轨道车辆轴箱内置式转向架技术发展研究

2021-09-29 08:53贾洪龙尹振坤杨集友吕常秀王一淞
城市轨道交通研究 2021年9期
关键词:庞巴迪内置式轴箱

贾洪龙 尹振坤 梁 云 杨集友 谌 亮 吕常秀 王一淞

(中车长春轨道客车股份有限公司,130062,长春 ∥ 第一作者,高级工程师)

轴箱内置式转向架将轴箱、轴承、一系悬挂安装在轮对内侧,由于构架支撑点也处在轮对内侧,所以又称作构架内置式转向架(以下简称“内置式转向架”),如图1所示。在结构上,通过减小一系悬挂的横向跨距,减小了构架、车轴等横向尺寸,从而减小了转向架整体的质量(约减重30%);通过减小一系悬挂的横向跨距,有效降低了轮对的摇头角刚度和转向架的扭曲刚度,便于通过小半径曲线。内置式转向架具有通过曲线能力强、轮轨磨耗小、噪声低、适应线路扭曲能力强的特点,适用于运行速度不高、线路曲线半径小、坡度和顺坡率较大的轨道车辆。

图1 内置式转向架和外置式转向架结构对比示意图

内置式转向架的缺点也非常明显。由于构架内置,转向架内部空间大大减小,在设计驱动装置部件(电机、齿轮箱)时,布置空间非常有限;轴承设置在车轮内侧,定期维护时,必须拆卸车轮;目前内置转向架尚未制定适用的设计、制造系列标准。因此,内置式转向架的运用并不广泛,主要集中在英国市场。国内只有少量的低地板轻轨车辆或直线电机地铁车辆采用了内置式转向架,运营速度在100 km/h左右。

随着电力驱动技术的进步、轨道车辆轻量化的需求以及对产品全寿命周期成本管理意识的日益增长,内置式转向架以其质量小、维护成本低等优点越来越受到国内外轨道车辆制造商和运营单位的青睐。2018年,西门子发布了研发5年之久的新型高速列车Velaro Novo,最高速度可达360 km/h,列车的质量减轻了15%,能耗降低了30%,预计在2023年正式投入运营。公开资料显示,该列车就采用了内置式转向架。文献[4]预测内置式转向架将会成为我国下一代高速列车发展的关键技术方向之一。目前,中国中车集团旗下各主机厂也均在进行内置式高速转向架的技术研究和试制。笔者将重点介绍国内外的内置式转向架技术发展情况以及几种典型的内置式转向架结构和技术参数。

1 国外内置式转向架技术发展情况

国外内置式转向架技术运用的较早,但最能代表现代内置式转向架技术发展的是庞巴迪在20世纪80年代基于英国铁路开发的B5000转向架。与相应的传统转向架相比,B5000转向架的质量减少了30%~35%,簧下质量减少了30%~40%。在B5000转向架的基础上,2001年庞巴迪研制的B5005转向架代表了现代内置式转向架的第一个典型应用,使用在英国的Voyager、Meridian和Turbostar城际列车上,其良好的轨道友好性和较低的维护费用深受英国运营公司喜爱。同年,庞巴迪公司在B5000系列转向架基础上还为德国国铁(DB)ICE2试验车开发和研制了应用于拖车的TR400拖车转向架,试验速度最高达到了392 km/h,显示了内置式转向架的广泛应用范围。在此基础上,庞巴迪又开发了Flexx Eco系列的内置式转向架,其中Flexx Eco 501x动车转向架运用于英国的Aventra城际列车动车,Flexx Eco 5101拖车转向架运用于德国国铁新一代ICE4拖车转向架。

西门子在2016年为英国专门设计了Desiro City城际列车,运营在Thameslink线上,运营速度最高为160 km/h。该列车采用了西门子SF7000型内置式转向架(包括动车、拖车两种类型),代表了西门子最典型的内置式转向架技术应用。

日立公司(Hitachi)在2017年针对苏格兰的Falkirk线(连接爱丁堡和格拉斯哥)研发了AT-200/300型高速城际列车,最高运营速度可达到200 km/h,在部分拖车上也采用了内置式转向架。

1.1 庞巴迪B5005动车转向架

庞巴迪B5005动车转向架(见图2~3)构架为 H 型焊接构架。一系悬挂采用橡胶弹簧,提供了足够大的阻尼,因此不需要再设置垂向减振器。二系悬挂采用空气弹簧,附加空气室安装在车体上。二系悬挂还设置有横向和垂向减振器、抗蛇行减振器。牵引装置采用单拉杆牵引方式。转向架配备有4个轮装制动盘,并设置了弹簧停放制动单元。电机采用体悬式安装方式,安装在车体下方。庞巴迪B5005动车转向架主要技术参数见表1。

图2 庞巴迪B5005动车转向架

图3 庞巴迪B5005动车转向架二维视图

表1 庞巴迪B5005转向架主要技术参数

1.2 庞巴迪TR400拖车转向架

庞巴迪TR400拖车转向架(见图4)构架为 H 型焊接构架。一系悬挂由橡胶叠簧和垂向减振器组成,采用拉杆式定位方式。二系悬挂采用空气弹簧。该转向架设计采用了半主动垂向减振和主动横向悬挂特殊技术,设置了一个主动横向和一个半主动垂向减振系统,以提高列车高速运行下的舒适性;每侧有2个抗蛇行减振器,并设置了抗侧滚扭杆;车体和二系悬挂之间设置有过渡的联系枕梁,同时作为空气弹簧的附加气室。该转向架基础制动装置包括4个轮装制动盘、每轴1个斜对称的轴装制动盘,以及磁轨制动器或涡流制动器。庞巴迪TR400拖车转向架主要技术参数见表2。

图4 庞巴迪TR400拖车转向架

表2 庞巴迪TR400拖车转向架主要技术参数

1.3 庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架

庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架(见图5)构架(见图6)为焊接结构,包括2根纵梁,通过箱型横梁相连,呈H 型形状。一系悬挂由金属橡胶弹簧组成。由于内置式转向架的轴颈间距较小,一系悬挂在垂直方向上刚度的设计相对比较硬,可防止侧滚。轮对每侧设置一个含有金属橡胶节点的定位拉杆,拉杆的定位刚度较小,使得轮对在曲线上可以良好地径向通过。二系悬挂系统由安装在转向架纵梁中心的空气弹簧和橡胶弹簧串联组成,空气弹簧内部还集成了紧急锥形弹簧。该转向架还设置了安装在构架上的抗侧滚扭杆,由于转向架内部缺少设计空间,扭杆设计成中间为弓型的弯杆。该转向架基础制动装置采用电空紧凑型制动单元,轮装制动的制动夹钳还配备了弹簧停放制动单元。除了空气制动外,还安装了磁轨制动器,在紧急制动时使用。庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架主要技术参数见表3。

图5 庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架

图6 庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架构架

表3 庞巴迪Flexx Eco 5101拖车转向架主要技术参数

1.4 西门子SF7000型转向架

西门子SF7000型转向架(见图7~8)包括动、拖两个版本,是在原有SF5000型转向架(轴箱外置)基础上的升级产品,保持了原SF5000型转向架的结构主体。该转向架一系悬挂采用鞍形叠层橡胶弹簧,类似转臂式的定位方式,配置有空气弹簧、垂向减振器、抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆等。动车和拖车转向架之间的主要差异在于制动系统,动车转向架在每个轮上安装有踏面制动,但动车转向架主要利用再生制动;拖车转向架每个轮对有2个轴装制动盘。西门子SF7000型转向架主要技术参数见表4。

图7 西门子SF7000型动车转向架

图8 西门子SF7000型拖车转向架

表4 西门子SF7000型转向架主要技术参数

2 国内内置式转向架技术发展情况

国内内置式转向架技术发展起步较晚,目前还没有城际列车采用轴箱内置式转向架,因此缺少相关技术研究和积累。2014年,中车长春轨道客车股份有限公司中标美国波士顿地铁项目,依托该项目要求,自主研制了轴箱内置式地铁转向架,最高试验速度为112 km/h。针对潜在的英、德等国家的城际列车市场,中车长春轨道客车股份有限公司开发了速度等级为200 km/h以上的内置式转向架作为技术储备,同时也已着手进行300 km/h以上速度等级的内置式转向架的研究和开发。

2.1 美国波士顿地铁项目轴箱内置式转向架

美国波士顿地铁项目轴箱内置式转向架(见图9)为轴箱内置式带摇枕结构,采用整体铸造构架和铸造摇枕;二系悬挂采用双曲囊空气弹簧,控制模式采用三点控制方式;一系悬挂采用人字形橡胶弹簧,每根车轴都由1套驱动装置驱动; 每个转向架上装有4套踏面制动单元,其中每车一位转向架安装2套带停放功能的制动单元;采用第三轨受流方式;一位转向架上还装有信号天线、轮缘润滑、三轨冰雪刮刀及紧急停车触发装置。美国波士顿地铁项目轴箱内置式转向架主要设计技术参数见表5。

图9 美国波士顿地铁项目轴箱内置式动车转向架

表5 波士顿地铁项目轴箱内置式转向架主要技术参数

2.2 速度等级为200 km/h的轴箱内置式转向架

速度等级为200 km/h的轴箱内置式转向架(见图10)采用H型焊接构架,横梁采用钢板焊接结构,抗蛇行减振器座安装座采用模块化设计,螺栓安装方式便于螺栓的拆装和更换;一系悬挂采用2个纵向布置的橡胶圆锥弹簧,垂向承载能力强,同时单个弹簧的直径较小、横向空间占用少;轴箱采用分体式结构设计,拆卸上、下箱体之间的连接螺栓即可实现轮对的快速更换;一系定位采用单个轴箱拉杆定位方式,轴箱拉杆安装座位于轴箱中部。牵引和制动时,轴箱拉杆作用力直接作用于车轴中心,不会对轴箱产生附加力矩。轴箱拉杆的两端为橡胶节点,橡胶节点的纵向刚度可调,可以满足高速动车组转向架轮对纵向定位刚度较大的要求。中央牵引装置采用一组牵引橡胶堆,与传统的Z型牵引拉杆、单拉杆以及两组橡胶堆设计结构相比,此结构横向和纵向空间占用小,且结构简单,即中心销直接与纵向布置的牵引橡胶堆接触,传递牵引力和制动力,接触表面采用低摩擦涂层。牵引电机通过3个橡胶节点吊装在构架横梁上,减少了构架横梁振动。齿轮箱吊杆的安装座位于构架侧梁,减少了构架横梁的受力。采用轮装制动盘,轮盘制动夹钳位于构架侧梁的端部,相对于轮盘制动夹钳位于构架中部,这种布置形式避免了轮盘制动夹钳与轴箱定位拉杆的干涉问题,保证轴箱定位拉杆可以在轴箱中心水平放置,实现转向架的紧凑设计。速度等级为200 km/h的轴箱内置式转向架主要设计技术参数见表 6。

图10 速度等级为200 km/h的轴箱内置式动车转向架

表6 速度等级为200 km/h的轴箱内置式转向架主要技术参数

3 内置式转向架的发展前景展望

新一代高速列车将明显提升结构可靠性、系统安全性、维修经济性等指标,这就要求设计人员通过结构设计创新,有效降低轮轨作用力,提高载客量的同时改善列车的综合性能指标。内置式转向架在降低基础设施投入、降低线路维护费用、降低车轮质量、降低轮轨作用力等方面具有明显的优势,而且几乎可以涵盖所有应用领域。结合目前永磁电机、碳纤维等技术的发展,新型的、更高速的内置式转向架技术将会得到蓬勃发展。

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