国产新型直线电机地铁车辆转向架

张雄飞 李言义

国产新型直线电机地铁车辆转向架

张雄飞 李言义

为了实现直线电机转向架的国产化并优化其性能，结合原有项目的运用经验，自主研制了国产新型SDB-LIM型直线电机车辆转向架，并运用于广州地铁5号线增购项目。该型转向架采用无摇枕、轻量化构架、外置式轴箱等成熟技术，应用直线电机无间隙弹性轴悬及电机载荷与车辆载荷平衡式结构，通过试验验证和运用考核，满足中大运量线路大坡道、小曲线的运用要求，对于提升认知、积累运用经验和推进相关领域技术研究都具有里程碑意义。

直线电机；LIM；地铁车辆；转向架

1 概述

直线电机（Linear Induction Motors，LIM）地铁车辆采用直线感应电机驱动，悬挂在转向架上的LIM与沿着轨道方向铺设在轨道中央的感应板直接作用，产生牵引力和制动力。直线电机地铁车辆是世界上城市轨道交通的重要形式之一，在现代城市轨道交通中已经得到越来越广泛的应用，与传统旋转电机车辆相比，直线电机车辆由于牵引力不依靠轮轨黏着、爬坡能力高达80‰的特性，使其在某些特殊地形条件下具有突出优势，同时也使车辆对钢轨的破坏作用小、钢轨磨耗和损伤小、使用寿命长，降低项目全寿命成本。

国外1986年第一条LIM牵引运载系统正式运营，目前在美国、加拿大、日本和马来西亚均有商业运行的LIM地铁车辆[1]。典型转向架包括加拿大庞巴迪公司MKI、MKII型转向架（见图1）和日本住友金属公司的电机架悬式转向架（见图2）。

国内在20世纪80年代开始研究直线电机驱动方式的运载系统。2005年12月国内第一条城市轨道交通直线电机车辆线路——广州地铁4号线开通运营；2008、2009年首都国际机场线直线电机车辆线路和广州地铁5号线直线电机车辆线路相继开通运营；2011年广州地铁5号线增购直线电机车辆和广州地铁6号线直线电机车辆相继下线。其中广州地铁4、5、6号线分别采用南车青岛四方机车车辆股份有限公司和庞巴迪欧洲公司联合提供的BM3000-LIM型转向架（见图3）及在此基础上改进的FLEXX Metro 2000型转向架。

图1 MKII转向架

图2 电机架悬式转向架

图3 BM3000-LIM型转向架

南车青岛四方机车车辆股份有限公司结合广州地铁4、5号线转向架运用经验，自主研制了国产新型SDB-LIM型直线电机车辆转向架，并运用于广州地铁5号线增购项目。该型转向架2010年12月设计定型，2011年11月完成产品装车后的线路试验和运行考核。

2 转向架总体说明

2.1 转向架结构优化

对原广州地铁4、5号线BM3000-LIM型直线电机转向架生产及运用过程中暴露的问题进行了研究，研制全新的SDB-LIM型直线电机转向架，通过更合理的结构提升转向架功能和适应性。相对于BM3000-LIM型转向架，SDB-LIM型转向架的结构具有如下特点。

（1）轮对由BM3000-LIM型转向架的轴箱车轮内置式更改为轴箱车轮外置式，轴箱和直线电机悬挂结构采用分体式设计，通过平衡轮对受力改善轮对承载状态，降低轮对弯曲变形，避免由于轮对一阶弯曲变形引起的轮轨磨耗和轴端振动大的问题。BM3000-LIM型转向架轮对承载示意见图4，此时直线电机载荷和构架载荷均作用于轴箱上，两者叠加使得轮对弯曲变形变大。SDB-LIM型转向架轮对承载示意见图5，其直线电机载荷和构架载荷分别作用于车轮内侧直线电机支撑箱和车轮外侧轴箱上，此时两者对轮对弯曲变形具有相互抵消的效果，因此使得轮对弯曲变形较小，轮对承载更合理。

（2）SDB-LIM型转向架采用轮装制动盘，减小由于制动盘外置引起的轮对“扁担”效应。BM3000-LIM型转向架轴装制动盘位于车轮外侧，轮对两端质量使轮对具有类似“扁担”的效应，增加轮对弯曲变形；SDB-LIM型转向架轮装制动盘结构，可有效消除这种效应，降低轮对弯曲变形。

（3）SDB-LIM型转向架采用无摇枕方案，简化转向架结构，降低转向架质量。

（4）构架外置式设计，增大转向架内部检修作业空间，提高转向架的接近性和可维护性。

（5）直线电机采用轮对内侧独立悬挂，与车辆主悬挂分离。该结构可发挥直线电机轮对悬挂气隙稳定的优点，可以保证9 mm的气隙。同时采用已经经运营验证的直线电机无间隙弹性吊挂结构，在保证电机气隙稳定的基础上，有效降低直线电机振动。在此基础上，车辆主悬挂系统可独立优化参数，保证车辆的动力学性能。

（6）轴箱外置可方便轴箱轴承的维护与检修。

（7）接地装置改为轴箱体安装，取消接地装置内部轴承，减小其振动和冲击，从而避免损坏。

（8）采用垫片式直线电机高度调整装置，结构简单且更加可靠耐用。

图4 BM3000-LIM型转向架轮对承载示意

图5 SDB-LIM型转向架轮对承载示意

（9）通过调整车轮硬度优化轮轨硬度比，使其适于国内线路和轨道条件。

（10）采用弹性无摩耗Z字形拉杆式牵引装置。

（11）国产化率高，维护保养周期容易保证，费用低。

2.2 总体介绍

运用于广州地铁5号线增购项目的SDB-LIM型转向架，均为安装直线电机的带动力转向架。因安装于列车中不同位置，集电靴、传感器、接地装置、轮缘润滑、直线电机间隙传感器等附件布置位置不同，转向架分为7种，但其主体结构完全相同。其主要结构包括构架、一系悬挂装置、二系悬挂装置、轮对轴箱装置、直线电机悬挂装置、中央牵引装置、三轨受流装置、基础制动装置、附件等（见图6，以头车1位端转向架为例，为显示清楚，省去管线、传感器等设备）。转向架参数见表1。

图6 SDB-LIM型转向架

3 结构及功能

3.1 构架

构架采用钢板、钢管焊接成目字形结构，主要包括侧梁、横梁、端梁及功能部件的安装座等（见图7）。构架内腔还作为空气弹簧的附加气室，其端部设有排气装置，需要时可以方便地手动排除空气弹簧和附加气室的空气。构架强度计算按UIC 515及UIC 615标准执行。其使用寿命不小于300万km或30年。

3.2 一系悬挂

转向架一系悬挂装置具有三种功能：

（1）保护转向架构架和车辆免受来自轨道的过度振动；

（2）确保车辆在特殊轨道运行状态下不会脱轨；

（3）实现良好的曲线通过性能，同时确保转向架运行时的动态稳定性。

图7 转向架构架

表1 SDB-LIM转向架主要技术参数

SDB-LIM型转向架的一系悬挂由橡胶弹簧装置组成。每个轴箱采用2个圆锥叠层橡胶弹簧，起定位和支撑作用。由于直线电机直接支撑悬挂于轮对上，其高度不受一系悬挂刚度和一系挠度的影响，橡胶弹簧的垂向刚度可以按照需要自由选择。橡胶弹簧纵、横向刚度根据车辆总体参数及线路条件进行动力学计算和优化得出，能够保证直线轨道上的运行稳定性，并使轮对具有自导向能力，从而具备优良的曲线通过性能。

一系悬挂装置设有保证安全的双向金属止挡。压缩止挡的作用保证在弹簧塌陷或其他事故发生时能够避免构架过度下沉；拉伸止挡能够限制构架向上过度运动，并在起吊转向架时能够将轮对一同吊起而橡胶弹簧不受拉损坏。

3.3 轮对轴箱装置

轮对轴箱装置主要由电机悬挂支撑箱、车轮、轮装制动盘、车轴和轴箱构成。轮对组装技术要求执行欧洲标准EN 13260。车轴和车轮采用符合欧洲标准的合金钢材质。其中车轴采用空心结构，最大限度降低簧下质量。因车轴上无齿轮箱传动装置，因此实现了车轮小型化和轻量化，车轮在新轮/全磨耗状态的直径分别为730/650 mm，磨耗量达到80 mm。

电机悬挂支撑箱是直线电机悬挂系统的基础，主要承担直线电机的悬挂支撑及高度调整。直线电机通过垂向吊杆悬挂在电机悬挂梁上，而电机悬挂梁通过两端的橡胶节点弹性安装于电机悬挂支撑箱上部，两者通过特殊设计的紧固和高度调整机构连接在一起。支撑箱轴承采用圆锥滚子轴承，更适于承担轮对和直线电机的综合载荷。

车轮采用直辐板整体辗钢车轮，材质采用ER9。车轮设计和制造执行EN 13262标准。踏面形状采用符合TB/T 449—2003《机车车辆车轮轮缘踏面外形》标准中的LM型磨耗形踏面。轮装制动盘是车辆制动系统的一部分，该轮装制动盘是具有径向排布散热筋的环形铸铁盘。车轮和制动盘组成见图8。

车轴采用空心车轴，设计和制造执行EN 13261标准。

轴箱组成（见图9）主要包括轴箱体、自密封圆柱滚子轴承、防尘挡圈、前后压盖等。轴箱体采用迷宫式防尘结构，各类速度传感器、接地装置等在轴箱前盖上固定安装。轴箱顶部设有垂向限位台，在保证车辆正常运营时垂向位移要求的同时，具有安全限位功能，保证一系弹簧故障模式下车辆的安全。

3.4 二系悬挂及中央牵引装置

二系悬挂和中央牵引装置（见图10）位于转向架构架和车体之间，具有2种主要功能：

（1）确保乘客得到良好的乘坐舒适性；

（2）确保车辆在动态状态下保持在规定的动态车辆轮廓线内。

图8 车轮和制动盘组成

图9 轴箱组成

图10 二系悬挂及中央牵引装置

中央牵引装置则传递车体与转向架之间的载荷。

SDB-LIM型转向架的二系悬挂装置主要由空气弹簧、二系横向油压减振器、差压阀、自动高度调整装置、横向止挡、安全钢索等组成。采用空气弹簧中阻尼节流孔来衰减车辆的垂向振动。在车体与构架之间设置安全钢索，当车辆出现异常状态时，由安全钢索将车体和构架相对限位，限制空气弹簧高度，保证车辆与限界间的有效安全距离，保证车辆的行车安全。同时通过安全钢索实现转向架的整体起吊功能。

每台转向架设有一套中央牵引装置，由中心销、牵引梁、牵引拉杆组成，采用中心销配合Z字形牵引拉杆结构。牵引梁和构架间通过呈Z字形布置的牵引拉杆连接，中心销、中心销套、牵引梁之间无配合间隙，实现了弹性无间隙牵引。

3.5 直线电机悬挂装置

每个转向架配备一台直线电机，通过两根直线电机悬挂梁及其上的垂向吊杆悬挂。其中，每根悬挂梁垂向支撑在轮对左右支撑箱上。这种直线电机支撑悬挂以轮对支撑箱的方式实现了电机悬挂与转向架一系悬挂的隔离，使得电机高度不受一系悬挂变形产生的不良影响，可以最大限度保证运行时电机气隙的稳定。

直线电机横向由横向拉杆连接到转向架构架上。纵向牵引力和制动力通过直线电机与构架间的电机牵引杆直接传递到构架上。因此，直线电机横向和纵向实际为构架安装，从而与轮对的振动冲击隔离，减少横向轮轨力并改善直线电机运用环境。

直线电机悬挂梁见图11，具有以下结构特点：

（1）两端与轴箱连接处配备橡胶关节，为直线电机悬挂提供一定弹性，在保持直线电机高度和气隙稳定的同时，降低运行时的振动。悬挂梁的弹性安装还能满足电机悬挂系统在允许范围内的点头、侧滚及摆动要求。

（2）与轴箱的连接处设置有垫片式直线电机高度调整装置，在车轮磨耗时可通过调整高度调整垫片厚度来调整直线电机与感应板间的气隙。在车轮磨耗范围内，操作人员在车辆客室内即可通过专用工具将气隙调整到需要高度。

直线电机牵引力的传递路径见图12。

3.6 基础制动装置

基础制动采用轮盘制动，每个制动盘配备一套紧凑式制动单元。采用空气压力控制制动动作。50%的制动单元带弹簧停车制动，列车停放制动能满足AW3载荷列车停放在60‰坡道上，且能满足AW0载荷的列车停放在70‰坡道上。

图11 直线电机悬挂装置

图12 直线电机牵引力传递路径

车辆运行中，正常情况下通过变换直线电机极性提供与运行方向相反的力，即电制动力。而基础制动装置可在电制动力不足时予以补充，并在特殊情况下提供紧急制动。

该紧凑式制动单元具有以下特点：

（1）制动单元从一个销钉上居中悬挂，易于针对较大的侧向运动和倾斜运动进行调整；

（2）独立的制动气缸和闸瓦间隙调整装置，根据制动盘及闸片的磨耗闸片间隙自动调整；

（3）紧凑、轻量化设计，在转向架中占用较小空间；

（4）具有剖分式结构的扭转刚性钳杆。

带停放功能的制动单元见图13。

3.7 轮缘润滑装置

SDB-LIM型转向架采用油脂型湿式轮缘润滑装置（见图14），包括控制器、油箱和喷油嘴等。该装置通过润滑轮缘部位，可减少轮缘和轨道的磨损，延长车轮和轨道的使用寿命（尤其是弯道处的钢轨），并且降低牵引阻力和轮轨噪声。轮缘润滑装置采用时间和弯道组合的喷油控制方式。

3.8 其他设备

完整的转向架还包括三轨受流装置、管路系统及安装其上的电气设备（包括接地装置、制动传感器、速度传感器、ATC天线等）。

图13 带停放功能的制动单元

图14 轮缘润滑装置

4 转向架试验和运用

4.1 转向架试验

在制造阶段，转向架关键零部件，包括构架、轴箱弹簧、橡胶节点、空气弹簧、直线电机悬挂装置等均进行了型式试验，基础制动装置和轴箱轴承也进行了试验台试验，试验结果证明零部件满足车辆运用和设计要求。

2011年4月完成了转向架装车后的车辆静态试验（见图15、图16）。柔度系数不大于0．08，模拟扭曲轨道的轮重减载率均低于0．6且有很大余量。试验车还实施了回转阻力试验，回转阻力系数小于0．1。以上均满足EN 14363和UIC 505的规定。

2011年11月在广州地铁5号线运营线路进行了线路试验。通过动应力测试，评估了转向架疲劳寿命满足30年。通过动力学试验，确认车辆安全性满足要求，其中脱轨系数不超过0．8，轮重减载率不超过0．6，均符合UIC 518标准；垂向和横向运行平稳性均小于2．5，达到优级。空车状态横向平稳性指标见图17。

4.2 运用状态

SDB-LIM型转向架从2011年12月开始在广州地铁5号线上线运营，共有32列车384台转向架投入使用。截至2014年4月，最长运营里程已达35万km，转向架运用情况良好。

运用过程中，陆续发生过轴箱标志牌断裂、直线电机调整垫片断裂、直线电机拉杆橡胶关节裂纹、中心销套生锈问题，通过适应性改进已经逐步解决了各项问题。

图15 柔度系数试验（头车）

图16 回转阻力系数试验

5 结束语

在全球范围内，直线电机地铁车辆属于先进技术领域，投入实际运营时间不长，仍处于上升和发展阶段。由于其突出的大坡道能力等技术优势，必将在轨道交通市场内占有一席之地。

图17 空车状态横向平稳性指标——速度分布散点图

SDB-LIM型转向架通过了理论和试验验证，各项性能指标均满足设计及运营要求。从2011年12月投入运用至今，从舒适性、安全可靠性等方面均表现出优良特性。随着初期局部问题的逐步解决，该转向架由磨合阶段进入稳定期。

作为国内自主研制的第一种直线电机转向架，SDB-LIM型转向架填补了国内该技术领域的空白，对于提升认知、积累运用经验和推进相关领域技术研究都具有里程碑意义，同时促进了城市轨道交通车辆关键部件和整车产业化的发展。

[1] 王伯铭．城市轨道交通车辆工程[M]．成都：西南交通大学出版社，2007．

[2] 庞绍煌．广州地铁直线电机传动车辆[J]．机车电传动，2008(2)：44-47．

[3] 罗曦春，罗世辉．直线电机车辆转向架[J]．电力机车与城轨车辆，2008(5)：41-44，49．

[4] 李言义． 国内外直线电机转向架[J]．国外铁道车辆，2009(3)：21-23．

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[7] 岩户一典．线性地铁的转向架技术[C]//第四届中日直线电机轨道交通技术交流会．北京，2006．

张雄飞：南车青岛四方机车车辆股份 有限公司技术中心，高级工 程师，山东 青岛，266111

李言义：南车青岛四方机车车辆股份 有限公司技术中心，高级工 程师，山东 青岛，266111

责任编辑高红义

U271

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1672-061X（2014）04-0058-07