接支承车体的三无结构, 采用单元式单侧闸瓦踏面制动装置, 牵引电机横向架悬。转向架分为动车转向架(图1) 和拖车转向架(图2)。在动车转向架的每根车轴上装有1 台交流牵引电动机、齿轮传动箱和联轴器。动车转向架与拖车转向架相比, 除轴箱弹簧的特性参数不同外, 其他零部件可完全互换。
图1 动车转向架装配图
图2 拖车转向架装配图
首次采用I2DEA S 软件对转向架直接进行三维装配设计。构架、轴箱等的三维造型设计为后续的有限元强度计算打下了基础。对各零部件进行了准确的质量、转动惯量、重心和主惯性轴位置的计算, 以便为转向架的动力学性能计算提供可靠的基础数据。
4. 1 轮对轴箱定位装置轮对轴箱定位装置采用圆锥叠层橡胶弹簧(图3) , 橡胶弹簧的优点在于具有非线性刚度特性, 并有隔离高频振动和降低轮轨噪声的作用。对三向弹簧参数
图3 轮对轴箱弹簧装配图
进行优化选择, 在获得转向架适宜的蛇行运动稳定性和满足传递制动力、牵引力要求的前提下, 注重提高转向架的曲线通过能力。在轴箱弹簧与轴箱之间设有调整垫片, 以便于落车调整。轴箱盖与构架之间设有安全吊环。
采用我国现行标准的H SD 型车轮, 车轮滚动圆直径为<840 mm , 踏面为LM 型磨耗形踏面。远期有条件时将采用噪声优化车轮和大等效斜度圆弧踏面。车轴为非标RC3 轴, 轴颈直径为<120 mm, 轴颈中心距为1 930 mm 。采用<120mm ×<240mm ×160mm 双列圆柱滚子轴承, 轴箱材料为铸钢, 有条件时将采用铝合金。
4. 2 构架组成构架为H 型轻量化低合金高强度钢板焊接结构, 主要由2 根侧梁和2 根横梁组成(图4)。侧梁上盖板、
下盖板和立板的厚度分别为12 mm 、14 mm 、10 mm, 侧梁内部设有多块厚度为8 mm 的筋板。构架横梁采用直径<180 mm 、壁厚14 mm 的无缝钢管, 可提高构架主体结构的可靠性。侧梁与横梁的连接处和两横梁之间设有纵向加强梁。
图4 构架装配图
构架侧梁上焊有制动缸安装座、轴箱弹簧定位座等, 横梁上焊有牵引电机吊座、齿轮箱吊杆座、牵引拉杆座和横向缓冲器座等。所有关键安装座的位置精度均通过对转向架构架的整体加工获得。采用三维有限元分析法进行了构架应力和振动模态分析。计算表明, 构架整体应力分布合理, 不存在薄弱环节。模态分析采用了L anczo s 方法, 最低阶模态振型为构架扭曲, 频率为3011 H z 。正常运用情况下, 转向架构架的使用寿命不低于车体寿命(30 a), 在此期间内不需要对转向架进行结构修整。转向架焊接制造完工后需进行消除焊接内应力的处理。
4. 3 中央悬挂装置
中央悬挂装置采用低横向刚度、大扭转变形的空气弹簧直接支承车体的三无结构, 垂向用可变阻尼节流阀减振, 横向安装油压减振器, 还设有非线性横向缓冲止挡和新型抗侧滚扭杆装置(图5)。动车头部转向架装设排障器和信号天线托架。当采用第三轨受电时, 还需装设第三轨受流器。
图5 无摇枕型中央悬挂装配
牵引装置由中心销、牵引梁、复合弹簧和新结构Z 形牵引拉杆组成, 牵引点距轨面高度为385 mm 。新结构Z 形牵引拉杆具有低的横向及垂向附加刚度, 提高了车辆的横向及垂向动力学性能, 实现了无磨耗、无间隙牵引。
4. 4 基础制动装置
动车、拖车转向架均采用单侧单元式踏面制动装置, 制动力优先由动车的再生制动负担。每轴设1 个带弹簧停放制动器的单元制动缸, 停放制动能力满足用户规定的最大限制坡道要求。此方案的优点在于, 动车、拖车转向架的制动装置(除制动倍率外) 完全相同。与轴装盘形制动和轮装盘形制动相比, 该转向架具有较低的簧下质量, 有利于减小轮轨之间的动作用力。单元制动缸的主要技术参数见表3。
4. 5 齿轮传动装置采用斜齿轮一级减速, 以使传动平稳, 降低传动噪声。为降低簧下质量, 齿轮箱材料采用高强度铸造铝合金。采用刚性可移式鼓形齿联轴器或TD 型挠性板式联轴器(图6)。齿轮箱采用具有双面密封效果的机械式迷宫密封, 免维护, 无磨损。传动装置的传动比等主要技术参数将依据列车基本单元的配置和牵引电机的选择来确定。
4. 6 其他装置
图6 牵引电机传动装置
5 转向架动力学性能参数优化
铁道车辆是一个复杂的多体动力学系统, 不但有各个部件之间的相互作用力和相对运动关系, 还有轮轨之间复杂的相互作用关系。在转向架设计过程中, 笔者与北方交通大学合作, 利用德国铁路专用软件S IM 2 PA CK 建立了车辆系统的多体动力学模型, 对影响车辆动力学性能的转向架主要参数进行了优化计算。包括: 一系圆锥橡胶弹簧的三向刚度、二系横向减振器阻尼、抗蛇行减振器阻尼、抗侧滚扭杆刚度和车轮踏面斜度的变化等。车辆系统的每种参数对车辆的动态响应、蛇行运动稳定性和曲线通过性能三个方面的影响是不同的, 而且, 提高车辆蛇行运动临界速度和改善车辆曲线通过性能这两者对悬挂参数的要求是有矛盾的。因此, 车辆悬挂系统的结构设计和参数选择, 只能按实际运用条件进行综合考虑。这些条件包括最高运营速度、曲线半径和超高以及线路不平顺等。通过多方案的参数优化选择, 转向架蛇行运动的计算临界速度为220 km /h, 动车、拖车的运行平稳性指标小于2. 5, 曲线通过能力和运行安全性指标满足有关标准的要求。
6 结论与建议
立足于国内技术, 研制出具有国际先进水平的转向架, 对我国城市轨道交通的发展具有重大意义。转向架的结构设计受车辆限界、地板高度、车辆宽度和轴重等的严格限制。通过B 型城市轨道交通车辆转向架的设计, 笔者有以下几点体会:
(1) 虽然完成了转向架的设计和理论分析计算, 但结构设计的合理性、关键零部件的疲劳强度以及运行性能仍有待于进一步试验和长期的运用考验。
(2) 对于采用VVV F 交流传动的A 型和B 型城市轨道交通车辆来说, 踏面单元制动是较理想的基础制动方式。
(3) 车轮直径大小及其辐板形式不仅影响轮轨之滑防空转控制传感器、接地电刷装置和固体轮缘润滑间的相互作用, 也关系到转向架传动装置的设计和牵引电机的选择。应尽快研制车轮直径和辐板形式合理的噪声优化车轮。
(4) 有关单位应研制专门适用于城市轨道交通车辆的大等效斜度圆弧踏面, 以提高城市轨道交通系统运营的经济性。
(5) 城市轨道交通车辆转向架的研制是一个复杂的系统工程。转向架的设计与线路、限界条件、传动技术的发展以及转向架基础零部件的技术水平密切相关。
(6) B 型城市轨道交通车辆转向架的基本结构和技术完全可以用于A 型车, 只需根据A 型车铝合金车体的设计特点对转向架固定轴距和空气弹簧上支承面高度进行适当调整即可。
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