工艺转向架总体方案和牵引/制动计算

李涛，陈选民，邓景山，陆超，景小锋

工艺转向架总体方案和牵引/制动计算

李涛1，陈选民1，邓景山2，陆超1，景小锋2

（1.广州铁路职业技术学院 机车车辆学院，广东 广州 510430； 2.广州地铁集团有限公司 运营事业总部，广东 广州 510000）

对地铁车辆检修用工艺转向架进行了研究，开发了一种新型工艺转向架组，该工艺转向架组由动力工艺转向架和非动力工艺转向架组成，能够适应不同厂家车辆车体的架修要求。地铁车辆检修时，车体和转向架分离，工艺转向架组支撑车体，运载到指定检修区间。介绍了工艺转向架优点和总体方案；对工艺转向架进行了牵引计算和制动计算，计算结果表明，工艺转向架组牵引地铁车辆车体在平直轨道上行驶时，不会出现打滑现象；动力工艺转向架组牵引地铁车辆车体在平直湿滑轨道上行驶并采取制动措施时，也不会出现打滑现象。

工艺转向架；总体方案；牵引计算；制动计算

地铁车辆经过一定时期的运行，各部件会发生磨耗、变形或损坏，为了使地铁车辆在良好状态下稳定可靠地运行，延长使用期限，必须进行有计划的检查和检修。在检修转向架时，把车体和转向架分离后，采用工艺转向架替换转向架，牵引并承载地铁车辆车体，完成车体在各检修区的检修任务[1-4]。

本文开发了一种新型工艺转向架组分为动力工艺转向架和非动力工艺转向架两类。动力工艺转向架采用电力驱动，只需1～2人操作，降低了人力成本，提高了生产效率，效益显著。而目前大部分采用非动力工艺转向架，一种是通过人力推动工艺转向架负载车体，需要7～8人协同完成，推车过程中还有可能发生磕碰事故，存在安全隐患，生产效率较低；另一种是采购轨道牵引车牵引工艺转向架，设备购置成本高。

工艺转向架组适应性广，可多自由度调节，适应不同厂家的车辆车体的架修要求：轴距可调，能满足不同型号的架车机支撑工艺转向架的使用要求；横向和纵向定位装置采用无级调节，可满足不同车型地铁车辆对位；支撑定位装置的安装座可横向滑动，可满足不同车型地铁车辆支撑。工艺转向架能够适应不同车型，采购工艺转向架种类少，占用空间小，采购和维护成本低。

1 工艺转向架组总体方案

新型工艺转向架组设计参数如表1所示。

表1 新型工艺转向架组设计参数

工艺转向架组由动力工艺转向架和非动力工艺转向架组成，作业时由一台动力工艺转向架与一或两台非动力工艺转向架组对，共同支撑一辆地铁车辆的车体运行。动力工艺转向架（图1）主要包括构架、驱动机构、主动走行机构、从动走行机构、支撑定位装置、电源、电气控制系统和附件等[5-7]。非动力工艺转向架（图2）主要包括构架、从动走行机构和支撑定位装置等。动力工艺转向架与非动力工艺转向架的构架、支撑定位装置、走行机构的结构可以通用。

1.构架 2.驱动机构 3.主动走行机构 4.从动走行机构 5.支撑定位装置 6.电源 7.电气控制系统和附件

1.构架 2.从动走行机构 3.支撑定位装置

构架（图3）主要由标准型材和钢板焊接而成，包括一根中央横梁和二根侧梁。构架侧梁下盖板上设有2300/2500 mm两套轴距安装孔，横梁上的悬吊装置安装座有两个安装孔。将走行机构的轴箱定位装置（图4）联接不同安装孔，悬吊装置安装在相应的安装孔内，即可获得2300/2500 mm的轴距。

图3 构架

图4 轴箱定位装置

支撑定位装置由安装座、安全定位装置和承载托盘装置等组成。安全定位装置上设有纵向和横向伸缩机构，可以夹紧地铁车辆的牵引座，承载托盘可以横向滑动，以适应不同厂家的车辆。

走行机构分为主动走行机构和从动走行机构。主动走行机构设置于动力工艺转向架上，由轴箱定位装置、轴箱缓冲橡胶垫、轴箱、轮轴组成、长、短联轴套及扭矩销等组成，通过驱动装置牵引地铁车辆车体自行。从动走行机构只有一根联轴套。

驱动装置由车轴齿轮箱、永磁无刷直流电机和悬挂装置等组成。车轴齿轮箱的输出轴嵌入主动走行机构的轴套中，形成抱轴结构。永磁无刷直流电机安装在车轴齿轮箱体的高速端，其后端部安装有制动器，断电时，制动器制动。悬吊装置弹性吊挂在工艺转向架的悬吊梁上，安装结构简单、安全、可靠。

电源由直流电压48 V的磷酸铁锂电池组和充电机等组成。当蓄电池组电量不足、处于亏电状态时，电量运行器就会显示红色，提示及时充电。采用智能自动锂电专用充电机，可根据蓄电池的充电特性曲线，自动对蓄电池的充电电流、电压和时间进行设置并自动充电，蓄电池充满电后，自动停止充电。

电气控制系统由走行控制系统、充电控制系统和安全警示系统等组成。电气主控柜、走行控制柜、操作手柄、紧急按钮和警示灯均采用矿用防爆型结构，防护等级IP65。动力工艺转向架分为线遥控和面板控制两种运行方式。

附件由电源箱体、电气控制柜体和连挂装置等组成。蓄电池箱和充电机走行控制箱具有防水防爆功能和良好通风散热能力。蓄电池箱底部开有进气孔，上侧面开有排气孔。散热孔采用内藏式，可防止冲洗水喷入，进排气孔处采用金属网栅进行隔爆。蓄电池组上方设有金属网栅进行隔爆。充电走行控制箱内装有电气主控柜、充电机和走行控制柜。电气主控柜和走行控制柜也采用矿用防爆箱结构，外侧开有推拉门，方便充电插头、遥控手柄及线缆收纳。

2 牵引计算

根据TB/T 1407－1998《列车牵引计算规程》[8]和相关文献[9-10]进行车辆牵引计算。

一台动力工艺转向架、一台非动力工艺转向架和地铁车辆的车体组成临时车辆，由动力工艺转向架牵引，在平直轨道上运行。

2.1 车辆启动单位基本阻力

参照《列车牵引计算规程》[8]2.4.1车辆起动单位基本阻力ω'，动力工艺转向架与非动力工艺转向架走行机构类似，起动阻力相同，临时车辆的起动基本阻力ω'取为5 N/kN。

2.2 车辆附加阻力

（1）坡道附加阻力ω：临时车辆在平直轨道上运行，坡道坡度为0，根据《列车牵引计算规程》[8]（2-24），ω＝，故ω＝0。

（2）曲线附加阻力ω：临时车辆在车间直线上运行，故ω＝0；

（3）隧道附加阻力ω：临时车辆车间内运行，无隧道，故ω＝0；

故根据《列车牵引计算规程》[8]（2-29），加算附加阻力ω＝ω＋ω＋ω＝0。

2.3 车辆启动运行单位总阻力ωq

ω＝ω＋ω'＝5 N/kN，即为5‰。

2.4 轮周牵引力、运行阻力和计算粘着牵引力

一个动力工艺转向架包括一条主动轮对与一条从动轮对。主动轮对上安装YP132B5-48V 3.0-600型电机，电机上的制动盘制动力转矩为电机额定转矩的1.5倍。根据使用经验，车轴齿轮箱的传动效率＝85%。

则电机功率为：

式中：为电机输出转矩，N·m；为转速，r/min。

由式（1）推导出：

计算得：＝47.75 N·m。

电机经过车轴齿轮箱减速后，车轴齿轮箱的输出转矩T为：

式中：为车轴齿轮箱传动比；为车轴齿轮箱的传动效率。

计算得：T＝1294.3 N·m。

车轴齿轮箱的输出轴与主动轮轴组成采用轴套与扭矩销联接，输出转矩直接传送至主动轮轴组成的车轮上，主动轮轴组成的车轮圆周转矩等于车轴齿轮箱的输出转矩。

该转矩输出的轮周牵引力1为：

式中：0为新轮轮径，mm。

计算得：1＝5177.2 N。

该临时车辆的总质量P为：

式中：01为动力工艺转向架质量，t；02为非动力工艺转向架质量，t；03为车体质量，t。

计算得：P＝33.3 t。

该临时车辆在平直轨道上运行时的运行总阻力2为：

式中：P为临时车辆总质量，t；为重力加速度，m/s2；w为临时车辆启动运行单位总阻力。

计算得：2＝1633.4 N。

由于地铁车辆结构基本是对称的，因此前、后两个转向架各承载一半车体的质量，即动力转向架承受的载荷1为：

计算得：1＝137340 N。

动力工艺转向架自重2为：

计算得：2＝30214.8 N。

动力转向架为两轴结构设计，结构基本是对称的，因此主动轮轴组成承受载荷为该转向架自重与其承载的一半，即主动轮轴组成承受的载荷3为：

计算得：3＝83777.4 N。

由于主动轮轴组成承受的载荷通过车轮组成全部作用在钢轨上，因此主动轮轴组成载荷就是主动轮轴组成的粘着重量。

参照《列车牵引计算规程》[8]5.2.1.1国产各型电力机车的计算粘着系数μ为：

式中：为工艺转向架组最大行走速度，km/h。

计算得：μ＝0.345。

主动轮轴组成的计算粘着牵引力3为：

计算得：3＝28903.2 N。

通过以上计算，得出粘着牵引力3＞＞轮周牵引力1＞＞运行阻力2，动力工艺转向架可以满足其牵引地铁车辆的车体在平直轨道上行驶的动力要求，不会出现打滑的现象。

3 制动计算

3.1 电机主轴输出的制动力矩

当电机接到制动指令时，电机停止工作，制动盘制动，电机主轴输出的制动力矩T为：

计算得：T＝71.63 N·m。

3.2 车轴齿轮箱的输出转矩

电机经过车轴齿轮箱减速后，车轴齿轮箱的输出转矩T为：

计算得：T＝2687.4 N·m。

3.3 轮周制动力

车轴齿轮箱的输出轴与主动轮轴组成采用轴套与扭矩销相联，车轴齿轮箱输出的制动转矩直接传递至主动轮轴组成的车轮上。该制动转矩产生的轮周制动力F为：

计算得：F＝10749.6 N。

3.4 临时车辆的总制动力

临时车辆的总制动力F为制动力矩产生的轮周制动力与运行总阻力之和，即：

计算得：F＝12383 N。

3.5 制动粘着系数

计算得：μ＝0.152。

3.6 制动粘着力

主动轮轴组成的轮轨制动粘着力F0为：

计算得：F0＝12734.2 N。

通过以上计算可知，轮周制动力F小于制动粘着力F0，动力工艺转向架牵引地铁车辆的车体在平直湿滑轨道上行驶并采取制动措施时，主动轮轴组成的车轮制动时不打滑。

4 现场应用

2018年底，在广州地铁集团有限公司运营事业总部基地维修中心车辆大修部（以下简称车辆大修部）完成了工艺转向架组牵引车体走行试验（如图5所示）、制动试验、车体落在转向架上对位等试验，试验结果表明，工艺转向架各项性能均满足要求。

图5 工艺转向架组牵引车体走行试验

该新型工艺转向架在车辆大修部的试用报告结论如下：

（1）该工艺转向架轴距可调、支撑装置间距可调、中心销定位装置可调，接口与广州地铁A2、A5型车接口匹配；

（2）该工艺转向架与广州地铁西朗车辆段架车机、移车台、轨道（试验段）接口匹配；

（3）该工艺转向架的承载能力、牵引力及制动力满足广州地铁A2、A5型车车重要求；

（4）该工艺转向架采用电力驱动，使用方便，在一定程度上提高了生产效率，降低了劳动强度。

5 结束语

根据地铁车辆检修需求设计了一种新型工艺转向架，该工艺转向架采用电力驱动，可多自由度调节，能够适应不同厂家车辆车体的架修要求，可提高自动化程度和生产效率，减轻工人劳动，工艺转向架采购种类少，占用空间少，采购和维护成本低。对工艺转向架进行了牵引计算和制动计算和试验，计算和试验结果均满足要求。

[1]牛晓波. 机车检修用工艺转向架的设计[J]. 铁道机车车辆工人，2015，13（2）：3-5.

[2]冯娜娜，赵慧. 一种智能工艺转向架的设计研究[J]. 郑州铁路职业技术学院学报，2016，28（1）：26-28.

[3]李鹏程，熊禾根. 基于AWE的工艺转向架构架优化设计研究[J]. 工业技术与职业教育，2011，33（23）：110-113.

[4]戴俊，魏云平. 可调宽度中空轴动车工艺转向架设计与分析[J].机械设计与制造工程，2017，46（6）：67-70.

[5]连青林. 动车组通过小半径曲线工艺转向架设计研究[J]. 铁道科学与工程学报，2017，14（9）：1814-1819.

[6]费久利，赫宏联，孙应东，等. 具有曲线通过能力的动车组工艺转向架研究[J]. 机车车辆工艺，2014（5）：31-33.

[7]戴俊，魏云平. 可调宽度中空轴动车工艺转向架设计与分析[J].机械设计与制造工程，2017，46（6）：67-70.

[8]TB/T 1407－1998，列车牵引计算规程[S]. 中华人民共和国铁道部，1999.

[9]张帅，魏伟. HXD1组合列车牵引与电制动模型的验证[J]. 铁道机车车辆，2018，38（5）：39-44.

[10]肖冰. 新型速度160km/h交流传动客运内燃机车运用考核的牵引适应性研究[J]. 铁道机车与动车，2018（8）：39-42.

Overall Scheme of Process Bogie and Traction/Brake Calculation

LI Tao1，CHEN Xuanmin1，DENG Jingshan2，LU Chao1，JING Xiaofeng2

( 1.Locomotive and Rolling Stock College, Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou 510430, China; 2.Operation Headquarter, Guangzhou Metro Group Co., Guangzhou 510000, China )

In this paper, the process bogie used for subway vehicle maintenance is studied, and a new process bogie set is developed, which is composed of power process bogie and non-power power bogie and can adapt to different intermediate repair requirements of vehicle bodies of different manufacturers. During the maintenance of subway vehicles, the vehicle body and the bogie are separated, the process bogie set supports the vehicle body, and the vehicle is carried to the designated maintenance area. Besides, the advantages and overall scheme of the process bogie are introduced; the traction calculation and braking calculation of the process bogie are carried out and the results show that when the process bogie set draws the body of the subway vehicle on a straight track, there will be no skidding; when the body of the subway vehicle is drawn by the bogie set on a straight and slippery track and the braking measures are taken, there will be no skidding, either.

process bogie；overall scheme；traction calculation；braking calculation

U279.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.007

1006－0316 (2020) 11－0043－06

2020－03－18

2017年广东省教育厅应用研究重大项目：地铁车辆检修用工艺转向架（2017GKZDXM009）；广州市教育局2018年高校科研项目：轨道交通机车车辆检修装备研发创新团队（201831844）；广州铁路职业技术学院新引进人才科研启动项目（GTXYR1701）；机车车辆应用技术协同创新中心项目

李涛（1975－），男，湖南衡阳人，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为机车车辆转向架设计，E-mail：litao98512@126.com。