新型250km/h城際動車組轉向架設計和驗證

尹振坤

（中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，吉林長春 130062）

新型250km/h城際動車組轉向架設計和驗證

尹振坤

（中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，吉林長春 130062）

介紹速度等級為250km/h，軸重為17t的新型城際動車組轉向架的研制，轉向架型號CW280。轉向架研發過程中充分考慮了城際動車組運行特點及要求，借鑒了技術引進300km/h歐系動車組轉向架的成熟結構，對驅動裝置等關鍵零部件選型進行了充分的論證說明。經過30萬km運用考核和線路跟蹤測試，證明該轉向架能夠滿足城際動車組的運用要求。

轉向架；250km/h；城際動車組

隨著中國高速鐵路網的快速發展，以“四縱四橫”為主的干線客運專線路網已建成，高速動車組運行時速已達到300km/h。比較而言，城際鐵路發展相對滯后，“十三五”將大力發展以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為核心的城際軌道交通網絡。中車長客股份公司在已有歐系動車組轉向架產品平臺上，開發了滿足城際動車組運用要求的最高運行速度可達250km/h的CW280型轉向架。

1 需求分析

相對干線動車組，城際動車組有其自身的運用特點。因此，轉向架的主要設計指標要充分考慮城際動車組的運用需求，主要包括大軸重（載客量大）、空重車載重變化大；啟停相對頻繁（站間距在20～50km）；線路條件多樣性，需兼顧既有干線鐵路、客運專線及跨線混跑的線路特點；運行速度跨度大，需考慮在160～250km/h范圍內不同速度變化；不同區域的環境溫度適用性，如哈長地區-40～+40℃溫度運行要求［1，2］。

2 設計結構優化

中車長客股份在技術引進的CRH3型動車組轉向架平臺上，借鑒300km/h動車組轉向架的成熟設計結構和運用經驗，針對城際動車組運用特點，研制了CW280型轉向架，該轉向架各部位進行了充分的選型論證和結構優化。轉向架主要技術參數見表1，動車轉向架見圖1。

表1 轉向架技術參數

圖1 動車轉向架

2.1 構架

構架主體為H形成熟結構形式，側梁采用鋼板箱型焊接結構，橫梁采用無縫鋼管，橫側梁連接采用變截面鍛件，具備良好的焊接工藝性。橫側梁的主要受力部位（如轉臂定位座、橫向止擋等）均采用鍛件，以減少焊接量，提高承載能力。動車構架見圖2。

圖2 動車構架

2.2 輪對軸箱

既有動車組車輪直徑為860～920mm，考慮到城際動車組的運行速度，選用車輪直徑為860mm的車輪，以降低簧下質量，減小輪軌沖擊，提高旅客乘坐舒適性，并且能夠適應低站臺低地板的要求。車軸中心孔直徑為φ30mm，便于車軸探傷檢查，進一步降低簧下質量。

軸箱采用分體式軸箱組成，分為軸箱轉臂和轉臂箍，轉臂箍通過4個螺栓和2個定位銷與軸箱轉臂連接，更換輪對時，僅拆卸轉臂箍即可落下輪對，無需拆卸軸箱與構架的連接件，便于檢修維護。軸箱組成見圖3。

2.3 一系懸掛

一系懸掛采用雙圈螺旋鋼彈簧和垂向減振器，在鋼彈簧下部安裝60mm厚的橡膠疊層彈簧，在較大一系垂向撓度變化時，較厚的橡膠簧能夠有效減少軸箱上部彈簧座傾斜對鋼彈簧產生的偏移，改善鋼彈簧受力，同時橡膠簧還可以吸收輪軌產生的高頻振動。一系懸掛見圖3。

圖3 一系懸掛及軸箱組成

2.4 驅動裝置

驅動裝置的選型是城際動車組轉向架設計的重要項點。

2.4.1 電機懸掛方式。主流的架懸式牽引電機懸掛方式主要有2種，剛性懸掛（見圖4）和柔性懸掛（見圖5）。仿真分析計算表明，電機柔性懸掛轉向架的臨界速度大于600km/h，電機剛性懸掛轉向架的臨界速度大于409km/h，即動車組在300km/h以上高速運行狀態下，電機柔性懸掛能夠在一定程度上起到提高車輛動力學性能的作用；在250km/h以下速度等級，電機懸掛方式對車輛動力學影響效果不太明顯，剛性懸掛的平穩性和脫軌系數還略優于柔性懸掛，詳見圖6。

圖4 電機剛性懸掛圖示

圖5 電機柔性懸掛圖示

圖6 電機剛性懸掛和柔性懸掛動力學性能比較

所以，對于200km/h等級城際動車組轉向架選擇技術成熟的電機剛性懸掛方式較為理想，剛性懸掛方式與彈性懸掛方式相比較減少了彈性橡膠部件，可維護性、可靠性更高，同時降低了設計和維護成本。

2.4.2 齒輪箱懸掛方式。主流的齒輪箱與構架懸掛方式主要有2種，C形支架和吊桿。綜合對比聯軸節變位和連接可靠性，C形支架結構更優：①C型支架懸掛接近小齒輪軸正上方，聯軸節的變位較小，適應城際動車組載荷變化大帶來的聯軸節變位較大問題；②C型支架通過螺栓與構架4點連接，還設置有定位鍵，可靠性更高，且構架受力分散，詳見圖7。

圖7 齒輪箱組成圖示

2.5 二系懸掛及牽引裝置

二系懸掛采用高柔性、大曲囊空氣彈簧、抗側滾扭桿、橫向減振器和抗蛇行減振器。低剛度空簧具備良好的運行舒適性，空簧進氣口設置有節流孔來提供二系阻尼。空簧的充排氣由高度閥控制，廣泛采用控制方式有2種：2點控制和4點控制。2點控制是指同一轉向架的2個空氣彈簧由1個高度閥控制充排氣；4點控制是指每個空氣彈簧都由一個單獨的高度閥控制充排氣。2點控制的優點是同一轉向架2個空簧同時充排氣，不存在單側空簧過充問題，安全性高；而且對于大曲囊低剛度空氣彈簧，即便采用4點懸掛，由于空簧垂向剛度較低，能夠提供的抗側滾剛度較小，詳見圖8。中央牽引裝置采用Z形雙牽引拉桿布置，中心銷和牽引梁通過橡膠套實現無磨損彈性連接，詳見圖9。

圖8 二系懸掛圖示

圖9 牽引裝置圖

2.6 與車體連接方式

轉向架二系懸掛上部設置有聯系枕梁，二系懸掛和牽引裝置各部件與聯系枕梁連接。聯系枕梁通過兩側定位銷和螺栓與車體邊梁連接，結構簡單，方便維護維修。聯系枕梁采用鑄造鋁合金材質，質量輕，防腐性能好，還可作為空氣彈簧的附加氣室，詳見圖10。

圖10 聯系枕梁-鑄鋁

2.7 基礎制動夾鉗

基礎制動采用傳統的三點吊掛方式，制動摩擦力和制動缸重量由3個吊點分別承載，制動缸及構架制動吊座的受力狀態優于4點集中吊掛，更適用于城際動車組快起快停的特點。

2.8 低溫適應性

為了滿足不同城際動車組的運行溫度要求，構架材質采用滿足低溫要求的焊接鋼板和鍛件，齒輪箱、軸箱軸承、減振器采用滿足低溫運行的油脂，金屬橡膠件采用滿足低溫性能要求的膠料。

表2 CW280轉向架運行工況

2.9 安全監控

為了提高轉向架的運用安全性，轉向架軸箱安裝有雙探頭軸溫傳感器，提高軸承溫度檢測的可靠性；齒輪箱大軸承和小軸承也分別安裝溫度傳感器；構架側梁端部安裝有加速度傳感器用來檢測構架的蛇行運動。

3 計算分析與臺架試驗

CW280轉向架研發過程進行了一系列的計算分析和臺架試驗，結果表明，CW280轉向架的性能指標和結構強度滿足相關標準要求。

3.1 轉向架懸掛參數優化

為了充分比較不同懸掛參數的動力學性能，對車輪踏面、主要懸掛參數動力學性能敏感度、動力學性能預測、故障工況和側風工況等進行了分析計算，計算內容包括臨界速度、平穩性、舒適度、安全性、車輪踏面磨耗和懸掛模態等。通過仿真計算分析，轉向架采用S1002CN踏面及其磨耗后踏面與60kg標準鋼軌匹配、秦沈線軌道譜激勵下，空車整備狀態和超員載荷狀態下的動力學性能滿足要求。該型轉向架滿足在提速線路和客運專線上以250km/h以下速度安全運營。

3.2 滾振試驗

依據GB5599和TB3115標準要求，在國家牽引動力試驗室對CW280型動車和拖車轉向架進行了滾動振動臺架動力學試驗，車體為CRH380BL動車組車體按照城際動車組進行配重，試驗項目包括不同抗蛇行減振器參數、不同轉臂定位節點剛度、不同踏面等效錐度、不同二系橫向減振器參數、不同空簧阻尼孔以及模擬空簧無氣、拆除各減振器、拆除扭桿、拆除一系彈簧故障方案的蛇行運動穩定性和運行平穩性試驗，共計50個工況的臺架試驗，采用了武廣、膠濟和京津3種線路譜激擾。結果表明，CW280轉向架在350m/h速度范圍內未出現失穩，具有足夠的蛇行運動穩定性；在80～350km/h速度范圍內，車體平穩性指標達到優級。該轉向架的運行穩定性和運行平穩性能夠滿足在線路上250km/h以下速度運行的要求。

3.3 構架強度計算和試驗

對動車構架、拖車構架的結構強度進行了有限分析計算、靜強度和疲勞強度試驗，計算和試驗載荷按照UIC515-4、UIC615-4和EN13749標準執行。其中，動車構架疲勞強度試驗采用21個液壓伺服作動器，對構架關鍵受力部位進行了1 000萬次疲勞加載，見圖11和圖12。

圖11 作動器加載示意圖

圖12 動車構架疲勞強度試驗

4 線路試驗及運用考核

該轉向架隨城際動車組整車在秦沈客專、長吉城際進行了線路型式試驗，在滬昆客專、哈大客專、沈丹客專進行了運用考核和跟蹤測試，總考核里程達到30萬km，CW280轉向架運行狀態良好、平穩性指標為優級。運行工況匯總見表2。

由表2可以看出，在不同線路、不同速度、不同溫度、不同載荷條件下，CW280型轉向架動力學性能得到了充分的驗證，說明該型轉向架的主要零部件選型、懸掛參數匹配及結構強度是完全滿足城際動車組運用要求的。

5 結語

目前國內既有在線運營的200km/h等級動車組轉向架為技術引進轉向架以及日系動車組平臺轉向架產品，國內尚無具有自主知識產權的基于歐系動車組轉向架技術平臺的城際動車組轉向架，CW280型轉向架的研制填補了這個空白，為國內動車組轉向架家族又添一丁，具有廣闊的市場前景。

［1］嚴雋耄.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999．

［2］馬利軍，馮永華，崔志國，等.城際動車組系列轉向架研制［J］.機車電傳動，2015（2）：4-6.

Design and Test of a New Type 250km/h Intercity EMU Bogie

Yin Zhenkun
（Research&Development Center of Bogie Department，CRRC Changchun Railway Vehicles Co.Ltd.，Changchun Jilin 130062）

This paper introduced intercity EMU bogie design with the speed of 250 km/h and 17 tons axle load,bogie type is CW280.Considering intercity EMU operation requirements and features,bogie design refered to the success?ful structure of CRH3 EMU,and the key parts such as drive of the selection were fully demonstrated.After 0.3 mil?lion miles'operation,the bogie is proved to comply to intercity EMU operation requirements.

bogie；250km/h；intercity

U260.331

：A

：1003-5168（2017）01-0115-04

2016-12-08

尹振坤（1979-），男，本科，高級工程師，研究方向：動車組轉向架設計。