广州地铁3号线车辆转向架简介及其国产化

段华东

(南车集团公司 株洲电力机车有限公司 技术中心,湖南株洲412001)

广州地铁3号线车辆转向架由德国西门子公司设计,采用 H型构架和轮盘制动,运营最高速度为120 km/h。株洲电力机车有限公司引进了该转向架的构架制造技术和转向架组装技术,同时引进了生产该转向架构架的全套工装设备。该转向架的制造均按照ISO 、UIC、DIN 、EN、BN 的相关标准进行,制造过程中采用了低应力小变形焊接工艺等国际先进技术。该转向架的制造质量不仅达到规定的标准要求,而且主要零部件如构架、轮对等已完全实现国产化。

1 转向架主要技术参数

2 转向架结构

广州地铁3号线车辆转向架分两种:动车转向架和拖车转向架。动车转向架带有三相交流鼠笼式异步电动机,拖车转向架没有带电动机。

动车转向架和拖车转向架结构基本相同,主要包括构架、轮对轴箱装置、驱动装置(仅动车转向架有)、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引装置、抗侧滚装置、基础制动装置和附属装置等。动车转向架组成见图1。

下面介绍广州地铁3号线车辆转向架主要零部件的结构特点。

图1 动车转向架组成

2.1 构架

广州地铁两种转向架构架采用互换性设计。原西门子构架材料主要选用 EN 10155 S3535J2G1或EN 10025 S355J2G3,这种钢材结合表面处理能较好的避免腐蚀。改进后的广州地铁转向架构架选择代用材料(见表1),其化学成分和机械性能都达到了西门子的规定要求。该构架由一根横梁和两根侧梁(左右各一根)组焊成H结构。构架横梁采用两根Q 345E无缝钢管,横梁上设有牵引杆座、制动器安装座、横向止挡座、电机悬挂座和齿轮箱吊座。构架侧梁由16M nDR钢板焊接成中间下凹的鱼腹形箱型结构,侧梁在中间下凹以便安装空气弹簧。侧梁上设有一系弹簧安装座、横向和垂向油压减振器安装座、抗侧滚扭杆座、转臂定位座和天线安装座。构架的焊接按DIN6700标准进行。各安装座的设计具有较高的刚度和强度,能承受较大的交变载荷,其中转臂定位座采用锻件,制动器安装座和牵引杆座采用铸件。

2.2 轮对轴箱装置

轮对由车轮和车轴压装而成,其组装和公差按EN 13260和UIC 813规定执行。车轮采用整轧钢轮,材料和化学成分按EN 13262的ER8规定;车轴材料和化学成分按EN 13261的EA 1N1规定。车轮上设有特殊的制动盘安装座,车轴上设有驱动齿轮和齿轮箱的安装座。

轴箱主要由轴箱体、轴箱轴承、轴箱端盖等组成。轴箱采用转臂定位。轴箱体采用高强度的合金钢铸造。轴箱轴承采用圆锥滚子轴承,它有较强的承载能力。轴箱外侧设有轴箱端盖,并采用密封件密封。

2.3 驱动装置

驱动装置主要由电动机、齿轮箱、联轴器等组成。电动机为三相交流牵引电机,通过橡胶垫弹性架悬在构架上,这应当是国内地铁电机橡胶悬挂的首次选用;为防止电机脱落,在悬挂端设有安全卡槽和防脱落板。齿轮箱一端抱轴安装,另一端通过吊杆悬挂在齿轮箱安装座上,并增设安全托架以防止齿轮箱吊杆正转、反转时脱落;齿轮箱采用低噪声和安全可靠的两级齿轮传动系统,箱体材料采用高强度铸铁件;齿轮箱采用垂直式分隔型结构,小间隙的多层迷宫式密封。齿轮和齿轮轴由表面硬化的钢材制成。传动齿轮和电动机转轴之间的连接由柔性齿式联轴器来实现,它可补偿电机转轴和齿轮转轴之间产生的各种相对位移,从而实现转矩的稳定传递。

2.4 悬挂装置

悬挂装置主要由一系悬挂和二系悬挂组成。

一系悬挂安装在构架与轴箱之间,主要包括螺旋钢弹簧、垂向油压减振器、橡胶垫、垂向止挡等。一系悬挂采用结构简单的转臂式定位,一系纵、横刚度相对独立且分配合理,较好的解决了转向架曲线通过和抗蛇行稳定运行的矛盾。一系弹簧相对于轴箱中心偏置安装,降低了侧梁高度,优化了承载分配。采用双圈螺旋钢弹簧组能兼顾车辆空、重车状态和抑制车辆的垂向高频转动,并满足转向架提速的性能要求。减振器能有效减少转向架的垂向振动,还可用作上升止挡,限制车体向上产生过大位移。橡胶垫用来吸收高频振动,能减少高频振动对构架的破坏。

二系悬挂安装在转向架和车体之间,主要包括空气弹簧、高度调整阀、横向止挡、横向油压减振器、垂向油压减振器、抗侧滚扭杆等。空气弹簧用来承受和传递车体载荷,在无空气状态下,还设有紧急橡胶弹簧来维持地铁车辆运行。高度调整阀用来调整空气弹簧的充放气,以此限制不同负载状态下车辆地板面相对轨面的高度变化在很小范围内(一系悬挂的橡胶蠕变和车轮磨耗除外)。横向止挡和横向减振器用于限制车体的横向移动。抗侧滚扭杆两端通过橡胶轴承悬挂在车体底架上,有效降低了转向架的簧间质量,并起到限制车体向上产生过大位移的安全作用。横向止挡、油压减振器和抗侧滚扭杆的采用,大大提高了转向架的运行稳定性能。

2.5 牵引装置

牵引装置主要由牵引杆、牵引座、橡胶关节等组成。牵引杆用来传递车体和转向架之间的纵向作用力。牵引座设有牵引杆安装座、减振器安装座、整体起吊孔和横向止挡座。橡胶关节设在牵引杆两端,其作用是减少列车加速和减速时对牵引杆的冲击,避免牵引杆的磨损。

2.6 基础制动装置

广州地铁转向架基础制动装置采用盘形制动器,每根车轴上安装两个制动盘。轮盘制动能有效地配合电气制动,以此保证车辆的运行安全。轮盘制动可减少车轮磨耗,提高车轮使用寿命。

2.7 附属装置

附属装置主要包括接地装置、传感器装置、轮缘润滑装置、转向架布线等。接地装置和速度传感器都安装在轴箱上。轮缘润滑装置的喷嘴安装在转向架的前轴上。

3 转向架的国产化

3.1 构架选材(表1)

Q345E和16M nDR按DIN 6700要求进行了相应的化学成分、机械和焊接性能试验,并且在DJ1机车和上海地铁转向架制造时确认了其代用性能。

表1 构架板材的代用方案表

3.2 构架焊接

株洲电力机车有限公司建立了DIN6700焊接体系,完成了认证申请、焊工资质认证、设计输出文件改进、焊接工艺评定、焊接构件供应商管理、焊接质量体系管理文件编制、焊接质量体系专题审核等工作。

为保证产品焊接质量,提高生产效率,构架焊接中其横梁、侧梁、构架和各附件都采用焊接工装进行。构架焊接过程遵循DIN 6700的焊接规定,焊接方法主要采用富氩气体保护焊。构架焊完后各焊缝经打磨光滑平整来尽可能消除焊缝表面缺陷,并通过喷丸、打沙消除氧化层。焊缝表面缺陷按EN 25817钢电弧焊接缺陷等级标准评定,焊缝按DIN 6700标准进行X光检验,按EN 1290的检测标准进行磁粉探伤。检验不能有不良缺陷。

3.3 构架强度校核

在构架静强度和疲劳强度校核中,计算载荷和载荷工况按西门子公司提供的构架试验大纲规定的计算载荷和载荷工况实施。按照UIC615-4标准对构架各种载荷组合了13种工况,并考虑超常载荷工况和3g冲击载荷工况。通过I-DEAS仿真分析,计算结果表明3g冲击载荷工况产生最大Von Mises应力值(见图2)为247 MPa,此值小于材料屈服极限315 M Pa,可见构架静强度合格。通过计算构架各节点在1～13种工况下的平均应力及最大、最小主应力值,并将各值点入Goodman曲线进行疲劳评估,得出构架满足材料的疲劳强度要求。

图2 3g冲击载荷工况的Von Mises应力云图

3.4 构架强度试验

在构架的国产化过程中,还对构架进行了主要载荷下的静强度试验与超常载荷下的静强度和疲劳强度试验。

构架疲劳试验过程中,确保了载荷的形式和大小与实际运用工况的一致性,并充分考虑最恶劣工况。构架的疲劳强度试验次数为1千万次,按照UIC615-4施加阶段载荷,试验按照UIC615-4标准执行,试验过程中同时对构架进行无损探伤检查。

通过强度试验能验证国产化构架的使用寿命。

3.5 轮对组装

轮对组装采用压装,方法是通过油压机将车轴均匀压入车轮。压装前装配表面需要涂油来减少拉伤,车轮和车轴压装时,油压机自动记录器可自动记录压力曲线图,由此可确定压装是否符合要求。广州地铁轮对压装曲线如图3,轮毂与轮座的位移达到20 mm前,开始增加装配力,然后持续增加力,过油槽时允许压入力稍有下降,压入力不得超过规定范围。压装终止前,位移的最后25mm内压力降应限制在49 kN以内。

3.6 转向架组装与试验

图3 轮对压装曲线图

由于引进了转向架的组装技术,因此实现了转向架的组装国产化。组装的主要工装设备有升降台、落车台位等。组装例行试验包括称重调簧试验和气密性试验。称重调簧试验是通过对组装好的转向架加载,通过增加一系弹簧的垫片,调整各轮重和轴重偏差在±2%以内。气密性试验表明空气管道的密封良好。

4 结束语

在广州地铁3号线车辆转向架项目中,轮对、轴箱体及端盖、一系弹簧、橡胶弹簧、抗侧滚扭杆装置、牵引装置等零部件都在国内已实现国产化,进一步有望实现国产化的有接地装置、转向架布线、电机、轮缘润滑装置等。随着国内供应商技术水平的提高,国产化的程度会逐步上升。

这些转向架关键部件的国产化,严格按照西门子转向架要求进行了动力学计算和出厂试验。动力学计算表明国产化转向架的运行平稳性(优级)、运行稳定性,曲线通过性能均符合标准要求,且满足转向架安全运行要求;试验验证了国产化转向架的各项性能指标均符合设计要求,这为国产化转向架在后续交付车辆中的全部应用打下了良好的基础,并得到业主的一致好评。

[1]王 娟,谢 谦,黄 宪.地铁车辆国产化探讨[J].铁道车辆,2003,(8):24-28.