地鐵車轉向架優化設計研究

何 星

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

1 現狀分析

隨著國內社會經濟持續快速發展，越來越多的城市開通了地鐵線路，隨著地鐵線路的快速延伸，線路區間也在變長，地鐵運用部門要求各類工程車輛能夠快速到達作業地點并可以迅速轉場作業。為了滿足此要求，在借鑒了Y25型貨車轉向架的基礎上進行了某地鐵車轉向架研發設計，設計自行速度80 km/h，連掛速度100 km/h。理論上可以滿足地鐵車作業的快速作業和轉場要求。

Y25型轉向架是由法國鐵路部門開發研制的，是一種采用一系軸箱懸掛系統及單腹板焊接構架的貨車轉向架，是歐洲鐵路聯盟的標準型通用貨車轉向架，設計運行速度120 km/h。分析其結構，發現有以下特點：H型焊接式構架質量變得更輕、簧下重量更?。惠S箱懸掛裝置有兩級不同剛度，可適應貨車的空載、整備狀態運行條件；軸箱懸掛裝置采用利諾爾摩擦減振器，其單側彈簧吊環在一定范圍內的安裝傾角可方便順利地實現貨車空載與滿載兩種不同的工況需求[1]。

某地鐵車轉向架是在標準Y25轉向架基礎上進行改良優化，其主要改進點如下：（1）增加了車軸齒輪箱等驅動裝置，輪對重量增加；（2）由于是工程車輛，沒有空重車之分，因此軸箱懸掛裝置改為僅有外螺旋鋼彈簧一種剛度；（3）根據實際使用工況及地鐵車作業的特點，將吊環角度設計靠近下限值；（4）為適應國內地鐵市場的標準，車輪踏面采用了TB/T449規定的中國標準LM磨耗型[2]。

由于該地鐵車轉向架主要用于地鐵線路，地鐵軌道與干線鐵路相比有以下特點：（1）道床薄，軌重輕，軌道彈性較差，軸重要求嚴格；（2）曲線半徑小，曲線多，緩和曲線更短，線路坡度大，順坡率大，線路條件差。

安裝了改進后轉向架的地鐵車在滬昆線上進行了線路動力學性能試驗。試驗過程中在95 km/h速度級時，出現失穩，距離目標速度110 km/h有較大的差距，且動力學性能指標未能滿足GB/T17426《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》的規定[3]。可以判定，該類型轉向架無法滿足設計要求，需要進行進一步優化設計。

2 主要零部件

2.1 轉向架構架

轉向架構架由兩側梁、橫梁和一些安裝座組成，采用低合金高強度結構鋼板焊接而成的H型構架，在原Y25轉向架構架的基礎上進行了改裝，轉向架構架如圖1所示。

圖1 地鐵車轉向架焊接構架簡圖

2.2 輪對

該車有自走行和作業走行的要求，因此與Y25轉向架的光軸輪對相比，其在輪對上裝有車軸齒輪箱，增加了簧下質量，輪對如圖2所示。

圖2 輪對簡圖

2.3 其他零部件

該車一系懸掛裝置選用的為利諾爾減振器，采用心盤與螺旋鋼旁承共同承載，并設有車體支撐裝置和車軸支撐裝置，保證在作業時，整車是一個剛性的整體，從而保證作業的質量。

3 優化設計及應用分析

3.1 試驗失敗原因分析

機車車輛蛇行運動的理論臨界速度計算公式如下：

其中，（r:車輪半徑；s:左右兩滾動圓間的距離之半；ε:接觸角參數，表示接觸面斜率對于輪對橫移量的變化率；δ0：車輪與軌道接觸角；ζ：輪對中心線至輪軌接觸點的距離對于輪對橫移量的變化率；ρz：輪對對Z軸的回轉半徑；je：等效斜率；P：軸荷重；m：簧下重量；b：左右兩定位彈簧間距離之半；Kx：輪對每側的縱向定位剛度；Ky：輪對每側的橫向定位剛度）。

由于輪對上增加有車軸齒輪箱，導致其簧下重量較Y25轉向架簧下重量增加了約54%，亦即m變大，從公式計算其臨界速度會下降約20%；由于從錐型踏面改為了LM磨耗型踏面，錐型踏面的je約為0.05，LM磨耗型的je約為0.1，從公式計算分析，其臨界速度會下降約20%，在設計之初，吊環傾角小導致正壓力偏小，從而導致輪對的縱向定位剛度偏小，亦即Kx偏小，也會導致車輪的臨界速度有一定的下降。

通過對地鐵轉向架設計參數分析可以發現，其實際臨界速度比Y25轉向架下降較多，符合實際試驗情況。由于踏面不可更改、簧下質量無法減輕，為提高臨界速度，只能從提高定位剛度方面進行改進。

3.2 轉向架優化方案設計

為確保安全可靠，在采用成熟可靠的Y25轉向架技術基礎上，保持轉向架構架主體結構、輪對、單元制動器、心盤、旁承等不變。其主要優化方面如下：

軸箱懸掛裝置采用錐型橡膠簧一系懸掛定位方式，其與Y25轉向架軸箱懸掛相比有如下優點：①取消了導框，簡化了構架、軸箱的結構和制造工藝；②實現了輪對在縱向、橫向、垂向三個方向的彈性定位，消除了對軸箱的磨耗，改善了動力學性能；③金屬橡膠彈簧可以根據動力學性能的要求，實現三向不同的剛度值，不但提高了蛇行運動穩定性，改善了運行平穩性，更重要的是釋放了輪對的搖頭運動，減小了輪對通過曲線時的沖角，減少了輪軌磨耗；④橡膠彈簧具有吸收高頻振動的能力，提高了構架的疲勞壽命；⑤采用斜裝的油壓減振器，可同時滿足垂向和橫向減振的需要，油壓減振器的減振效果更佳，詳見圖3。

轉向架構架進行優化設計，為匹配新的懸掛裝置進行如下更改：由導框定位改為了彈性定位，在原轉向架構架的基礎上改裝錐型橡膠簧定位安裝座；并增設油壓減振器安裝座及其他安裝座，構架簡圖詳見圖4。

圖3 錐型橡膠彈簧懸掛裝置簡圖

圖4 優化后的轉向架構架簡圖

3.3 優化設計后效果驗證

某地鐵車在轉向架進一步優化整改完成后，再次在滬昆線進行了動力學性能試驗。試驗過程中最高速度運行到110 km/h速度級時，試驗情況良好，各項指標均滿足要求，試驗順利通過，轉向架優化設計方案行之有效。

4 結束語

通過對原有轉向架進行優化設計，不僅滿足了現有地鐵車的裝機使用，同時可以將該轉向架應用到其他的地鐵工程車輛。由于轉向架構架的主體結構沒有進行更改，其構架的強度與剛度均沒有變化，符合相關設計標準，經過實踐應用驗證，其臨界速度高，動力學性能符合要求，滿足了地鐵車快速作業和轉場的要求，為后續地鐵工程車輛類似轉向架的開發提供了理論基礎及實際運用經驗。