地铁A型车辆ZMA100型转向架的研制

地铁A型车辆ZMA100型转向架的研制
孙永鹏 罗华军 陶功安 曾艳梅 伍玉刚 易兴利(南车株洲电力机车有限公司,412001,株洲 第一作者,高级工程师)
摘 要 介绍了适用于最高运营速度100km/h的地铁A 型车辆ZM A100型转向架的基本结构、主要特点、技术参数和性能。

对构架、车轴、车轮、轴箱体、牵引装置等重要部件进行了强度计算,对整车进行了动力学性能计算。

各项计算结果均满足标准要求。

关键词 地铁车辆;转向架;结构;性能
中图分类号 U260.331:U266.2
Development of ZMA100Bogie for Metro A-type Vehicle Sun Y o ngpeng,L uo Huajun,T ao G o ng an,Z eng Y anmei, Wu Y ug ang,Y i X ing li
Abstract T his paper presents the basic str ucture,m ain chara cter istics,techno lo gy par ameter s a nd per fo rm ance o f Z M A100bo gie used o n A-type metr o veh icle s,which ar e desig ne d f or the m aximum se rv ice speed o f100km/h.T he stre ngth o f the impor tant par ts,such as fr ame,a xle,w heel, axle-box,tr action-po le and the dynamics funct io ns o f the tra in ar e ca lculate d.T he calculation r esult show s tha t the cor re sponding standard r equir eme nts have bee n r ea che d. Key words met ro vehicle;bog ie;str ucture;per fo rm ance Firs-t author s address C SR Z huzho u Electr ic L oco mo tive CO.,L td.,412001,Z huzhou,China
0 概况
通过引进、消化吸收西门子公司SF2100型转向架和SF2500型转向架的先进设计和制造技术,南车集团株洲电力机车有限公司对该两种转向架进行了国产化研制(转向架型号分别为ZM A080型[1]和ZM A120型[2]),已研制成功技术水平较高的地铁A、B型车辆转向架。

100km/h速度级的地铁A型车辆ZMA100型转向架(以下简称ZM A100型转向架)是南车集团株洲电力机车有限公司在既有ZMA120型转向架的技术平台上,运用模块化设计方法,并充分借鉴ZMA080型转向架和中原之星DJF1动车组转向架的成熟技术,能完全自主设计和制造的集成创新型的转向架。

该转向架适用于最大轴重为16t、最高运营速度为100km/h、最高运行速度为110km/h 的地铁A型车辆。

ZM A100型转向架分为动车转向架和拖车转向架两种。

ZMA100型转向架主要由构架、轮对、轴箱、驱动单元、一系悬挂装置、二系悬挂装置、抗侧滚扭杆装置、牵引装置、基础制动装置、转向架空气管路、整体起吊装置、电器装置及A TC(列车自动控制)天线装置等部件组成。

其中驱动单元仅动车配有,包括牵引电机、联轴节、齿轮箱等。

动车转向架和拖车转向架的构架、车轮、轴箱(不含端盖)、牵引装置、减振器、抗侧滚扭杆装置等部件均能互换。

动车转向架如图1
所示。

图1 ZM A100型动车转向架的总图
1 主要技术参数及动力学性能指标
ZM A100型转向架的主要技术参数见表1。

其动力学性能指标符合GB5599 85 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 。

主要动力学性能已达到以下指标:
1)横向及竖向平稳性指标W 2.5;
2)脱轨系数
Q
P
1.0(其中Q为轮轨横向力,P 为单个车轮作用于钢轨的竖向力);
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3)轮重减载率 P
P
0.6(其中 P为轮重的减
载量,P 为减载或增载侧车轮平均轮重);
4)倾覆系数D 0.8;
5)轴重为16t时轮轴横向力H 75kN。

表1 ZMA100型转向架的主要技术参数
项目参数值或说明
轴式B O-B O或2-2
轴距/m m2500
轨距/m m1435+6
-2
转向架中心距/mm15700
车轮滚动圆直径/mm新轮840、全磨耗770踏面形状DIN5573磨耗型踏面
轮对内侧距/mm1353+2
-0
能以速度5km/h通过的最小曲线半径/m150
牵引点高度/mm663
齿轮中心距/mm355
齿轮传动比 6.32
轮盘制动的制动倍率8.58
空载(AW0)时空气弹簧上表面距轨面高/mm894
空气弹簧中心横向跨距/mm1900
轴颈中心横向跨距/mm2100
轴颈直径/mm130
2 主要部件
2.1 构架
构架是由低合金高强度的钢板、钢管和铸钢通过焊接而成的H形中空梁结构。

构架焊接设计和制造符合德国标准DIN6700 铁道机车车辆及其构件的焊接 的要求。

钢板材料为低合金高强度钢16M nDR,符合GB3531 1996 低温压力容器用低合金钢钢板 的要求;钢管材料为高强度钢Q345E,符合GB/T 1591 1994 低合金高强度结构钢 的要求;铸钢材料为GS-20Mn5N,符合欧盟标准EN10213 压力容器用铸钢交货技术条件-低温下使用的钢种 。

上述三种材料具有优良的机械性能和焊接性能。

构架经表面处理后具有极强的耐腐蚀性。

构架上所有的安装座满足动车转向架和拖车转向架部件安装需要,以保证动、拖车转向架构架可以完全互换。

构架上各主要部件安装面采用整体加工,保证转向架零部件组装时具有很高的定位精度,不需要用调整垫来补偿加工误差。

构架按照UIC615 4标准和上海轨道交通11号线北段工程车辆技术规格书的要求进行了静强度和疲劳强度计算。

图2是构架模拟超常载荷(AW3)工况下的Top面应力云图;图3是构架模拟主要运行载荷工况下T op面节点的Goodman疲劳强度极限图。

计算结果表明均满足强度要求。

图2 构架模拟超常载荷工况下的T op 面应力云图
图3 模拟主要运营载荷工况下的构架
T op面各点G oo dman疲劳极限图
2.2 轮对
轮对是由车轴与车轮压装而成。

车轮与车轴的组装采用1 300的锥孔配合,采用冷压工艺,符合EN13260 铁路应用-轮对和转向架-轮对-产品要求 的要求。

车轴的材料为EA4T,符合EN13261 铁路应用-轮对和转向架-车轴技术要求 的要求,车轴按EN13261标准进行内部超声波探伤和表面进行磁粉探伤检查。

车轴分为动车和拖车两种,结构基本相似。

动车车轴中部加粗设齿轮座。

车轴轮座处留有满足两次等级修的镟修余量。

车轮采用整体辗钢轮,材料为ER9,符合EN
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13262 铁路应用-轮对和转向架-车轮-产品要求 标准。

车轮按EN13262标准进行内部超声波探伤和表面磁粉探伤检查,确保车轮质量可靠。

车轮踏面硬度为H B265~311,采用DIN5573磨耗型踏面外形。

车轮的直辐板两侧安装制动盘。

车轴强度计算按EN13104标准进行,车轮强度计算按U IC510 5 整体车轮技术条件 、EN 13979 1 铁路应用-轮对和转向架-车轮技术验收程序的第一部分:锻制和轧制车轮 等标准进行。

计算结果表明,车轴和车轮的强度均满足要求。

2.3 轴箱组装
轴箱组装包括轴箱体、轴承、端盖、轴圈等。

轴箱体为C级钢整体铸钢结构,符合T B/T2942 铁道用铸钢件采购与验收技术条件 的要求,并按照DIN1690 2 金属材料铸件交货技术条件-钢件-按照无损检验划分质量等级 进行无损探伤检查。

轴箱轴承为紧凑型自密封双列圆锥滚子轴承,按ISO 标准L10的寿命为 3000000km。

在列车正常运行条件下,免维护周期内仅需进行定期打开轴箱端盖目测检查轴承是否漏油,或用红外线测温仪跟踪检测轴承温升是否正常即可。

在本公司检测试验站对ZM A100型转向架进行了空载运行试验和轴箱轴承温升试验。

试验在最恶劣的AW3工况状态下以100km/h、110km/h的运行速度,分别连续运行1h后马上反转1h测量轴箱体的温升。

试验结果表明,速度为100km/h 和110km/h时轴箱体的最大温升分别为23.8K 和24.1K,均满足最大温升不超过30K的要求。

对轴箱体进行了静强度计算和疲劳强度计算。

其强度满足要求。

2.4 驱动单元
每个动车车轴上装有一套驱动单元。

驱动单元包括交流牵引电机、齿轮箱、联轴节,如图4所示。

自通风式异步牵引电动机一侧通过4个螺栓以全悬挂的方式通过安全卡槽直接安装在转向架构架上。

其中安全卡槽在连接螺栓失效的时候起作用。

在牵引电机另一侧车轴上方设置安全托,以保证在电机安装螺栓失效时电机不会脱落到轨道上。

齿轮箱一端通过圆锥滚子轴承固定在车轴上,另一端通过齿轮箱吊杆吊挂在转向架构架上。

构架上设有安全销,齿轮箱上设有对应的安全托,以防止悬挂螺栓发生故障或吊杆断裂后齿轮箱掉落。

齿轮箱体由球墨铸铁制造,采用上下剖分结构,剖分面通过车轴中心。

齿轮箱体内部设有润滑油路,轴承采用油润滑。

牵引电机和齿轮箱之间的驱动制动力的传递由齿形联轴节实现。

图4 驱动单元
2.5 一系悬挂装置
一系悬挂由螺旋钢弹簧、转臂橡胶关节、竖向止挡和一系竖向减振器等部件组成,如图5所示。

转臂橡胶关节将轮对定位在构架上。

螺旋钢弹簧位于轴箱体顶部。

在每个轴箱处设一个竖向油压减振器,以减小轮轨之间的动载荷影响。

图5 一系悬挂装置
一系悬挂竖向载荷主要由位于轴箱体顶部通过车轴中心的钢弹簧承担。

运用中的钢弹簧参数不易发生大的变化,悬挂参数相对稳定,有利于保持列车的动力学性能的稳定,同时使轴箱体受力相对简单。

针对上海地铁经常超载运行的情况,为保护一系钢弹簧,保证一系悬挂安全可靠,ZM A100型转向架一系悬挂内部设计了弹性和刚性两级竖向止挡结构。

在AW3工况时弹性止挡参与工作,悬挂刚度将增加较大。

当竖向载荷超过正常范围时,转向
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架构架和轴箱体将通过竖向刚性止挡接触,以防止钢弹簧损坏,避免出现安全问题。

一系悬挂装置还设置了起吊销,用于轮对起吊。

动、拖车转向架的一系弹簧的刚度相同,便于用户维护管理。

对于动、拖车车体质量细小的差别,可以通过增加2~3m m 调整垫进行调整。

2.6 二系悬挂装置
二系悬挂装置包括空气弹簧、二系竖向减振器、二系横向减振器、横向止挡、高度调节装置等。

每个转向架配置两个空气弹簧。

空气弹簧主要由面板、气囊、紧急弹簧等部件组成,用于支撑车体,并传递竖向载荷以及较小的横向载荷。

空气弹簧在正常充气状态下,其气囊和紧急弹簧串联工作。

如果空气弹簧气囊内的气压下降,空气弹簧的面板会降落到紧急弹簧上,此时系统功能由紧急弹簧实现。

在AW0状态下,当空气弹簧泄气失效时,车辆地板面高度的下降量控制在25mm 限度内。

采用单独的压力容器作为空气弹簧的储气缸。

每个空气弹簧设置一个二系竖向减振器(如图6所示),用于减小转向架的竖向冲击,衰减竖向振动,
提高运行质量。

图6 二系空气弹簧
在紧急弹簧和转向架构架之间设置2块12mm 的调整垫,用于补偿车轮镟修后车辆地板高度的降低。

在转向架中部两侧各设置一个横向止挡(如图7所示),以限制二系悬挂装置超出正常自由范围的横向变形,其弹性阻尼元件可以减小横向冲击。

横向止挡自由间隙为15m m,弹性间隙为15m m;其缓冲橡胶在受力初始阶段刚度小,以后稍硬,且随着橡胶变形增大而增加。

横向止档的刚性固定止挡能限制车辆整体横向位移,以保证列车在曲线上的运行安全。

每个转向架设置一个二系横向减振器,以减小转向架与车体之间的横向动载荷影响,提高列车动力学性能。

空气弹簧的高度控制阀采用 三点调平 方式布置(即每车设三个高度阀,一个差压阀)。

高度阀调节装置能使车辆地板高度差控制在 10m m 范围内。

图7 横向止挡装置
2.7 抗侧滚装置
柔性二系悬挂装置允许车体通过曲线线路时产生由于离心力和侧向风造成的倾斜运动。

为了将这种运动严格限制在车辆限界的允许范围内,在车体底架下方安装了抗侧滚装置(见图8)。

抗侧滚装置主要由扭力杆组件、拉压杆、轴承箱、橡胶衬套等组成。

抗侧滚装置加强了车体抗倾覆稳定性,提高了列车的乘坐舒适性。

抗侧滚扭杆刚度对列车竖向平稳性指标的影响不大,对横向平稳性有一定影响。

较低的抗侧滚刚度能改善横向平稳性。

另外,抗侧滚扭杆刚度可以降低列车柔度系数。

本系统抗侧滚扭杆刚度为2.5M N m /rad,满足U IC 505 5 铁路机车车辆界限 标准要求的车辆允许最大柔性系数0.45的规定[3]。

图8 抗侧滚装置
2.8 牵引装置
牵引装置(如图9所示)采用无磨损且免维护的单牵引拉杆型式,由牵引杆、牵引座等组成,连接转向架和车体,以传送制动力和牵引力。

牵引杆两端的橡胶关节是弹性元件,能够缓冲车体和转向架构
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架之间的任意相对运动,减少振动的传递。

牵引座安装在车体底架上,两侧面作为横向止挡接触面,其中一侧还是横向减振器安装座。

牵引座还设置有起吊销安装孔。

起吊钢丝绳栓在起吊销上,起吊车体时可以通过钢丝绳将转向架一并吊起。

采用有限元软件对牵引装置中主要受力部件牵引杆和牵引座进行了强度计算。

计算结果表明均满足强度要求。

图9 牵引装置
2.9 基础制动单元
基础制动采用轮盘制动(见图10)。

每个转向架设有4个轮盘制动单元,其中2个带有储能制动器,成斜对角布置,并带拉环式手动缓解装置。

单元制动器结构紧凑,仅通过4个M20的螺栓安装在横梁的制动器吊挂座上。

制动盘安装在车轮辐板两侧。

每单元制动器安装2块粉末冶金合成闸片,每一块闸片分上下两部分。

闸片与制动盘的间隙为1.5mm,闸片的标准厚度为24mm,最大允许磨耗19mm。

根据在广州地铁3号上的运用经验,闸片的更换周期约3年或约30万km。

本转向架结构上还可以安装35mm超厚的闸片,将可以进一步延长闸片更换周期。

图10 基础制动单元
2.10 其它
ZMA100型转向架还设有转向架空气管路、电气装置、整体起吊装置、轮缘润滑装置以及ATC天线装置等部件。

3 动力学性能计算
委托了高校对ZMA100型动、拖车转向架进行了动力学性能计算和悬挂参数优化分析[4-5],其结果如下。

3.1 车辆直线运行稳定性
在新轮轨情况下,能保持车辆运行稳定性的临界速度均较高,空车、定员及超载情况下均能满足运行要求;当踏面等效斜度磨耗至0.30和0.35时,在空车、定员及超载情况下也均能满足运行要求。

3.2 车辆直线运行平稳性
1)模拟在美国 级和 级线路上运行时,车辆在100km/h速度范围内,空车、定员及超载工况下的最大横向加速度和最大竖向加速度均小于2.5 m/s2,且横向加速度均方根值小于0.5m/s2,竖向加速度均方根值小于0.75m/s2,满足UIC 518相关规定的运行要求;当车辆速度为120~140km/h 时,除个别工况外,其它工况下的最大横向加速度和最大竖向加速度均小于2.5m/s2,且横向加速度均方根值小于0.5m/s2,竖向加速度均方根值小于0.75m/s2,也满足U IC 518相关规定的运行要求。

2)模拟在美国 级线路上运行时,车辆在100 km/h速度内,各工况下的横向和竖向平稳性指标均小于2.5,达到GB5599 85的优级标准;当车辆速度为120~140km/h时,各工况下的平稳性指标均小于3.0,达到GB5599 85的合格标准。

3)模拟在美国 级线路上运行时,车辆在100 km/h速度内,除个别工况的平稳性指标大于2.5(但小于2.75),达到GB5599 85的良级标准外,其它工况下的横向和竖向平稳性指标均小于2.5,达到GB 5599 85的优级标准;当车辆速度为120~140km/h 时,各工况下的平稳性指标均小于3.0,达到GB 5599 85的合格标准。

因此,在最高运行速度范围内,地铁车辆的运行平稳性指标满足标准要求。

3.3 车辆曲线通过的安全性预测结果
T c、M p、M三种地铁A型车辆在各种工况下以表2中设置的各种线路工况通过曲线时,轮轨横向力Q、轮轴横向力H、脱轨系数Q/P、轮重减载率 P/P 和倾覆系数D等各项动力学指标都在GB 5599 85和UIC 518相关规定的标准之内,满足
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车辆的运行安全性要求。

此外还针对空气弹簧失效、减振器失效、轨道三角坑和侧风运行等工况进行了动力学性能分析,并提出了相应的限速运行要求。

表2 曲线线路工况
曲线半径/m超高/mm缓和曲线长/m圆曲线长/m最大欠超高/mm通过速度/(km/h) 3001207015060.067.6 4001007015060.073.6 500806010060.077.0 600606010060.078.1 800505010060.086.4 1000505010060.096.6 1500404010038.7100.0
4 制造
2008年10月完成构架试制,并对整个构架进行了DIN6700的焊接工艺评定,以验证构架焊接工艺的可行性。

2009年2月完成拖车转向架组装,2009年4月完成动车转向架组装,同月底完成第一列列车的编组。

第一列列车于2009年5月到达上海轨道交通11号线,现正在进行正线调试和相关线路试验。

5 试验
ZMA100型转向架按照上海轨道交通11号线车辆技术规格书的要求进行了各项出厂例行试验和型式试验。

试验结果表明,各项性能指标均满足要求。

6 结语
1)南车集团株洲电力机车有限公司经过引进、消化吸收SF2500型、SF2100型等地铁车辆转向架先进的设计制造技术,并通过集成再创新,自主研制出新一代ZM A100型转向架。

该型转向架是目前国内外在地铁A型车辆中运行速度最高的转向架,填补了100km/h速度级的地铁A型车辆转向架的空白。

2)首次在地铁A型车辆中运用轮盘制动装置(制动盘安装在车轮直辐板两侧)。

针对地铁车辆制动频繁的特点,轮盘制动相对于踏面制动,能减少对车轮踏面的热影响,提高制动效率,减少制动粉尘的产生,可保护环境。

同时,通过对直辐板地铁车轮噪声测试研究[6],直辐板带制动盘车轮的综合性能佳,无论是轴向还是径向都衰减很快,辐射率较小,有利于控制噪声,减小了对环境的影响。

3)通过ZMA100型转向架的研制,掌握了运用于100km/h速度级的地铁A型车辆的转向架设计开发技术、制造工艺技术、外购件的采购技术规范和质量要求等,具备了自主设计制造100km/h速度级的地铁A型车辆转向架的能力。

同时,也为开发120km/h及以上速度级地铁A型车辆转向架等其它型号的转向架积累了丰富的经验,锻炼了一大批设计制造方面的工程技术人员,为本公司可持续发展打下了坚实基础。

参考文献
[1] 陈喜红,陶功安,陈国胜,等.A型地铁车辆ZM A080型转向架
国产化研制[J].电力机车与城轨车辆,2007(1):1.
[2] 陈喜红,陶功安,罗彦云,等.B型地铁车辆ZM A120型转向架
国产化研制[J].电力机车与城轨车辆,2008(1):1.
[3] 严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[4] 沈钢,任利惠.ZM A100型地铁车辆转向架动力学性能计算
[R].上海:同济大学,2008.
[5] 黄运华,傅茂海.南车株洲电力机车有限公司100km/h速度
级A型地铁转向架动力学性能计算报告[R].成都:西南交通大学,2008.
[6] 杜磊,唐华平.直辐板地铁车轮噪声测试报告[R].长沙:中南
大学机电工程学院,2008.
(收稿日期:2009-06-18)
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