秦娟蘭 陳兵

摘要：本文介紹了金鷹重型工程機(jī)械有限公司研制的GCD300型重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、整體結(jié)構(gòu)，闡述了各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元強(qiáng)度計(jì)算以及采用德國(guó)航空航天中心開(kāi)發(fā)的SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：軌道車(chē);轉(zhuǎn)向架;設(shè)計(jì);仿真分析

0? 引言

城市軌道交通軌道車(chē)承擔(dān)軌道交通線路設(shè)備的維運(yùn)及電客車(chē)車(chē)輛的維護(hù)、牽引、調(diào)車(chē)、運(yùn)輸、救援等，城市軌道交通運(yùn)輸方式中如輕軌、地鐵、現(xiàn)代有軌電車(chē)等其速度高、行車(chē)密度大，其線路在建設(shè)過(guò)程中受地理環(huán)境和交通實(shí)際狀況的影響，軌道曲線多，且軌道半徑非常?。ㄗ钚?50m），而目前城市軌道交通軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架大部分是沿用國(guó)鐵軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架，導(dǎo)致在使用過(guò)程中，由于不適應(yīng)城市軌道交通線路特性，容易出現(xiàn)輪緣磨耗偏大、運(yùn)行品質(zhì)差等缺陷，為了適應(yīng)小曲線半徑軌道線路和軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行品質(zhì)的不足，金鷹重型工程機(jī)械有限公司對(duì)GCD300型重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，該車(chē)轉(zhuǎn)向架充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)理念，具有結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定、便于組裝、使用與維修成本低等特點(diǎn)。

1? 整體結(jié)構(gòu)

GCD300型重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架采用二軸轉(zhuǎn)向架，沿用國(guó)鐵軌道車(chē)輛兩軸轉(zhuǎn)向架成熟結(jié)構(gòu)，如焊接式構(gòu)架、橡膠堆旁承、單元制動(dòng)器等。為提高機(jī)車(chē)粘著重量利用率和運(yùn)行品質(zhì)，新型轉(zhuǎn)向架上安裝有低位牽引裝置、架承式懸掛的牽引電機(jī)、碾鋼材料整體車(chē)輪等。該轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱總成、驅(qū)動(dòng)裝置（包括牽引電機(jī)、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)等）、牽引裝置、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝等主要部件及撒砂裝置、制動(dòng)附件、電氣附件等附屬部件組成（圖1）。

2? 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵，也是檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向架是否符合標(biāo)準(zhǔn)的前提。

主要技術(shù)參數(shù)如表 1。

3? 部件簡(jiǎn)介

3.1 構(gòu)架

GCD300型重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體為H型箱梁結(jié)構(gòu)，由兩根側(cè)梁和一根梁焊接而成，為了提高構(gòu)架整體剛度、降低應(yīng)力、改善受力情況，箱內(nèi)設(shè)置有筋板。構(gòu)架也是安裝各部件的骨架，其上還設(shè)有單元制動(dòng)器安裝座、車(chē)軸齒輪箱安裝座、電機(jī)吊座、減振器座、軸箱拉桿座等。

構(gòu)架采用具有優(yōu)良機(jī)械性能和焊接性能材料，各板材采用Q345B低合金高強(qiáng)度鋼板，構(gòu)架粱體焊接執(zhí)行EN15085標(biāo)準(zhǔn)。

轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了構(gòu)架有限元強(qiáng)度計(jì)算和動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算。構(gòu)架有限元分析采用ANSYS軟件進(jìn)行，計(jì)算的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)B/T2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，參考BS EN13749-2011《鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架-規(guī)定轉(zhuǎn)向架-構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的方法》。計(jì)算結(jié)果表明，模擬運(yùn)營(yíng)工況下最大應(yīng)力152.6MPa（應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2），標(biāo)準(zhǔn)未超出Q345B鋼許用應(yīng)力為216MPa的標(biāo)準(zhǔn)。

構(gòu)架橫梁上裝有2個(gè)側(cè)擋，能限制軌道車(chē)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的自由橫動(dòng)量。當(dāng)側(cè)擋貼靠起作用后，側(cè)擋體內(nèi)的橡膠塊還能產(chǎn)生彈性緩沖作用。構(gòu)架側(cè)梁底面焊有軸箱側(cè)擋，其磨耗面與車(chē)軸軸承箱單側(cè)擋間隙為7.5～10.5mm;軸箱側(cè)擋磨耗板與軸箱止擋重合面高度在30～50mm之間。

3.2 輪對(duì)與軸箱裝置

車(chē)輛輪對(duì)全部為驅(qū)動(dòng)輪對(duì)，車(chē)輪直徑840mm，采用符合TB/T449的LM磨耗型踏面。

軸箱裝置主要由軸箱體、單拉桿、一系彈簧、油壓減振器等組成（圖3）。軸箱采用內(nèi)置懸掛方式，使軸箱中心距縮短，充分利用構(gòu)架H型結(jié)構(gòu);采用無(wú)導(dǎo)框彈性單拉桿定位，與傳統(tǒng)軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架雙拉桿結(jié)構(gòu)比較，各軸箱均減少了一個(gè)拉桿和拉桿座，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，安裝更方便;同時(shí)對(duì)單拉桿的橡膠節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得合適的一系懸掛縱向剛度與橫向剛度，在保證直線運(yùn)行平穩(wěn)性的前提下，提高了曲線通過(guò)能力。軸箱拉桿兩端設(shè)有橡膠關(guān)節(jié)，使軸箱可以依靠橡膠關(guān)節(jié)的徑向、軸向及扭轉(zhuǎn)彈性變形，實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的相對(duì)位移，使輪對(duì)與構(gòu)架間成為彈性聯(lián)接。

車(chē)軸軸承箱上部設(shè)計(jì)有起吊掛板，當(dāng)車(chē)輛需要起復(fù)時(shí)，起吊掛板可以與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連掛在一起，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)、軸箱無(wú)捆綁起復(fù)。為保證起復(fù)的效率，在掛勾上增加起復(fù)用墊塊，以減少?gòu)椈傻纳扉L(zhǎng)，從而減少?gòu)?fù)軌器的行程。該種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。

一系彈簧裝置由各軸箱體左右各一組彈簧以及并聯(lián)的一系垂向油壓減振器組成，用以承載重量并緩沖、吸收運(yùn)行過(guò)程中的各種垂向振動(dòng)。各組彈簧均由內(nèi)外圈彈簧加橡膠墊組成，彈簧加橡膠墊靜撓度95mm。

軸箱軸承型號(hào)為352226×2-2RZ，為符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)的自潤(rùn)滑免維護(hù)軸承，可以節(jié)約運(yùn)用中的維護(hù)時(shí)間。

3.3 二系懸掛裝置

二系懸掛裝置采用軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架成熟的四點(diǎn)支撐旁承方式，旁承采用性能良好、維護(hù)工作量小的橡膠堆結(jié)構(gòu)，靜撓度為15mm，并配置了兩個(gè)橫向液壓減振器以衰減機(jī)車(chē)的橫向振動(dòng)，提高舒適性;二系懸掛裝置磨耗板采用新材料新工藝制作，摩擦系數(shù)非常小，車(chē)輛通過(guò)曲線軌道時(shí)有利于車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便于車(chē)體順利通過(guò)曲線軌道。

3.4 牽引裝置

本轉(zhuǎn)向架采用 “Z”型牽引桿機(jī)構(gòu)，具有牽引點(diǎn)低、強(qiáng)度高、落車(chē)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。牽引裝置主要由牽引拉桿、中心銷(xiāo)、壓板、側(cè)擋等組成。

牽引裝置用以傳遞轉(zhuǎn)向架與底架之間的牽引力，并使轉(zhuǎn)向架能相對(duì)于車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)和橫向移動(dòng)。牽引拉桿沿著車(chē)長(zhǎng)方向布置，其一端與構(gòu)架橫梁上的牽引座通過(guò)螺栓聯(lián)接，另一端與焊接在牽引銷(xiāo)體上的牽引座聯(lián)接。牽引力、制動(dòng)力通過(guò)牽引拉桿傳遞至牽引銷(xiāo)體，通過(guò)與車(chē)體固定聯(lián)接的牽引銷(xiāo)體上端將力傳遞給車(chē)體。

牽引裝置側(cè)面焊有側(cè)擋，側(cè)擋與轉(zhuǎn)向架橫向止擋座間隙為14～16mm，超過(guò)時(shí)應(yīng)在側(cè)擋背面加墊板調(diào)節(jié)。牽引裝置與轉(zhuǎn)向架橫梁之間間隙為30±4mm，不滿足時(shí)調(diào)整中心銷(xiāo)與車(chē)架之間的調(diào)整墊。

3.5 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置包括交流牽引電機(jī)、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)。牽引電機(jī)采用架承式懸掛，上下各1個(gè)支座與構(gòu)架橫梁上的橡膠墊安裝座聯(lián)接，橡膠墊具有良好的吸收高平震動(dòng)的能力，能有效減小軌道（道岔或彎道處）高平震動(dòng)對(duì)牽引電機(jī)的沖擊，支座與安裝座間設(shè)有卡槽，確保橡膠墊安裝座失效時(shí)牽引電機(jī)不致脫落。

齒輪箱采用二級(jí)傳動(dòng)，通過(guò)兩級(jí)平行軸直齒輪傳動(dòng)增大扭矩并最終驅(qū)動(dòng)輪對(duì)。車(chē)軸齒輪箱主要由上箱體、下箱體、透氣器、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪對(duì)、強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成。齒輪箱采用齒輪泵強(qiáng)制潤(rùn)滑和飛濺潤(rùn)滑相結(jié)合以確保無(wú)盲點(diǎn)潤(rùn)滑，保證車(chē)輛運(yùn)行安全。

強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑泵為雙向齒輪泵，泵送的潤(rùn)滑油在分配閥的作用下可以到達(dá)各軸承部位，保證車(chē)輛在前進(jìn)、后退工況均能得到可靠潤(rùn)滑。外接吸油盤(pán)確保為各潤(rùn)滑點(diǎn)提供干凈清潔的潤(rùn)滑油。飛濺潤(rùn)滑系統(tǒng)為輔助潤(rùn)滑，在上箱體和下箱體上有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來(lái)收集齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)飛濺到箱體上的潤(rùn)滑油，并通過(guò)油道流入各潤(rùn)滑點(diǎn)。

車(chē)軸齒輪箱的輸入端通過(guò)鼓形齒聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接。

3.6 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用結(jié)構(gòu)緊湊、方便安裝踏面制動(dòng)單元制動(dòng)器，單元制動(dòng)器設(shè)有自動(dòng)閘調(diào)器，能保證緩解時(shí)閘瓦間隙在4-8mm范圍內(nèi)。

單元制動(dòng)器配套TB/T2403H型高摩合成閘瓦，其制動(dòng)倍率可根據(jù)車(chē)重變化進(jìn)行選取，以滿足地鐵車(chē)輛制動(dòng)需要。

每臺(tái)轉(zhuǎn)向架均設(shè)有2個(gè)帶彈簧停車(chē)制動(dòng)的單元制動(dòng)器，當(dāng)坡道停車(chē)時(shí)，可以排出彈簧停車(chē)制動(dòng)缸內(nèi)的總風(fēng)，停車(chē)制動(dòng)彈簧釋放，推動(dòng)閘瓦壓緊車(chē)輪，使車(chē)輛停駐在坡道上。

4? 動(dòng)力學(xué)性能仿真計(jì)算

動(dòng)力學(xué)性能采用德國(guó)航空航天中心開(kāi)發(fā)的SIMPACK機(jī)械＼機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)＼動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，其橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均達(dá)到良好（如圖4所示），以60mm以下的欠超高通過(guò)半徑為300m、400m、600m的圓曲線和以45km/h通過(guò)由12號(hào)道岔組成的渡線、以30km/h通過(guò)由9號(hào)道岔組成的渡線時(shí)的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和傾覆系數(shù)均小于GB/T17426-1998規(guī)定的限度值，曲線運(yùn)行安全性滿足GB/T17426-1998的要求。

5? 結(jié)語(yǔ)

金鷹重型工程機(jī)械有限公司通過(guò)自主創(chuàng)新，研發(fā)GCD300型重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架，大大提高地鐵軌道車(chē)輛的運(yùn)行品質(zhì)，目前采用新型地鐵轉(zhuǎn)向架的軌道車(chē)輛已經(jīng)在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)使用，獲得了較高的滿意度及評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王伯銘.城市軌道交通車(chē)輛總體及轉(zhuǎn)向架[M].科學(xué)出版社，2013.

[2]馬巧艷，王文，張德榮.快捷貨車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元仿真分析[A].中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)車(chē)輛委員會(huì)，快捷貨車(chē)轉(zhuǎn)向架技術(shù)交流會(huì)論文集[C].2015.

[3]羅華軍，陶功安，曾艷梅.地鐵A型車(chē)輛ZMA100型轉(zhuǎn)向架的技術(shù)特征[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2009（06）.