QS ZQJ-12?型防倾覆地铁桥梁检查车 转向架设计

蔡峰 张晓峰 袁瑞文

摘 要：介绍一种具有防倾覆功能的地铁桥梁检查车转向架，包括其组成、主要技术参数、各部件及特点;然后通过进行防倾覆计算，为液压系统中油压阈值的选择和锁紧机构的结构设计提供理论依据;最后通过进行厂内倾覆试验，验证该车辆的防倾覆功能满足使用要求。

关键词：地铁;桥梁检查车;转向架;防倾覆;结构部件;技术参数

中图分类号：U273.3

QS ZQJ-12型桥梁检查车（ 横向最大检测范围为12 m ）是2018年中车戚墅堰机车有限公司为广州地铁集团有限公司设计的一种满足地铁桥梁检查作业要求的工程车。该工程车上部装有桥梁检测设备。当车辆进行桥梁检查作业时，装有检查人员的吊篮通过机械臂伸至桥梁底部，会导致整个车辆产生偏转力矩，此时车辆容易发生倾覆侧翻，因此该桥梁检查车必须具有防倾覆功能，这对该车辆转向架的一系和二系悬挂提出了新的设计要求。

1 组成及主要技术参数

1.1 组成

QS ZQJ-12型桥梁检查车转向架由构架、轴箱悬挂装置、轮对、旁承、牵引装置、基础制动装置、电机悬挂装置、附件等组成，如图1所示。与既有工程车转向架不同，通过在一系和二系悬挂中分别设计锁紧机构和顶车油缸，使车辆在检查作业时转向架的一系和二系悬挂均处于刚性连接，从而平衡车辆的偏转力矩，可有效避免车辆的倾覆。

1.2 主要技术参数

QS ZQJ-12型桥梁检查车转向架的主要技术参数如表1所示。

2 主要部件及特点

2.1 构架

构架采用钢板焊接形成的箱形梁结构，主要由侧梁、横梁、连接梁及各安装座焊接而成，如图2所示。为安装一系锁紧机构顶车油缸，在构架侧梁下盖板留有顶车油缸安装接口;为节约空间，轴箱拉杆座和制动座设计成一组合座;为防止二系油缸损坏而影响整车防倾覆功能，在构架两端侧梁上设计有二系垂向止挡座，以安装二系垂向止挡。

构架整体焊接后退火，保证去除焊接应力。构架结构静强度及疲劳强度有限元分析表明，该构架的强度和刚度均满足设计要求。

2.2 轴箱悬挂装置

轴箱悬挂装置主要由轴箱体、减振垫、下弹簧座、轴箱弹簧、上弹簧座、一系减振器、轴箱拉杆组件、吊钩、一系顶车油缸、支架、轴箱轴承等组成，如图3所示。轴箱悬挂装置采用单拉杆轴箱弹性定位结构，每个轴箱配有2个单圈弹簧和1个油压减振器以衰减垂向振动;每个轴箱与构架之间设计有一系顶车油缸及锁紧机构，锁紧机构由安装在构架上的吊钩和安装在轴箱体上的支架组成。当车辆在桥梁上检查作业时，一系顶车油缸伸出至轴箱体上平面的磨耗板上并使构架上升20 mm，此时吊钩锁紧，一系悬挂处于刚性连接状态。此时一系顶车油缸的额定油压为20 MPa，行程为65 mm，经计算分析在此油压下，构架上部可抬升至吊钩锁紧，同时不会破坏锁紧机构的结构强度。

2.3 轮对

轮对由车轴和车轮组成，如图4所示。车轮采用全加工整体辗钢轮，新轮直径为840 mm，车轮踏面采用LM型;车轴采用锻造碳素钢实心车轴。轮对压装方法采用冷压方式。

2.4 旁承及二系顶车油缸

旁承采用4个二系橡胶堆承载，配备了2个二系横向油压减振器，如图5所示。为了使车辆具有防倾覆功能，每台转向架构架和车体之间设计有4个二系顶车油缸。当车辆在桥梁上检查作业时，二系顶车油缸伸至构架上平面磨耗板上并使车体上升5 mm，此时二系顶车油缸已伸出至全行程，车体上升高度小于橡胶堆的静挠度，转向架二系悬挂趋于刚性连接状态。同时，为防止二系顶车油缸失效而影响车辆防倾覆功能，在构架的两侧设计有起保护作用的垂向止挡。二系顶车油缸的额定油压为20 MPa，行程为25 mm。在此行程下，可确保二系顶车油缸和橡胶堆同时承载，以减小二系顶车油缸的承载力，延长二系顶车油缸的使用寿命。

2.5 牽引装置

牵引装置由中心销、牵引杆装配、牵引块等组成，如图6所示。牵引装置采用中央牵引的方式，2个牵引杆呈Z字形布置，牵引销与车体之间通过螺栓连接，牵引杆与构架横梁下盖板通过橡胶关节连接。牵引销上部采用钢板焊接结构，下面锥形部分锻造成形，机加工后与上部组焊在一起。

2.6 基础制动装置

基础制动装置采用带闸瓦间隙自动调节器的独立制动系统，具有结构简单、质量小、杠杆少、方便运用和维修等特点。基础制动为单侧踏面制动，每轴安装1个带停放制动的单元制动器和1个常用单元制动器，呈转向架中心对称布置，每个单元制动器通过螺栓固定在构架的制动座上。

2.7 电机悬挂装置

电机悬挂装置采用挠性浮动齿式联轴节传递动力的架悬结构，牵引电机吊挂于构架横梁上的电机吊座上，挠性浮动齿式联轴节一端与电机输出端连接，另一端和齿轮箱中的主动齿轮连接。齿轮箱一端吊挂于横梁上的齿轮箱吊座上，另一端通过2个轴承抱于车轴上。2套电机悬挂装置呈中心对称布置。电机悬挂装置由电机、联轴节、齿轮箱装配等组成，如图7所示。

3 防倾覆计算

通过分析各工况下QS ZQJ-12型桥梁检查车的防倾覆能力，需分别计算一系和二系顶车油缸以及锁紧吊钩的受力情况，以便确定每种工况下顶车油缸所需的最小油压和锁紧机构的结构强度，为液压系统中油压阈值的选择和锁紧机构的设计提供理论依据。计算假定条件为：最大倾覆力矩为横向作用的力偶，纵向均匀作用于车辆上部（即不考虑桥梁检查设备工作机构的纵向作用力偶）。

3.1 工况定义

根据QS ZQJ-12型桥梁检查车实际运用情况分析，各工况定义如表2所示。

3.2 计算参数

根据QS ZQJ-12型桥梁检查车转向架的结构特点，设计防倾覆计算参数如表3所示。

3.3 计算结果

以表2中工况最恶劣的第5工况为例介绍计算过程，计算简图如图8所示。此工况下桥检设备工作机构全部伸出至最大偏矩处，车辆处于曲线外侧超高150 mm轨道上，同时受最大侧风作用（用户要求校核风速12.5 m/s）。此工况下工作机构引起最大偏距MP1为138.6 kN · m;同时由于车辆位于外侧超高的轨道上，除工作机构伸出部分质量外，车辆剩余质量重心发生了Δl = 151.3 mm的横向偏移，车辆剩余质量自身引起一定偏距MS;另外，受最大侧风作用，对车辆也产生一定偏距MF。鉴于以上3种偏距的影响，车辆两侧车轮的受力发生变化，产生增载和减载现象。

第5工况下的计算过程利用了第2工况下的计算结果，具体载荷计算如下。

（1）计算表2中第2工况下的结果。一系油缸输出力Foil恒定（油缸内额定工作油压为20 MPa），为：

（1）

一系油缸锁紧后，一系吊钩锁紧内力F1为：

（2）

为保持一系吊钩始终有锁紧内力，一系油缸所需的最小油压P1为：

（3）

为保持二系油缸始终达到最大行程，二系油缸所需的最小油压P2为：

（4）

（2）车辆位于外侧超高轨道上时，车辆剩余部分质量所引起的偏距MS为：

（5）

（3）最大侧风对车辆产生的偏距MF为：

（6）

（4）受工作机构最大偏距、车辆位于外侧超高轨道上以及最大侧风的影响，车辆两侧车轮受力变化值ΔF0、一系吊钩受力变化值ΔF1、二系油缸支承力变化值ΔFoil分别为：

（7）

（8）

（9）

（5）此工况下一系油缸锁紧后，一系吊钩最大锁紧内力发生在减载侧，最大锁紧内力F1 max为：

F1 max = F1 + Δ F1 = 45.2 + 24.4 = 69.6 kN         （10）

（6）为保持一系吊钩有锁紧内力，一系油缸所需最小油压P1 min为：

（11）

（7）为保持二系油缸达到最大行程（车体上升5 mm），二系油缸所需最小油压P2 min为：

（12）

（8）此工况下车辆在减载侧发生了轮重减载，轮重减载率η为：

（13）

各工况下的载荷计算结果汇总如表4所示，从表中可以看出：

（1）车辆在工况最恶劣的第5工况下，车辆轮重减载最大，最大轮重减载率为58%，车辆不会发生侧翻。

（2）在工作油压20 MPa情况下，一系吊钩最大锁紧内力为69.6 kN，一系吊钩结构强度需满足此最大力的要求。

（3）为保持车辆在不同工况下一系吊钩锁紧、二系油缸伸出至最大行程，一系油缸所需的最小油压為13.7 MPa，二系油缸所需的最小油压为14 MPa，液压系统的油压不得低于14 MPa。

（4）车辆在不同工况下承受侧风的能力不同，其中在第4工况下车辆承受侧风能力最弱，所能承受的最大侧风风速为56.9 m/s，满足用户地区的天气条件要求。

4 倾覆试验

根据与用户签订的合同要求，桥梁检查车在曲线超高为150 mm、吊篮承受最大荷载为280 kg的情况下，车辆不发生倾覆。倾覆试验示意图如图9所示，分为垂直向下检查、桥下水平范围检查、跨越声屏障工作、竖直向上检查和桥梁侧面检查共5种工况，其中桥梁侧面检查工况下的偏转力矩最大，车辆最容易发生倾覆。经厂线试验结果表明，QS ZQJ-12型桥梁检查车转向架的车轮在试验各个工况过程中始终保持与钢轨接触，试验中各零部件运行正常，桥梁检查车达到了稳定检查作业的试验要求。

5 结语

QS ZQJ-12型桥梁检查车转向架是在既有工程车平台基础上进行的适应性改进，因其特殊的桥梁检查工况要求，通过分别在转向架一系和二系之间设计顶车油缸及锁紧机构，实现车辆的防倾覆功能，达到了桥梁检查稳定作业的要求。目前该车已交付用户，得到了用户的认可。

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收稿日期 2019-12-23

责任编辑 党选丽

Bogie design of Type QS ZQJ-12 anti-capsizing metro bridge inspection vehicle

Cai Feng， Zhang Xiaofeng， Yuan Ruiwen

Abstract： This paper introduces a kind of bogie with anti-capsizing function， including its composition， main technical parameters， components and characteristics. It provides theoretical basis for the selection of hydraulic system oil pressure threshold and the structural design of locking mechanism through anti-capsizing calculation. In conclusion， it verifies the anti-capsizing function of the vehicle to meet the use requirements through in-works capsizing test.

Keywords： subway， bridge inspection vehicle， bogie， anti-capsizing， structural components， technical parameters