城市轨道交通轨道车新型转向架研制与仿真分析

秦娟兰 陈兵

摘要：本文介绍了金鹰重型工程机械有限公司研制的GCD300型重型轨道车转向架的技术参数、整体结构，阐述了各部件结构设计特点，对转向架构架采用ANSYS软件进行了有限元强度计算以及采用德国航空航天中心开发的SIMPACK动力学仿真软件进动力学性能计算，各项计算均符合标准要求。

关键词：轨道车;转向架;设计;仿真分析

0  引言

城市轨道交通轨道车承担轨道交通线路设备的维运及电客车车辆的维护、牵引、调车、運输、救援等，城市轨道交通运输方式中如轻轨、地铁、现代有轨电车等其速度高、行车密度大，其线路在建设过程中受地理环境和交通实际状况的影响，轨道曲线多，且轨道半径非常小（最小150m），而目前城市轨道交通轨道车转向架大部分是沿用国铁轨道车转向架，导致在使用过程中，由于不适应城市轨道交通线路特性，容易出现轮缘磨耗偏大、运行品质差等缺陷，为了适应小曲线半径轨道线路和轨道车转向架运行品质的不足，金鹰重型工程机械有限公司对GCD300型重型轨道车转向架进行设计研究，该车转向架充分体现了模块化设计理念，具有结构可靠、性能稳定、便于组装、使用与维修成本低等特点。

1  整体结构

GCD300型重型轨道车转向架采用二轴转向架，沿用国铁轨道车辆两轴转向架成熟结构，如焊接式构架、橡胶堆旁承、单元制动器等。为提高机车粘着重量利用率和运行品质，新型转向架上安装有低位牵引装置、架承式悬挂的牵引电机、碾钢材料整体车轮等。该转向架主要由构架、轮对轴箱总成、驱动装置（包括牵引电机、齿轮箱和联轴节等）、牵引装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、基础制动装等主要部件及撒砂装置、制动附件、电气附件等附属部件组成（图1）。

2  主要技术参数

转向架技术参数是设计转向架的关键，也是检验转向架是否符合标准的前提。

主要技术参数如表 1。

3  部件简介

3.1 构架

GCD300型重型轨道车转向架构架主体为H型箱梁结构，由两根侧梁和一根梁焊接而成，为了提高构架整体刚度、降低应力、改善受力情况，箱内设置有筋板。构架也是安装各部件的骨架，其上还设有单元制动器安装座、车轴齿轮箱安装座、电机吊座、减振器座、轴箱拉杆座等。

构架采用具有优良机械性能和焊接性能材料，各板材采用Q345B低合金高强度钢板，构架粱体焊接执行EN15085标准。

转向架设计完成后，进行了构架有限元强度计算和动力学性能计算。构架有限元分析采用ANSYS软件进行，计算的依据和标准为TB/T2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》，参考BS EN13749-2011《铁路应用-轮对和转向架-规定转向架-构架结构要求的方法》。计算结果表明，模拟运营工况下最大应力152.6MPa（应力云图见图2），标准未超出Q345B钢许用应力为216MPa的标准。

构架横梁上装有2个侧挡，能限制轨道车车体与转向架之间的自由横动量。当侧挡贴靠起作用后，侧挡体内的橡胶块还能产生弹性缓冲作用。构架侧梁底面焊有轴箱侧挡，其磨耗面与车轴轴承箱单侧挡间隙为7.5～10.5mm;轴箱侧挡磨耗板与轴箱止挡重合面高度在30～50mm之间。

3.2 轮对与轴箱装置

车辆轮对全部为驱动轮对，车轮直径840mm，采用符合TB/T449的LM磨耗型踏面。

轴箱装置主要由轴箱体、单拉杆、一系弹簧、油压减振器等组成（图3）。轴箱采用内置悬挂方式，使轴箱中心距缩短，充分利用构架H型结构;采用无导框弹性单拉杆定位，与传统轨道车转向架双拉杆结构比较，各轴箱均减少了一个拉杆和拉杆座，结构简化，安装更方便;同时对单拉杆的橡胶节点进行了优化设计，获得合适的一系悬挂纵向刚度与横向刚度，在保证直线运行平稳性的前提下，提高了曲线通过能力。轴箱拉杆两端设有橡胶关节，使轴箱可以依靠橡胶关节的径向、轴向及扭转弹性变形，实现多个方向的相对位移，使轮对与构架间成为弹性联接。

车轴轴承箱上部设计有起吊挂板，当车辆需要起复时，起吊挂板可以与转向架构架连挂在一起，实现轮对、轴箱无捆绑起复。为保证起复的效率，在挂勾上增加起复用垫块，以减少弹簧的伸长，从而减少复轨器的行程。该种结构简单实用。

一系弹簧装置由各轴箱体左右各一组弹簧以及并联的一系垂向油压减振器组成，用以承载重量并缓冲、吸收运行过程中的各种垂向振动。各组弹簧均由内外圈弹簧加橡胶垫组成，弹簧加橡胶垫静挠度95mm。

轴箱轴承型号为352226×2-2RZ，为符合铁路标准的自润滑免维护轴承，可以节约运用中的维护时间。

3.3 二系悬挂装置

二系悬挂装置采用轨道车转向架成熟的四点支撑旁承方式，旁承采用性能良好、维护工作量小的橡胶堆结构，静挠度为15mm，并配置了两个横向液压减振器以衰减机车的横向振动，提高舒适性;二系悬挂装置磨耗板采用新材料新工艺制作，摩擦系数非常小，车辆通过曲线轨道时有利于车体与转向架之间的相对运动，便于车体顺利通过曲线轨道。

3.4 牵引装置

本转向架采用 “Z”型牵引杆机构，具有牵引点低、强度高、落车操作简单等优点。牵引装置主要由牵引拉杆、中心销、压板、侧挡等组成。

牵引装置用以传递转向架与底架之间的牵引力，并使转向架能相对于车体转动和横向移动。牵引拉杆沿着车长方向布置，其一端与构架横梁上的牵引座通过螺栓联接，另一端与焊接在牵引销体上的牵引座联接。牵引力、制动力通过牵引拉杆传递至牵引销体，通过与车体固定联接的牵引销体上端将力传递给车体。

牵引装置侧面焊有侧挡，侧挡与转向架横向止挡座间隙为14～16mm，超过时应在侧挡背面加垫板调节。牵引装置与转向架横梁之间间隙为30±4mm，不满足时调整中心销与车架之间的调整垫。

3.5 驱动装置

驱动装置包括交流牵引电机、齿轮箱和联轴节。牵引电机采用架承式悬挂，上下各1个支座与构架横梁上的橡胶垫安装座联接，橡胶垫具有良好的吸收高平震动的能力，能有效减小轨道（道岔或弯道处）高平震动对牵引电机的冲击，支座与安装座间设有卡槽，确保橡胶垫安装座失效时牵引电机不致脱落。

齿轮箱采用二级传动，通过两级平行轴直齿轮传动增大扭矩并最终驱动轮对。车轴齿轮箱主要由上箱体、下箱体、透气器、传动轴、传动齿轮对、强制润滑系统等部分组成。齿轮箱采用齿轮泵强制润滑和飞溅润滑相结合以确保无盲点润滑，保证车辆运行安全。

强制润滑系统的润滑泵为双向齿轮泵，泵送的润滑油在分配阀的作用下可以到达各轴承部位，保证车辆在前进、后退工况均能得到可靠润滑。外接吸油盘确保为各润滑点提供干净清洁的润滑油。飞溅润滑系统为辅助润滑，在上箱体和下箱体上有相应的结构来收集齿轮转动飞溅到箱体上的润滑油，并通过油道流入各润滑点。

车轴齿轮箱的输入端通过鼓形齿联轴节与驱动电机连接。

3.6 基础制动装置

基础制动装置采用结构紧凑、方便安装踏面制动单元制动器，单元制动器设有自动闸调器，能保证缓解时闸瓦间隙在4-8mm范围内。

单元制动器配套TB/T2403H型高摩合成閘瓦，其制动倍率可根据车重变化进行选取，以满足地铁车辆制动需要。

每台转向架均设有2个带弹簧停车制动的单元制动器，当坡道停车时，可以排出弹簧停车制动缸内的总风，停车制动弹簧释放，推动闸瓦压紧车轮，使车辆停驻在坡道上。

4  动力学性能仿真计算

动力学性能采用德国航空航天中心开发的SIMPACK机械＼机电系统运动学＼动力学仿真软件进行计算，其横向及垂向平稳性指标均达到良好（如图4所示），以60mm以下的欠超高通过半径为300m、400m、600m的圆曲线和以45km/h通过由12号道岔组成的渡线、以30km/h通过由9号道岔组成的渡线时的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数均小于GB/T17426-1998规定的限度值，曲线运行安全性满足GB/T17426-1998的要求。

5  结语

金鹰重型工程机械有限公司通过自主创新，研发GCD300型重型轨道车转向架，大大提高地铁轨道车辆的运行品质，目前采用新型地铁转向架的轨道车辆已经在用户现场使用，获得了较高的满意度及评价。

参考文献：

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[2]马巧艳，王文，张德荣.快捷货车转向架构架的有限元仿真分析[A].中国铁道学会车辆委员会，快捷货车转向架技术交流会论文集[C].2015.

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