新型市域快轨车辆转向架的研制

姜明昊，穆晓军，刘东坡，张丽，朱戡，付曹政

新型市域快轨车辆转向架的研制

姜明昊，穆晓军，刘东坡，张丽，朱戡，付曹政

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100071）

介绍了一种新型市域快轨车辆转向架的主要技术参数、各部件的基本结构特点，采用正向设计理念，对构架、枕梁、牵引梁等主要结构部件进行有限元仿真分析，完成了动力学仿真计算，并对转向架主要部件的结构强度及动力学性能进行了试验验证。经过理论计算和试验验证，该转向架的结构强度和动力学等各个方面的性能均满足要求。该转向架的研制以160 km/h市域快轨车辆转向架为基础，兼顾车辆最高运营速度120 km/h的A型地铁运营需求，同时满足200 km/h的市域/城际动车组运营需求，最终形成最大设计轴重17.5 t、最高运营速度涵盖120～200 km/h的转向架技术平台。

市域快轨；转向架；结构；计算分析；试验验证

市域（郊）铁路是城市中心城区联接周边城镇组团及城镇组团之间的通勤化、快速度、大运量的轨道交通系统[1-4]，可与高铁动车同轨站停靠，方便出行换乘[5]，是城市综合交通体系的重要组成部分。随着新型城镇化建设的推进，我国已经进入了区域协同发展全面提速的时代。市域快轨为城郊协同发展和城市群的建设提供了有力支撑，在区域城市群的一体化和同城化中起着重要的基础作用[6]。

目前国内市域快轨车辆刚刚起步[7-9]，国内主机厂均从科研角度出发进行了样车研制和相应转向架开发。技术基础主要分为两类，一是基于原A型地铁用转向架进行升级设计，二是基于原高速动车组用转向架进行降级设计，但两者都很难进行标准化推广。因此，迫切需要在充分调研市域快轨总体要求的基础上，开发研制一款适用于市域铁路应用的新型市域快轨车辆转向架。

1 转向架主要设计原则

根据A型地铁车辆转向架、高速动车组转向架及轨道车转向架[10]成熟的设计和运用经验，新型市域快轨车辆转向架的设计指导原则是：在满足市域快轨车辆运行安全、平稳的前提下，使转向架结构简单，磨耗少，成本低，检修方便；同时，考虑通用性、成熟性，搭建市域（城际）动车组转向架技术平台。

2 转向架主要技术参数

160 km/h市域快轨车辆转向架主要技术参数如表1所示。

3 转向架基本结构

新型市域快轨车辆转向架基本结构包括：H型焊接构架、联系枕梁、轮对轴箱、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引装置、驱动装置、基础制动装置以及辅助装置。转向架结构如图1所示。

转向架最高试验速度为220 km/h，具有足够的运行稳定性储备及良好的曲线通过能力，整个转向架结构简单、工艺简化、可靠性高、维修性好。

图1 转向架结构

3.1 构架

动、拖车构架的主体结构相同，如图2所示，采用H型焊接结构，主体结构包括侧梁、横梁及各种吊座等，侧梁、横梁均为箱型焊接结构，构架上设二系垂向减振器座、抗侧滚扭杆座、转臂定位座、一系减振器座、牵引拉杆座、横向减振器座、横向止挡座、制动座、抗蛇行减振器座等，动车构架横梁上设有电机吊座、齿轮箱吊座等。构架采用S355J2W耐候钢板，主要安装座采用锻件结构。

构架焊接执行EN15085标准，焊后不进行整体退火处理，简化生产工艺。

3.2 联系枕梁

联系枕梁整体为箱型焊接结构，如图3所示，包括有上盖板、下盖板、外侧立板、连接座、盖板组成、筋板、车体连接座、二系垂向减振器座、抗蛇行减振器座及中心销等。联系枕梁兼做空气弹簧附加气室。联系枕梁采用S355J2W耐候钢板，车体连接座、抗蛇行减振器座、中心销采用锻件结构。

图2 构架结构

图3 联系枕梁结构

国内动车组转向架大部分采用铸铝联系枕梁结构，本设计采用焊接结构，结构简单，可以有效降低成本。

3.3 轮对轴箱

轮对轴箱采用分体转臂式轴箱定位结构，能够保证轴箱相对于构架在弹簧振动时作垂向运动，使车辆通过曲线产生少量横向移动。

车轮采用轮径860 mm的整体碾钢车轮，材质为ER8，符合EN 13262标准要求。踏面形状采用LM磨耗型。车轴材质为EA4T，按EN 13103-1进行强度计算校核，并进行全尺寸车轴试样疲劳强度的性能测试。轴箱采用EN-GJS- 400-18-LT球墨铸铁材质，符合EN 1563规定。轴箱采用分体式结构，便于快速更换轮对。轴箱轴承采用成熟的自密封双列圆锥滚子轴承单元，其L10寿命大于300万公里。

3.4 一系悬挂装置

转向架一系悬挂采用成熟的转臂式轴箱定位形式，轴箱体与构架通过转臂定位节点连接；轴箱弹簧采用内外双层钢卷螺旋弹簧，安装在轴箱和构架之间；在轴箱与构架之间设有一系垂向油压减振器；设置一系垂向止挡，车辆载荷达到AW3后起作用，可限制一系挠度在一定范围内，确保弹簧不被压并；设置转臂安全吊挂装置，当转臂节点压板脱落时可保证转臂不会脱落，保证车辆的安全运行；钢弹簧与轴箱体之间设置减振橡胶垫，以保证电气绝缘，并可缓冲高频振动，减小极限工况下车辆垂向位移，改善整车的动力学性能。

3.5 二系悬挂装置

构架和联系枕梁之间设有二系悬挂，确保车辆地板面保持高度不变。二系悬挂由组合式空气弹簧、高度阀、高度阀调整杆、抗侧滚扭杆、差压阀、平衡阀、抗蛇行减振器、二系横向减振器、二系垂向减振器、横向止挡和调整垫等组成。采用四点支撑，每个转向架设置两个高度阀和一个差压阀。当车轮因磨损而镟轮到需要调整车体地板面高度时，转向架可以通过在二系悬挂空气弹簧下安装面下方和构架之间加垫片进行调整。

空气弹簧下部带有一个辅助橡胶弹簧，在空气弹簧无气时提供紧急状态下的支撑刚度，保证车辆能正常运营。为限制车体通过曲线时因离心力和侧向风产生的倾斜运动，在联系枕梁和构架之间设置抗侧滚扭杆装置。构架上装有非线性横向止挡，满足最恶劣运营状况下最大限度地减少车体横向位移，改善运行平稳性。

3.6 牵引装置

每台转向架设有一套牵引装置，用于传递纵向力及制动力，同时在整车起吊时可以起吊转向架。牵引装置主要包含中心销、中心销套、牵引梁、牵引拉杆等。中心销的上端焊接在联系枕梁中心，下端插入牵引梁内，通过中心销套将中心销与牵引梁固定在一起，牵引梁和构架之间通过两个呈“Z”形布置的牵引拉杆连接。在牵引梁上设置有垂向止挡座，通过和构架上设置的垂向止挡座结合使用，当需要对车辆进行起吊时，垂向止挡具有使转向架随车体整体起吊的作用。

3.7 驱动装置

动车转向架上设置有驱动装置，包括牵引电机、联轴节和齿轮传动装置，呈斜对称布置。牵引电机通过螺栓刚性安装在构架上，前端车轴处设有止落结。齿轮箱为单级平行轴传动，一侧通过轴承安装在车轴上，另一侧通过吊杆安装在构架上，吊杆两端均设有橡胶节点。牵引电机与齿轮箱间通过鼓形联轴节连接，联轴节由两个半联轴节组成，分别与牵引电机输出轴和齿轮箱输入轴联接，易于拆装。

3.8 基础制动装置

基础制动装置采用盘型制动、四点吊挂式气动夹钳，动、拖车转向架每轴均配置2个轮盘和1个停放制动夹钳，满足定员载荷下在35‰坡道上安全停放、并具有1.2倍冗余的要求，可以通过手动缓解拉环双侧缓解该夹钳单元的停放制动。

转向架的每个车轮配置了踏面清扫装置，主要包括气缸体、研磨子及自动间隙调整装置等。工作时，踏面清扫装置上安装的研磨子对车轮进行研磨，从而增强轮轨粘着、防止车轮擦伤，并对车轮具有修圆作用、降低车轮的多边形磨耗。

3.9 辅助装置

转向架设置了接触式障碍物及脱轨检测装置、撒砂装置及轮缘润滑装置等，以进一步提高运营的安全性、并减少磨耗。

4 相关计算结果

4.1 关键承载部件强度计算结果

依据UIC615-4、EN 13749对转向架构架和联系枕梁进行有限元强度分析，计算结果表明：

（1）在超常载荷的各种工况下，构架和联系枕梁的应力均小于材料的许用应力，满足静强度要求；

（2）在模拟运用载荷作用下，构架和联系枕梁各部位母材/焊缝动应力幅值在相应母材/焊缝GOODMAN疲劳极限图中的疲劳极限界限内，满足疲劳强度要求，如图4、5图所示。

为保证转向架的安全性，还分别根据相应标准对车轮、车轴、轴箱、牵引梁、扫石器等关键零部件进行强度分析计算，计算结果表明，转向架采用的所有关键承载部件都满足静强度和疲劳强度要求。

4.2 动力学性能计算结果

运用动力学分析软件，分别采用美国五级谱和胶济谱对160 km/h的市域快轨车辆进行了动力学性能分析，主要分析结论如下：

（1）考虑最恶劣工况，最大等效锥度0.5，AW0车辆空载工况下，动、拖车的临界速度为325 km/h，满足220 km/h的最高试验速度要求，车辆的稳定性符合标准要求。

（2）AW0车辆空载和AW3超员载荷工况下，在160 km/h速度范围内，动、拖车的舒适度指标均小于2.0，横向及垂向的平稳性指标均小于2.5，具有优良的运行品质，满足GB/T 5599中对运行平稳性的要求。

（3）150 m、300 m、650 m、950 m、1162 m等曲线工况下，车辆各状态下的轮轴横向力、轮重减载率和脱轨系数等安全性指标均满足GB/T 5599中规定限值，能保证安全运营，满足曲线通过能力的要求。

（4）配装该转向架的市域车辆的最大柔度系数为0.204，为Mc车（带司机室的动车，Motor vehicle with cabin）AW3工况。

（5）在空簧失效、减振器失效等故障工况下，安全性指标有所增加，但在160 km/h速度范围内，均没有超过GB/T 5599中的限制值，能够安全稳定运行。

图4 构架强度计算结果

图5 联系枕梁强度计算结果

5 试验验证

5.1 关键承载部件强度试验

为进一步验证160 km/h市域快轨车辆转向架构架和联系枕梁的静强度及疲劳强度，委托北京交通大学对构架和联系枕梁按UIC 615-4和EN 13749标准进行强度试验，完成1000万次疲劳试验后磁粉探伤，无裂纹产生。

为保证转向架的安全性，还分别根据相应标准对车轮、车轴、轴箱等关键零部件进行了强度试验。经过1000万次疲劳试验后磁粉探伤后，均无裂纹。

5.2 车辆滚动振动动力学性能试验

委托西南交通大学对160 km/h的市域快轨车辆转向架进行滚动振动动力学试验，为了充分验证转向架的动力学性能，轨道谱分别采用武广50谱、胶济谱、武广90谱、美国5级谱。结果显示，160 km/h的市域快轨车辆转向架在80～215 km/h范围内未出现失稳现象，具有足够的抗蛇行运动稳定性，平稳性指标为优级。

试验结果表明，本次研发的160 km/h市域动车组转向架，在80～160 km/h速度范围内动力学性能优越，能够满足线路上160 km/h速度运行的要求。

6 结论

在充分吸收国内成熟运营160～250 km/h速度等级的市域、城际动车组转向架的基础上，成功研制了新型市域快轨车辆转向架，采用了先进、成熟结构的组合，具有较好的生产、组装工艺性；在强度方面，所有关键部件都通过了强度计算和试验验证，且具有较大的安全裕量；在悬挂参数匹配方面，较为优良的各种参数实现了各动力学参数指标，该转向架具有一定的先进性，具有较为广阔的应用前景。

新型市域快轨车辆转向架的研制搭建了市域（城际）动车组转向架的技术平台，适应了产品多样化需求，缩短了研发周期，节约了设计、制造成本，实现了产品的模块化、简统化、标准化。后续还需要在线路试验和运营方面对该转向架进行进一步考核。

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Development of a New Type Bogie for Intercity Electric Multiple Units

JIANG Minghao，MU Xiaojun，LIU Dongpo，ZHANG Li，ZHU Kan，FU Caozheng

( Beijing Rail Transit Technology and Equipment Group Co., Ltd., Beijing 100071, China )

This paper introduces the main technical parameters, basic structural characteristics of each component of a new type bogie for intercity express rail train. Based on the forward design concept, the finite element simulation analysis of the main structural components such as the bogie frame, bodybolster and traction beam is carried out, and the dynamic simulation calculation is completed. The structural strength and dynamic performance of the main components of the bogie are tested and verified, and both meet the design requirements. The research and development is based on the bogie of 160 km/h intercity expressrail train, taking into account the operation demand of type A metro with the maximum operating speed of 120 km/h and the operation demand of intercity EMU of 200 km/h. Finally, a bogie technical platform with the maximum design axle load of 17.5 t and the maximum operating speed of 120-200 km/h is formed.

intercity express rail train；bogie；structure；calculation and analysis；test verification

U271.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.007

1006-0316 (2022) 03-0040-06

2021-04-01

姜明昊（1984－），女，吉林长春人，硕士，高级工程师，主要研究方向为轨道车辆转向架设计，E-mail：jiangminghao@rtte.cn。