段華東

(南車集團(tuán)公司 株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心,湖南株洲412001)

廣州地鐵3號線車輛轉(zhuǎn)向架由德國西門子公司設(shè)計,采用 H型構(gòu)架和輪盤制動,運(yùn)營最高速度為120 km/h。株洲電力機(jī)車有限公司引進(jìn)了該轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架制造技術(shù)和轉(zhuǎn)向架組裝技術(shù),同時引進(jìn)了生產(chǎn)該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的全套工裝設(shè)備。該轉(zhuǎn)向架的制造均按照ISO 、UIC、DIN 、EN、BN 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,制造過程中采用了低應(yīng)力小變形焊接工藝等國際先進(jìn)技術(shù)。該轉(zhuǎn)向架的制造質(zhì)量不僅達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求,而且主要零部件如構(gòu)架、輪對等已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

1 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

廣州地鐵3號線車輛轉(zhuǎn)向架分兩種:動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架。動車轉(zhuǎn)向架帶有三相交流鼠籠式異步電動機(jī),拖車轉(zhuǎn)向架沒有帶電動機(jī)。

動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本相同,主要包括構(gòu)架、輪對軸箱裝置、驅(qū)動裝置(僅動車轉(zhuǎn)向架有)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引裝置、抗側(cè)滾裝置、基礎(chǔ)制動裝置和附屬裝置等。動車轉(zhuǎn)向架組成見圖1。

下面介紹廣州地鐵3號線車輛轉(zhuǎn)向架主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

圖1 動車轉(zhuǎn)向架組成

2.1 構(gòu)架

廣州地鐵兩種轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用互換性設(shè)計。原西門子構(gòu)架材料主要選用 EN 10155 S3535J2G1或EN 10025 S355J2G3,這種鋼材結(jié)合表面處理能較好的避免腐蝕。改進(jìn)后的廣州地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架選擇代用材料(見表1),其化學(xué)成分和機(jī)械性能都達(dá)到了西門子的規(guī)定要求。該構(gòu)架由一根橫梁和兩根側(cè)梁(左右各一根)組焊成H結(jié)構(gòu)。構(gòu)架橫梁采用兩根Q 345E無縫鋼管,橫梁上設(shè)有牽引桿座、制動器安裝座、橫向止擋座、電機(jī)懸掛座和齒輪箱吊座。構(gòu)架側(cè)梁由16M nDR鋼板焊接成中間下凹的魚腹形箱型結(jié)構(gòu),側(cè)梁在中間下凹以便安裝空氣彈簧。側(cè)梁上設(shè)有一系彈簧安裝座、橫向和垂向油壓減振器安裝座、抗側(cè)滾扭桿座、轉(zhuǎn)臂定位座和天線安裝座。構(gòu)架的焊接按DIN6700標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各安裝座的設(shè)計具有較高的剛度和強(qiáng)度,能承受較大的交變載荷,其中轉(zhuǎn)臂定位座采用鍛件,制動器安裝座和牽引桿座采用鑄件。

2.2 輪對軸箱裝置

輪對由車輪和車軸壓裝而成,其組裝和公差按EN 13260和UIC 813規(guī)定執(zhí)行。車輪采用整軋鋼輪,材料和化學(xué)成分按EN 13262的ER8規(guī)定;車軸材料和化學(xué)成分按EN 13261的EA 1N1規(guī)定。車輪上設(shè)有特殊的制動盤安裝座,車軸上設(shè)有驅(qū)動齒輪和齒輪箱的安裝座。

軸箱主要由軸箱體、軸箱軸承、軸箱端蓋等組成。軸箱采用轉(zhuǎn)臂定位。軸箱體采用高強(qiáng)度的合金鋼鑄造。軸箱軸承采用圓錐滾子軸承,它有較強(qiáng)的承載能力。軸箱外側(cè)設(shè)有軸箱端蓋,并采用密封件密封。

2.3 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置主要由電動機(jī)、齒輪箱、聯(lián)軸器等組成。電動機(jī)為三相交流牽引電機(jī),通過橡膠墊彈性架懸在構(gòu)架上,這應(yīng)當(dāng)是國內(nèi)地鐵電機(jī)橡膠懸掛的首次選用;為防止電機(jī)脫落,在懸掛端設(shè)有安全卡槽和防脫落板。齒輪箱一端抱軸安裝,另一端通過吊桿懸掛在齒輪箱安裝座上,并增設(shè)安全托架以防止齒輪箱吊桿正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時脫落;齒輪箱采用低噪聲和安全可靠的兩級齒輪傳動系統(tǒng),箱體材料采用高強(qiáng)度鑄鐵件;齒輪箱采用垂直式分隔型結(jié)構(gòu),小間隙的多層迷宮式密封。齒輪和齒輪軸由表面硬化的鋼材制成。傳動齒輪和電動機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的連接由柔性齒式聯(lián)軸器來實(shí)現(xiàn),它可補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)軸和齒輪轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生的各種相對位移,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定傳遞。

2.4 懸掛裝置

懸掛裝置主要由一系懸掛和二系懸掛組成。

一系懸掛安裝在構(gòu)架與軸箱之間,主要包括螺旋鋼彈簧、垂向油壓減振器、橡膠墊、垂向止擋等。一系懸掛采用結(jié)構(gòu)簡單的轉(zhuǎn)臂式定位,一系縱、橫剛度相對獨(dú)立且分配合理,較好的解決了轉(zhuǎn)向架曲線通過和抗蛇行穩(wěn)定運(yùn)行的矛盾。一系彈簧相對于軸箱中心偏置安裝,降低了側(cè)梁高度,優(yōu)化了承載分配。采用雙圈螺旋鋼彈簧組能兼顧車輛空、重車狀態(tài)和抑制車輛的垂向高頻轉(zhuǎn)動,并滿足轉(zhuǎn)向架提速的性能要求。減振器能有效減少轉(zhuǎn)向架的垂向振動,還可用作上升止擋,限制車體向上產(chǎn)生過大位移。橡膠墊用來吸收高頻振動,能減少高頻振動對構(gòu)架的破壞。

二系懸掛安裝在轉(zhuǎn)向架和車體之間,主要包括空氣彈簧、高度調(diào)整閥、橫向止擋、橫向油壓減振器、垂向油壓減振器、抗側(cè)滾扭桿等。空氣彈簧用來承受和傳遞車體載荷,在無空氣狀態(tài)下,還設(shè)有緊急橡膠彈簧來維持地鐵車輛運(yùn)行。高度調(diào)整閥用來調(diào)整空氣彈簧的充放氣,以此限制不同負(fù)載狀態(tài)下車輛地板面相對軌面的高度變化在很小范圍內(nèi)(一系懸掛的橡膠蠕變和車輪磨耗除外)。橫向止擋和橫向減振器用于限制車體的橫向移動。抗側(cè)滾扭桿兩端通過橡膠軸承懸掛在車體底架上,有效降低了轉(zhuǎn)向架的簧間質(zhì)量,并起到限制車體向上產(chǎn)生過大位移的安全作用。橫向止擋、油壓減振器和抗側(cè)滾扭桿的采用,大大提高了轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性能。

2.5 牽引裝置

牽引裝置主要由牽引桿、牽引座、橡膠關(guān)節(jié)等組成。牽引桿用來傳遞車體和轉(zhuǎn)向架之間的縱向作用力。牽引座設(shè)有牽引桿安裝座、減振器安裝座、整體起吊孔和橫向止擋座。橡膠關(guān)節(jié)設(shè)在牽引桿兩端,其作用是減少列車加速和減速時對牽引桿的沖擊,避免牽引桿的磨損。

2.6 基礎(chǔ)制動裝置

廣州地鐵轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置采用盤形制動器,每根車軸上安裝兩個制動盤。輪盤制動能有效地配合電氣制動,以此保證車輛的運(yùn)行安全。輪盤制動可減少車輪磨耗,提高車輪使用壽命。

2.7 附屬裝置

附屬裝置主要包括接地裝置、傳感器裝置、輪緣潤滑裝置、轉(zhuǎn)向架布線等。接地裝置和速度傳感器都安裝在軸箱上。輪緣潤滑裝置的噴嘴安裝在轉(zhuǎn)向架的前軸上。

3 轉(zhuǎn)向架的國產(chǎn)化

3.1 構(gòu)架選材(表1)

Q345E和16M nDR按DIN 6700要求進(jìn)行了相應(yīng)的化學(xué)成分、機(jī)械和焊接性能試驗(yàn),并且在DJ1機(jī)車和上海地鐵轉(zhuǎn)向架制造時確認(rèn)了其代用性能。

表1 構(gòu)架板材的代用方案表

3.2 構(gòu)架焊接

株洲電力機(jī)車有限公司建立了DIN6700焊接體系,完成了認(rèn)證申請、焊工資質(zhì)認(rèn)證、設(shè)計輸出文件改進(jìn)、焊接工藝評定、焊接構(gòu)件供應(yīng)商管理、焊接質(zhì)量體系管理文件編制、焊接質(zhì)量體系專題審核等工作。

為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,構(gòu)架焊接中其橫梁、側(cè)梁、構(gòu)架和各附件都采用焊接工裝進(jìn)行。構(gòu)架焊接過程遵循DIN 6700的焊接規(guī)定,焊接方法主要采用富氬氣體保護(hù)焊。構(gòu)架焊完后各焊縫經(jīng)打磨光滑平整來盡可能消除焊縫表面缺陷,并通過噴丸、打沙消除氧化層。焊縫表面缺陷按EN 25817鋼電弧焊接缺陷等級標(biāo)準(zhǔn)評定,焊縫按DIN 6700標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X光檢驗(yàn),按EN 1290的檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行磁粉探傷。檢驗(yàn)不能有不良缺陷。

3.3 構(gòu)架強(qiáng)度校核

在構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核中,計算載荷和載荷工況按西門子公司提供的構(gòu)架試驗(yàn)大綱規(guī)定的計算載荷和載荷工況實(shí)施。按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)架各種載荷組合了13種工況,并考慮超常載荷工況和3g沖擊載荷工況。通過I-DEAS仿真分析,計算結(jié)果表明3g沖擊載荷工況產(chǎn)生最大Von Mises應(yīng)力值(見圖2)為247 MPa,此值小于材料屈服極限315 M Pa,可見構(gòu)架靜強(qiáng)度合格。通過計算構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)在1～13種工況下的平均應(yīng)力及最大、最小主應(yīng)力值,并將各值點(diǎn)入Goodman曲線進(jìn)行疲勞評估,得出構(gòu)架滿足材料的疲勞強(qiáng)度要求。

圖2 3g沖擊載荷工況的Von Mises應(yīng)力云圖

3.4 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

在構(gòu)架的國產(chǎn)化過程中,還對構(gòu)架進(jìn)行了主要載荷下的靜強(qiáng)度試驗(yàn)與超常載荷下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

構(gòu)架疲勞試驗(yàn)過程中,確保了載荷的形式和大小與實(shí)際運(yùn)用工況的一致性,并充分考慮最惡劣工況。構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)次數(shù)為1千萬次,按照UIC615-4施加階段載荷,試驗(yàn)按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,試驗(yàn)過程中同時對構(gòu)架進(jìn)行無損探傷檢查。

通過強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證國產(chǎn)化構(gòu)架的使用壽命。

3.5 輪對組裝

輪對組裝采用壓裝,方法是通過油壓機(jī)將車軸均勻壓入車輪。壓裝前裝配表面需要涂油來減少拉傷,車輪和車軸壓裝時,油壓機(jī)自動記錄器可自動記錄壓力曲線圖,由此可確定壓裝是否符合要求。廣州地鐵輪對壓裝曲線如圖3,輪轂與輪座的位移達(dá)到20 mm前,開始增加裝配力,然后持續(xù)增加力,過油槽時允許壓入力稍有下降,壓入力不得超過規(guī)定范圍。壓裝終止前,位移的最后25mm內(nèi)壓力降應(yīng)限制在49 kN以內(nèi)。

3.6 轉(zhuǎn)向架組裝與試驗(yàn)

圖3 輪對壓裝曲線圖

由于引進(jìn)了轉(zhuǎn)向架的組裝技術(shù),因此實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架的組裝國產(chǎn)化。組裝的主要工裝設(shè)備有升降臺、落車臺位等。組裝例行試驗(yàn)包括稱重調(diào)簧試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。稱重調(diào)簧試驗(yàn)是通過對組裝好的轉(zhuǎn)向架加載,通過增加一系彈簧的墊片,調(diào)整各輪重和軸重偏差在±2%以內(nèi)。氣密性試驗(yàn)表明空氣管道的密封良好。

4 結(jié)束語

在廣州地鐵3號線車輛轉(zhuǎn)向架項(xiàng)目中,輪對、軸箱體及端蓋、一系彈簧、橡膠彈簧、抗側(cè)滾扭桿裝置、牽引裝置等零部件都在國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,進(jìn)一步有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的有接地裝置、轉(zhuǎn)向架布線、電機(jī)、輪緣潤滑裝置等。隨著國內(nèi)供應(yīng)商技術(shù)水平的提高,國產(chǎn)化的程度會逐步上升。

這些轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化,嚴(yán)格按照西門子轉(zhuǎn)向架要求進(jìn)行了動力學(xué)計算和出廠試驗(yàn)。動力學(xué)計算表明國產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行平穩(wěn)性(優(yōu)級)、運(yùn)行穩(wěn)定性,曲線通過性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,且滿足轉(zhuǎn)向架安全運(yùn)行要求;試驗(yàn)驗(yàn)證了國產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計要求,這為國產(chǎn)化轉(zhuǎn)向架在后續(xù)交付車輛中的全部應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ),并得到業(yè)主的一致好評。

[1]王 娟,謝 謙,黃 憲.地鐵車輛國產(chǎn)化探討[J].鐵道車輛,2003,(8):24-28.