地铁车转向架优化设计研究

何 星

（中国铁建高新装备股份有限公司，云南 昆明650215）

1 现状分析

随着国内社会经济持续快速发展，越来越多的城市开通了地铁线路，随着地铁线路的快速延伸，线路区间也在变长，地铁运用部门要求各类工程车辆能够快速到达作业地点并可以迅速转场作业。为了满足此要求，在借鉴了Y25型货车转向架的基础上进行了某地铁车转向架研发设计，设计自行速度80 km/h，连挂速度100 km/h。理论上可以满足地铁车作业的快速作业和转场要求。

Y25型转向架是由法国铁路部门开发研制的，是一种采用一系轴箱悬挂系统及单腹板焊接构架的货车转向架，是欧洲铁路联盟的标准型通用货车转向架，设计运行速度120 km/h。分析其结构，发现有以下特点：H型焊接式构架质量变得更轻、簧下重量更小；轴箱悬挂装置有两级不同刚度，可适应货车的空载、整备状态运行条件；轴箱悬挂装置采用利诺尔摩擦减振器，其单侧弹簧吊环在一定范围内的安装倾角可方便顺利地实现货车空载与满载两种不同的工况需求[1]。

某地铁车转向架是在标准Y25转向架基础上进行改良优化，其主要改进点如下：（1）增加了车轴齿轮箱等驱动装置，轮对重量增加；（2）由于是工程车辆，没有空重车之分，因此轴箱悬挂装置改为仅有外螺旋钢弹簧一种刚度；（3）根据实际使用工况及地铁车作业的特点，将吊环角度设计靠近下限值；（4）为适应国内地铁市场的标准，车轮踏面采用了TB/T449规定的中国标准LM磨耗型[2]。

由于该地铁车转向架主要用于地铁线路，地铁轨道与干线铁路相比有以下特点：（1）道床薄，轨重轻，轨道弹性较差，轴重要求严格；（2）曲线半径小，曲线多，缓和曲线更短，线路坡度大，顺坡率大，线路条件差。

安装了改进后转向架的地铁车在沪昆线上进行了线路动力学性能试验。试验过程中在95 km/h速度级时，出现失稳，距离目标速度110 km/h有较大的差距，且动力学性能指标未能满足GB/T17426《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》的规定[3]。可以判定，该类型转向架无法满足设计要求，需要进行进一步优化设计。

2 主要零部件

2.1 转向架构架

转向架构架由两侧梁、横梁和一些安装座组成，采用低合金高强度结构钢板焊接而成的H型构架，在原Y25转向架构架的基础上进行了改装，转向架构架如图1所示。

图1 地铁车转向架焊接构架简图

2.2 轮对

该车有自走行和作业走行的要求，因此与Y25转向架的光轴轮对相比，其在轮对上装有车轴齿轮箱，增加了簧下质量，轮对如图2所示。

图2 轮对简图

2.3 其他零部件

该车一系悬挂装置选用的为利诺尔减振器，采用心盘与螺旋钢旁承共同承载，并设有车体支撑装置和车轴支撑装置，保证在作业时，整车是一个刚性的整体，从而保证作业的质量。

3 优化设计及应用分析

3.1 试验失败原因分析

机车车辆蛇行运动的理论临界速度计算公式如下：

其中，（r:车轮半径；s:左右两滚动圆间的距离之半；ε:接触角参数，表示接触面斜率对于轮对横移量的变化率；δ0：车轮与轨道接触角；ζ：轮对中心线至轮轨接触点的距离对于轮对横移量的变化率；ρz：轮对对Z轴的回转半径；je：等效斜率；P：轴荷重；m：簧下重量；b：左右两定位弹簧间距离之半；Kx：轮对每侧的纵向定位刚度；Ky：轮对每侧的横向定位刚度）。

由于轮对上增加有车轴齿轮箱，导致其簧下重量较Y25转向架簧下重量增加了约54%，亦即m变大，从公式计算其临界速度会下降约20%；由于从锥型踏面改为了LM磨耗型踏面，锥型踏面的je约为0.05，LM磨耗型的je约为0.1，从公式计算分析，其临界速度会下降约20%，在设计之初，吊环倾角小导致正压力偏小，从而导致轮对的纵向定位刚度偏小，亦即Kx偏小，也会导致车轮的临界速度有一定的下降。

通过对地铁转向架设计参数分析可以发现，其实际临界速度比Y25转向架下降较多，符合实际试验情况。由于踏面不可更改、簧下质量无法减轻，为提高临界速度，只能从提高定位刚度方面进行改进。

3.2 转向架优化方案设计

为确保安全可靠，在采用成熟可靠的Y25转向架技术基础上，保持转向架构架主体结构、轮对、单元制动器、心盘、旁承等不变。其主要优化方面如下：

轴箱悬挂装置采用锥型橡胶簧一系悬挂定位方式，其与Y25转向架轴箱悬挂相比有如下优点：①取消了导框，简化了构架、轴箱的结构和制造工艺；②实现了轮对在纵向、横向、垂向三个方向的弹性定位，消除了对轴箱的磨耗，改善了动力学性能；③金属橡胶弹簧可以根据动力学性能的要求，实现三向不同的刚度值，不但提高了蛇行运动稳定性，改善了运行平稳性，更重要的是释放了轮对的摇头运动，减小了轮对通过曲线时的冲角，减少了轮轨磨耗；④橡胶弹簧具有吸收高频振动的能力，提高了构架的疲劳寿命；⑤采用斜装的油压减振器，可同时满足垂向和横向减振的需要，油压减振器的减振效果更佳，详见图3。

转向架构架进行优化设计，为匹配新的悬挂装置进行如下更改：由导框定位改为了弹性定位，在原转向架构架的基础上改装锥型橡胶簧定位安装座；并增设油压减振器安装座及其他安装座，构架简图详见图4。

图3 锥型橡胶弹簧悬挂装置简图

图4 优化后的转向架构架简图

3.3 优化设计后效果验证

某地铁车在转向架进一步优化整改完成后，再次在沪昆线进行了动力学性能试验。试验过程中最高速度运行到110 km/h速度级时，试验情况良好，各项指标均满足要求，试验顺利通过，转向架优化设计方案行之有效。

4 结束语

通过对原有转向架进行优化设计，不仅满足了现有地铁车的装机使用，同时可以将该转向架应用到其他的地铁工程车辆。由于转向架构架的主体结构没有进行更改，其构架的强度与刚度均没有变化，符合相关设计标准，经过实践应用验证，其临界速度高，动力学性能符合要求，满足了地铁车快速作业和转场的要求，为后续地铁工程车辆类似转向架的开发提供了理论基础及实际运用经验。