新型160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈洪龍，李文學(xué)，程建會(huì)

（長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心 轉(zhuǎn)向架開發(fā)部，吉林長春130062）

新型160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈洪龍，李文學(xué)，程建會(huì)

（長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心 轉(zhuǎn)向架開發(fā)部，吉林長春130062）

介紹了速度等級為160 km/h、軸重為17 t的新型快速寬軌客車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架型號CW 820。轉(zhuǎn)向架研發(fā)過程中充分考慮了巴基斯坦境內(nèi)運(yùn)行環(huán)境條件及要求，借鑒了國內(nèi)鐵路客車等一些運(yùn)營成熟的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合了技術(shù)引進(jìn)國外動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，為巴基斯坦鐵路（簡稱：巴鐵）首次提供了空氣彈簧轉(zhuǎn)向架。

寬軌；空氣彈簧；轉(zhuǎn)向架；設(shè)計(jì)

目前，世界有一些國家，如巴基斯坦、阿根廷、巴西等鐵路軌道采用寬軌，軌距較我國的準(zhǔn)軌1 435 mm相比要寬，巴基斯坦、阿根廷軌距為1 676 mm，巴西軌距為1 600 mm。為了增加我國鐵路客車在世界市場的份額，中國北車長春軌道客車股份有限公司（簡稱：長客公司）針對巴基斯坦202輛寬軌客車項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出新型的型號為CW820的速度160 km/h寬軌客車空氣彈簧轉(zhuǎn)向架，能夠完全滿足巴基斯坦運(yùn)營條件。這是長客公司第2次向巴鐵局提供寬軌客車。首次供貨175輛客車采用的是鋼彈簧寬軌轉(zhuǎn)向架，本次供貨202輛客車標(biāo)書技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定必須采用空氣彈簧寬軌轉(zhuǎn)向架，是巴基斯坦境內(nèi)首次采用空氣彈簧轉(zhuǎn)向架。

1　CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

巴基斯坦地處亞熱帶，南部沿海夏季溫?zé)幔渌竟?jié)干燥多風(fēng)沙，線路條件差，而且該國工業(yè)落后，車輛使用、維護(hù)水平較低，CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)充分考慮了巴基斯坦境內(nèi)運(yùn)行環(huán)境條件及要求，借鑒了國內(nèi)鐵路客車等一些運(yùn)營成熟的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合了技術(shù)引進(jìn)國外動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。該轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

2　CW820轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

CW820為無搖枕、無搖動(dòng)臺、無旁承式三無結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修量少、性能優(yōu)良、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架組成、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位裝置、中央懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)配管、軸溫報(bào)警裝置等組成。其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用改進(jìn)的H形焊接構(gòu)架，組焊后整體退火去應(yīng)力；

（2）一系懸掛由雙圈螺旋式鋼彈簧、垂向減振器、轉(zhuǎn)臂式橡膠節(jié)點(diǎn)定位等組成；

（3）二系懸掛由大橫向變位帶阻尼孔的空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等組成；

（4）在車體和轉(zhuǎn)向架之間采用單牽引拉桿傳遞牽引力和制動(dòng)力；

（5）基礎(chǔ)制動(dòng)采用軸盤式制動(dòng)單元裝置。

轉(zhuǎn)向架的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)向架總體圖

2.1構(gòu)架形式

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用無搖枕、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)，構(gòu)架主體材質(zhì)選用Q345R板材。如圖2所示，構(gòu)架由兩根箱形側(cè)梁、兩根管形橫梁以及兩縱向輔助箱形梁焊接而成。側(cè)梁為中部下凹的魚腹箱形結(jié)構(gòu)，上蓋板由中央蓋板和端板組成。側(cè)梁上焊有定位座以及一系垂向減振器座、二系橫向減振器座等，內(nèi)部有4塊加強(qiáng)筋板。橫梁使用兩根無縫鋼管，用縱向梁連接，縱向梁為箱形結(jié)構(gòu)，兼做橫向擋座；橫梁上焊接有牽引拉桿座以及制動(dòng)吊座。

圖2　轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖

根據(jù)構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度可以滿足要求。

2.2輪對軸箱定位裝置

軸箱定位裝置主要包括輪對、軸端組成、一系鋼彈簧組成、節(jié)點(diǎn)裝置、一系垂向減振器等，如圖3所示。

圖3　輪對軸箱定位圖

輪對主要由車軸、車輪和制動(dòng)盤等組成。輪對內(nèi)側(cè)距為1 600 mm。車軸符合TB/T2945-1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件》的要求。車輪符合TB/T2708-1996《鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術(shù)條件》，踏面為巴鐵要求的P8型。

軸端主要由軸箱體、軸承、前蓋、壓板、防塵擋圈和軸端螺栓等組成。軸箱為轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)，軸箱體材料為B級鋼，結(jié)構(gòu)為一體式，組裝方便。

一系鋼彈簧組成主要由雙圈螺旋鋼彈簧、上下夾板、特制螺栓等組成。內(nèi)外圈彈簧執(zhí)行T B/T 1025-2000《機(jī)車車輛用熱卷螺旋壓縮彈簧供貨技術(shù)條件》。

每軸端設(shè)置一垂向減振器，用來衰減來自軌道的沖擊和振動(dòng)。每個(gè)垂向減振器通過4個(gè)螺栓將構(gòu)架與軸箱連接到一起，與一系鋼彈簧組并聯(lián)。

2.3中央懸掛裝置

中央懸掛裝置主要由空氣彈簧、橫向減振器、橫向緩沖器、高度調(diào)整閥、壓差閥、安全鋼絲繩、牽引支座、牽引拉桿、抗蛇行減振器等組成。如圖4所示。

圖4　中央懸掛裝置

目前空氣彈簧大量運(yùn)用在國內(nèi)外鐵路客車轉(zhuǎn)向架上，大大提高了車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性，但巴基斯坦國內(nèi)并未采用過。且巴鐵系統(tǒng)供風(fēng)壓力小（500 kPa）、載質(zhì)量大（最重發(fā)電車達(dá)68 t），現(xiàn)有空氣彈簧直徑無法滿足這一要求。長客公司針對巴基斯坦202輛寬軌客車項(xiàng)目的特點(diǎn)，聯(lián)合青島四方車輛研究所有限公司研制出有效直徑為φ650 mm的大直徑空氣彈簧。

每輛車的轉(zhuǎn)向架和車體之間安裝4個(gè)高度閥，每一個(gè)高度閥控制一個(gè)空氣彈簧的充氣、排氣以及高度調(diào)整。水平杠桿和調(diào)整桿的功能是將由于乘客負(fù)載引起的高度變化信息，準(zhǔn)確地傳遞給高度調(diào)整閥，通過高度閥的充排風(fēng)使空氣彈簧始終處于標(biāo)準(zhǔn)高度。調(diào)整桿兩端使用球形關(guān)節(jié)軸承，能滿足車體與轉(zhuǎn)向架間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

差壓閥的設(shè)置是基于安全的考慮，當(dāng)兩空氣彈簧內(nèi)部的壓差達(dá)到限度時(shí)，就會(huì)發(fā)生動(dòng)作，將兩個(gè)附加氣室導(dǎo)通。這樣就能避免某一個(gè)高度閥故障而過充或任意一個(gè)空氣彈簧爆破而導(dǎo)致的車輛過度傾斜，保證車輛安全運(yùn)行。

安全鋼絲繩是空氣彈簧的防過充裝置，當(dāng)高度閥和壓差閥都有故障時(shí)空氣彈簧可能無限制的充氣和升高，安全鋼絲繩就是抑制其無限升高對車輛起安全作用。

牽引裝置用來傳遞牽引力和制動(dòng)力。牽引裝置采用單拉桿結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。牽引支座通過8個(gè)螺栓與車體底架固定在一起。

每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)有兩個(gè)對稱布置的抗蛇行減振器，抗蛇行減振器一端與車體連接另一端與構(gòu)架相連，能有效抑制車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)。

2.4基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用軸盤制動(dòng)，在每根車軸上裝有兩個(gè)制動(dòng)盤，每個(gè)制動(dòng)盤配置一個(gè)單元制動(dòng)缸，如圖5所示，制動(dòng)缸以3點(diǎn)懸掛在構(gòu)架橫梁的盤形制動(dòng)吊座上。該制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單能保證車輛安全制動(dòng)。

圖5　制動(dòng)單元

3　CW 820轉(zhuǎn)向架的計(jì)算試驗(yàn)

CW820轉(zhuǎn)向架是新開發(fā)的一種寬軌客車轉(zhuǎn)向架，研發(fā)過程進(jìn)行了一系列的計(jì)算和試驗(yàn)，結(jié)果表明CW820轉(zhuǎn)向架的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算

西南交通大學(xué)牽引試驗(yàn)室對經(jīng)濟(jì)車和空調(diào)車進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算，建立了空車、滿載、超載模型，對轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵懸掛參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對優(yōu)化后的模型和故障工況進(jìn)行了蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適度、曲線通過安全性等的校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明該車不同工況下的性能指標(biāo)符合UIC 513、UIC 518、GB 5599-1985、UIC 505-5等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性具有足夠的速度裕量，能夠滿足線路160 km/h速度正常運(yùn)行的安全要求。

3.2構(gòu)架的強(qiáng)度計(jì)算分析

CW820轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由北京交通大學(xué)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足要求，構(gòu)架的第一階固有頻率為32.2 Hz，振型為兩側(cè)梁反向點(diǎn)頭。構(gòu)架的有限元離散模型及構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖如圖6、圖7所示。

圖6　構(gòu)架有限元離散模型

圖7　構(gòu)架合成動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

3.3構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)按照UIC 515-4-1999《客運(yùn)車輛后轉(zhuǎn)向架—走行部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》及prEN 13749-1999《鐵路應(yīng)用輪對和轉(zhuǎn)向架規(guī)定轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的方法》進(jìn)行，靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明測點(diǎn)應(yīng)力在強(qiáng)度許用極限范圍內(nèi)；疲勞試驗(yàn)布置8個(gè)液壓作動(dòng)器同時(shí)對構(gòu)架分3階段施加總計(jì)1 000萬次，在600萬次、800萬次和1 000萬次階段循環(huán)結(jié)束后檢查了試驗(yàn)構(gòu)架整體，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，滿足試驗(yàn)要求。

3.4轉(zhuǎn)向架滾振試驗(yàn)

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)試驗(yàn)室對CW820轉(zhuǎn)向架，配牽引動(dòng)力試驗(yàn)室試驗(yàn)車車體，進(jìn)行整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)包括蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)，試驗(yàn)方案有轉(zhuǎn)向架原始狀態(tài)試驗(yàn)、空氣彈簧無氣和拆除各減振器故障方案在內(nèi)的試驗(yàn)方案49個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：C W 820轉(zhuǎn)向架在260 km/h速度范圍內(nèi)未出現(xiàn)失穩(wěn)，該轉(zhuǎn)向架具有足夠的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。該轉(zhuǎn)向架在40～260 km/h速度范圍內(nèi)的車體橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)等級達(dá)到優(yōu)。該轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性能夠滿足在線路上160 km/h速度運(yùn)行的要求。

3.5正線動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)

中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所于2013年7月對長客公司出口巴基斯坦的寬軌客車進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)線路為Lahore-Kanawal，試驗(yàn)線路總長為283 km。試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常工況和重車工況下硬臥車的運(yùn)行穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足試驗(yàn)大綱的要求，橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性為優(yōu)級；在正常工況下發(fā)電車的運(yùn)行穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足試驗(yàn)大綱的要求，橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性為優(yōu)級。

4　結(jié)束語

自20世紀(jì)60年代空氣彈簧應(yīng)用在軌道客車上以來，由于其具有變剛度，容易得到較低的振動(dòng)頻率，進(jìn)而得到良好的運(yùn)行品質(zhì)，故逐漸取代鋼圓彈簧作為二系懸掛系統(tǒng)。CW820轉(zhuǎn)向架是巴鐵車輛首次批量采用的空氣彈簧轉(zhuǎn)向架，標(biāo)志著巴鐵邁入了鐵路客車現(xiàn)代化進(jìn)程。該轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、可靠，經(jīng)過一系列試驗(yàn)及實(shí)際線路的運(yùn)用，證明其具有優(yōu)良的運(yùn)行性能。

［1］ 嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.北京，中國鐵道出版社，1999.

［2］ 李文學(xué).寬軌CW-KB140型空氣彈簧轉(zhuǎn)向架的研制［J］.鐵道車輛，2005，43（10）：26-29.

［3］ 張曉軍.出口巴基斯坦寬軌客車轉(zhuǎn)向架［J］.鐵道車輛，2006，44（1）：22-24.

［4］ 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.長春軌道客車股份有限公司出口巴基斯坦空調(diào)硬臥車動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算報(bào)告［R］.2010.

［5］ 北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室.巴基斯坦寬軌客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告［R］，2011.

［6］ 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.CW820（巴基斯坦客車）轉(zhuǎn)向架滾振動(dòng)試驗(yàn)臺動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)報(bào)告［R］.2011.

［7］ 鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站.巴基斯坦202輛寬軌客車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.2013.

Structure Design of New Type Air Spring Bogie of 160 km/h Broad Gauge Passenger Car

JIA Honglong，LI Wenxue，CHENG Jianhui
（Research&Development Center of Bogie Department，Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper introduces the bogie design of broad gauge passenger car with the speed of 160 km/h，and axle load of 17 tons，which is exported to Pakistan.The type of the bogie is CW820.Bogie development considers the Pakistan operation conditions，and adopts mature bogie structure of domestic railway passenger cars.At the same time，combined with the advanced technology bogie design concept of imported EMU，it is the first time to provide air spring bogie for Pakistan.

broad gauge；air spring；bogie；design

U270.33

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.13

1008-7842（2015）04-0059-04

5—）男，工程師（

2014-12-19）