美國波士頓地鐵軸箱內置式轉向架結構設計

劉志遠 張文康 高純友 徐成祥 李 濤 王凱風 劉海濤

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//第一作者，高級工程師)

軸箱內置式地鐵轉向架具有結構空間緊湊、重量輕、運行噪聲低、曲線通過性能好、適應扭曲線路強等諸多優點。目前，地鐵發展較早的北美市場對于軸箱內置式地鐵轉向架的需求量非常大，尤其是美國地鐵市場。中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡為“長客股份”)于2014年12月中標美國波士頓地鐵項目，依托美國波士頓地鐵項目要求，長客股份自主研制了軸箱內置式地鐵轉向架。

1 軸箱內置式地鐵轉向架基本結構

轉向架為軸箱內置式帶搖枕結構，設計過程中主要采用了美國設計標準，包括FRA(聯邦鐵路管理局),APTA(美國公共交通協會)和AAR(美國鐵路協會)等標準。轉向架采用整體鑄造構架和鑄造搖枕；二系懸掛采用雙曲囊空氣彈簧，控制模式采用三點控制方式；一系懸掛采用人字形橡膠彈簧；每根車軸都由1套驅動裝置驅動；每臺轉向架上裝有4套踏面制動單元，其中每車一位轉向架安裝2套帶停放功能的制動單元；采用第三軌受流方式；一位轉向架上還裝有信號天線、輪緣潤滑、三軌冰雪刮刀及緊急停車觸發裝置。轉向架整體結構示意如圖1所示。轉向架的主要設計技術參數如表1所示。

注：1——構架；2——搖枕；3——輪對軸箱裝置；4——一系懸掛裝置；5——二系懸掛裝置；6——牽引裝置；7——驅動裝置；8——基礎制動裝置；9——受流裝置；10——信號裝置

1.1 構架和搖枕

構架采用整體鑄造結構，構架上設有各種設備的安裝座，包括受流器、制動單元、電機及齒輪箱等。搖枕亦采用整體鑄造結構，搖枕內腔作為空氣彈簧的附加氣室，內腔采用防腐涂層進行防腐。構架和搖枕結構組成如圖2所示。

表1 軸箱內置式地鐵轉向架的主要設計技術參數

注:1——構架;2——搖枕;3——旁承;4——中心銷摩擦套

構架和搖枕之間通過旁承傳遞垂向載荷，并通過中心銷傳遞縱向力和橫向力，構架上的中心銷孔內安裝有具有自潤滑功能的摩擦套。構架和搖枕之間設有旋轉止擋，防止構架和搖枕之間發生過量的旋轉運動。構架和搖枕的鑄造材料采用C4鋼，其性能優于B級鋼。構架使用壽命不小于30 a。

1.2 輪對軸箱裝置

輪對由車輪、車軸、軸箱、軸箱軸承和降噪阻尼環等組成，且每條輪對上都裝有1套齒輪箱和接地裝置。軸箱軸承為內置式，輪對軸箱裝置如圖3所示。車軸的設計壽命為40 a，材質為AAR標準M-101中的F級，且按照EN 13104標準進行強度分析。車輪采用整體鍛造結構，材質為AAR 標準M-107中的B級,車輪直徑為711.2 mm,且其強度分析按照EN 13979和AAR S-660標準進行。每個車輪安裝有2套降噪阻尼環，軸承為自密封結構，軸箱采用整體鑄造結構，鑄鋼材質為B級鋼。

注:1——車輪；2——車軸;3——軸箱組成(含軸承)

1.3 懸掛牽引裝置

轉向架采用兩級懸掛結構。一系懸掛結構(見圖4)采用人字型橡膠彈簧，一系橡膠彈簧安裝在軸箱的兩側。一系懸掛還包括一系定位桿和撞擊止擋， 一系定位桿同時能夠起到起吊的功能。二系懸掛結構(見圖5)主要由空氣彈簧、高度調整閥、差壓閥、抗側滾扭桿、橫向及垂向液壓減振器、橫向緩沖止擋等組成。

注:1——人字型橡膠彈簧；2——一系定位桿

注:1——空氣彈簧;2——高度閥;3——抗側滾扭桿;4——橫向緩沖器；5——橫向減振器；6——垂向減振器；7——差壓閥

其中，空氣彈簧(見圖6)為雙曲囊結構，彈簧內部帶有1個輔助橡膠彈簧，在空氣彈簧無氣時提供緊急狀態下的支撐剛度，同時緊急橡膠彈簧內還設有金屬止擋。車輛采用3點控制空氣彈簧的充風和排風，其中一位轉向架上裝有1套高度閥控制系統，二位轉向架裝有2套高度閥控制系統，且二位轉向架上的兩個空氣彈簧之間設有一個差壓閥。抗側滾扭桿的垂向連桿一端采用無磨耗的橡膠節點結構，另一端采用關節軸承的結構進行連接。橫向緩沖止擋與中心銷的自由間隙為10 mm，止擋內部設有金屬止擋，保證止擋的最大彈性壓縮量不超過20 mm。每個轉向架設有一個橫向液壓減振器和兩個二系垂向液壓減振器,用于控制車輛的橫向和垂向振動。當車輪直徑由于磨耗或鏇輪加工造成車輛高度降低時，可在旁承和構架之間增加調整墊。構架和搖枕之間的縱向力和橫向力主要通過中心銷進行傳遞，搖枕和車體間設有雙牽引拉桿(見圖7)，用于傳遞縱向力，且牽引拉桿的兩端均裝有彈性橡膠節點。

圖6 空氣彈簧結構示意圖

圖7 牽引拉桿安裝示意圖

1.4 驅動裝置

每臺動車轉向架均裝有兩套驅動裝置。牽引電動機采用架懸式，與構架上的電機吊座剛性連接。齒輪箱為平行軸式，齒輪箱采用二級齒輪傳動結構。齒輪減速箱箱體的一端通過軸承安裝于車軸上，箱體的另一端通過吊桿彈性地吊裝于構架側梁的齒輪箱吊座上。聯軸節為齒式結構。電機上設有速度傳感器，為牽引、信號和制動提供速度信號。驅動裝置具體結構如圖8所示。

圖8 驅動裝置結構圖

1.5 基礎制動裝置

基礎制動裝置(見圖9)采用踏面制動形式。一位轉向架每根車軸上安裝有常用制動和帶停放功能的制動各1套，二位轉向架4個制動單元均為常用制動。轉向架制動管路安裝在構架底部。停放制動缸可以通過手動方式進行緩解，且緩解作業可以在司機室和車下進行。另外，一位轉向架一位軸的兩側各裝有1套緊急停車觸發裝置。

圖9 基礎制動裝置結構圖

1.6 輔助裝置

每組車的一位轉向架端部安裝有ATP(列車自動保護)天線和輪緣潤滑裝置(見圖10)，天線和輪緣潤滑安裝支架采用A588鋼板焊接而成，天線支架與構架的連接采用螺栓連接，并設有二級保護裝置。

注：1——ATP天線；2——輪緣潤滑；3——二級保護裝置

2 轉向架分析計算及試驗驗證

2.1 構架強度計算及試驗驗證

根據用戶合同要求及美國國家標準AWSD 1.1，采用ANSYS軟件對構架靜強度和疲勞強度進行了分析。其中，靜強度要求在規定的載荷下(包括30g設備沖擊載荷)，最大應力不得超過屈服強度的50%；疲勞強度不得超出AWS D 1.1中規定的疲勞許用應力。計算結果顯示，構架及搖枕的靜強度及疲勞強度均滿足標準及合同要求。

另外，長客股份對構架結構進行了強度試驗，且試驗結束后均進行了磁粉探傷。結果顯示，構架未出現任何裂紋，且滿足強度要求。

2.2 車輛動力學性能分析

采用Vampire軟件對車輛進行了動力學性能分析計算，且分別對用戶合同中規定的11種工況進行了計算分析，計算內容包括車輛高速穩定性、運行安全性、側風傾覆、靜態輪重減載及動態輪重減載、乘坐舒適性能以及小曲線通過性能等。

為了確保計算結果的準確性及有效性，采用軌道檢測設備對已經磨耗到限的軌道進行了正線和車廠線的軌道測試，根據測試結果形成真實的軌道譜，并將真實的軌道譜輸入到計算模型中。另外，對不同運營公里的車輪進行了踏面外形測試，并繪制出磨耗踏面外形。結合軌廓測試及磨耗輪踏面外形測試，動力學計算考慮了新輪/新軌，新輪/磨耗軌，磨耗輪/新軌，磨耗輪/磨耗軌4種輪軌匹配關系，并逐一對其動力學性能進行計算分析。結果表明，車輛的動力學性能完全滿足用戶合同要求。

3 結 語

軸箱內置式地鐵轉向架完全是長客股份自主研發的產品，同時也是長客股份及國內其它軌道車輛企業首次為美國地鐵提供轉向架產品。該類型的轉向架通過結構設計、計算及試驗驗證，證明轉向架性能完全滿足用戶合同及規范使用要求。