160 km/h速度等级市域车转向架设计

肖天宇 门永林 徐步震 顾 磊

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

0 引言

市域铁路的核心功能定位介于高速铁路和城轨地铁之间，主要服务于城市主城区与郊区或中心城市与卫星城之间，以实现1小时交通圈为基本目标。因此，市域列车主要满足“运量大、速度快、快起快停、乘坐舒适”的运营需求。

转向架是车辆的走行部件，其性能直接影响车辆运行的安全性、平稳性和舒适性。下面对160 km/h速度等级市域车转向架设计方案进行简要说明。

1 转向架顶层设计指标

根据市域车运营特点，制定转向架顶层设计指标如表1所示[1]。

表1 转向架主要顶层设计指标

2 转向架总体方案

动力转向架的方案设计如图1所示。非动力转向架与动力转向架主体结构类似，无驱动装置，需要对构架进行适应性改动，取消电机吊座和齿轮箱吊座，其余主要部件可互换。转向架总体方案如下：(1)构架采用钢板焊接的箱型结构，主体呈H形。(2)轮对按照EN标准设计，采用实心锻造车轴、直辐板整体辗钢车轮。(3)一系悬挂采用钢弹簧配合垂向油压减振器，转臂式轴箱定位装置。(4)二系悬挂采用无揺枕结构，设置联系枕梁，减少转向架和车体的安装接口。(5)牵引装置采用锥形定位销配合“Z”字形双拉杆[2]，通过橡胶节点连接构架和牵引体。(6)驱动装置由牵引电机、齿轮箱和联轴节组成，电机采用架悬方式安装。(7)基础制动装置采用轮盘制动[3]。

3 转向架主要零部件方案

3.1 构架

构架呈H形结构，由两个U型侧梁和一个“目”字型横梁焊接而成(见图2)。构架上焊有电机吊座、齿轮箱吊座、转臂定位座、空簧座等设备安装座。构架主体采用P355NL1钢板，铸钢件采用G20Mn5。

构架横、侧梁均为箱型结构，由上、下盖板，腹板以及内部的筋板组成。

焊接要求满足EN 15085焊接体系标准。

图1 动力转向架 图2 动力转向架构架

3.2 轮对轴箱

轮对轴箱装置由车轮、车轴、轴箱、轴承等组成。采用整体辗钢轮，LM磨耗型踏面，新轮直径840 mm，磨耗到限直径770 mm。车轮辐板两侧安装制动盘。车轴为实心锻造车轴。轴承使用整体圆锥滚子轴承，成熟可靠，免维护。轴端分别装有防滑传感器、信号传感器和接地装置等设备。

3.3 一系悬挂

一系悬挂定位装置常用锥形橡胶堆式、人字形橡胶堆式和钢弹簧转臂式3种形式。经过对比分析，本转向架方案选用钢弹簧转臂式定位，主要有钢弹簧、橡胶垫、垂向减振器、定位转臂和金属橡胶节点等零件。钢弹簧和垂向减振器分别提供一系垂向刚度和垂向阻尼，橡胶节点提供水平刚度和一定的阻尼。

3.4 二系悬挂

二系悬挂装置包含弹性减振组件、空簧控制组件、抗侧滚扭杆和联系枕梁四个部分(见图3)。

图3 二系悬挂装置

弹性减振组件由大曲囊空簧和油压减振器组成。空簧一方面起到支撑车体的作用，另一方面可以提供一定刚度。借鉴国内外多数转向架的设计经验，一般高速度等级转向架都会安装抗蛇行减振器，有效提高车辆的蛇行失稳临界速度，提升车辆运行稳定性[4]。

空簧控制组件包含2个高度阀、1个差压阀及管路等。高度阀通过控制空簧充、排气，使车体底板面高度可以始终控制在规定范围内。差压阀安装于枕梁中部，用来调节两个空簧之间的压力差，保证车辆的曲线通过性能。

抗侧滚扭杆装置由扭杆、连杆和扭臂等组成。扭杆横向布置在转向架下部中央位置，两侧的垂向连杆上部与联系枕梁相连。

在构架横梁中央内框的两侧设置横向止挡，限制二系悬挂的非正常横向变形，防止车体横向位移过大。

3.5 联系枕梁

联系枕梁[5]主体采用P355NL1钢板，铸件采用G20Mn5。枕梁上有空簧进气安装口、连杆安装座、减振器安装座等多种部件的安装接口。联系枕梁的主要作用如下：(1)将二系悬挂中的减振器、高度阀、差压阀及管路等进行集成化设计，减少转向架与车体的安装接口，提高转向架的整体性；(2)在车辆的牵引和制动过程中，枕梁主要起到传递纵向牵引力和制动力的作用；(3)枕梁的内部空腔作为附加气室，可以提供足够的容积满足空簧的使用要求。

3.6 中心牵引

中心牵引装置可实现车辆和转向架之间牵引力和制动力的传递，由锥形中心销、牵引体、中心牵引节点和牵引拉杆等组成。中心销安装于联系枕梁的下部，插入牵引体的橡胶节点孔。采用“Z”字形双牵引拉杆(见图4)。

3.7 基础制动

该转向架采用盘形制动。每个转向架设置4个制动夹钳单元，其中2个带有停放功能，呈对角位别布置，并配有远程机械缓解设备。

3.8 驱动装置

动车转向架装有驱动装置，包括牵引电机、一级传动齿轮箱和联轴节(见图5)。牵引电机以外挂形式安装在构架横梁外侧。齿轮箱的大齿轮端压装在车轴上，小齿轮端由吊杆悬挂在构架横梁，牵引电机的输出轴和齿轮箱的输入轴通过联轴节联接，用来适应电机和齿轮箱之间的相对运动。

图4 中心牵引装置 图5 驱动装置

4 转向架设计验证

4.1 构架强度计算校核

构架的计算载荷可以分为超常载荷和模拟运营载荷两种工况。通过有限元仿真分析可知，在超常载荷工况下，构架的最大应力发生在垂向载荷和电机惯性载荷组合工况，最大Von Mises应力值为338.6 MPa，位于侧、横梁连接过渡圆弧处，该最大应力小于材料P355NL1钢的许用应力355 MPa，构架静强度满足标准要求。

将各模拟运营载荷及其工况组合加载于构架结构模型上，各工况下各部位的疲劳强度评估如表2所示。对测点处的应力进行组合处理可知，构架各部位的平均应力、应力幅值能够满足Haigh疲劳曲线图的包络要求，如图6和图7所示，因此符合疲劳强度的设计要求。

表2 模拟运营载荷工况疲劳强度评估 /MPa

图6 P355NL1钢构架疲劳强度评估

图7 G20Mn5铸件疲劳强度评估

4.2 构架强度试验验证

试验按UIC 615-4和EN 13749执行。

(1)静强度试验

根据试验数据可知，超常载荷工况下，各测点的应力均未超过材料屈服许用极限，试验载荷卸除后也没有发生永久变形。构架的极限应力出现在垂向、横向、扭曲载荷共同作用的超常载荷工况下，应力值为-313.3 MPa，位于侧、横梁对接部位的侧梁上盖板圆弧区域，与理论计算结果基本一致。

模拟运营载荷工况各测点的应力最大值、最小值绘制到Goodman疲劳极限图上后，所有测点均在各自的疲劳极限范围内。因此构架疲劳强度满足标准要求。

(2)疲劳强度试验

构架的疲劳试验分为主体载荷1 000万次和附加牵引制动载荷200万次。试验完成后对构架进行磁粉探伤，未发现裂纹。

4.3 动力学性能仿真

(1)正常工况下的动力学性能

在新轮和磨耗轮情况下，车辆的临界速度均大于最高运营速度160 km/h，且有较大裕量。在运营速度范围内，新轮空车和新轮重车的平稳性指标均小于2.5，乘坐舒适性达到“优”，满足GB 5599-85和UIC 518对乘坐舒适度的要求。车辆的曲线通过安全性指标满足标准要求。

(2)故障工况下的动力学性能

为了保守估计车辆故障情况下的动力学性能，分析时考虑磨耗轮、空车情况。分析可知，在一系垂向、二系垂向、二系横向、抗蛇行减振器和空簧分别发生故障的情况下，车辆的临界速度均大于160 km/h， 且具有一定裕量；在运营速度范围内，车辆安全性指标均满足标准要求。当全部抗蛇行减振器或空簧发生故障时，车辆临界速度明显下降，但仍然大于最大运营速度。为了保证较优的乘坐舒适度，在空簧全部故障时，车辆应该限速到90 km/h以内。

5 结语

本文提出的160 km/h速度等级市域车转向架方案，基于“先进、成熟、可靠”的设计原则，经过仿真分析和台架试验表明，转向架方案满足设计要求，可为国内市域车转向架的研发提供一些参考意见。