b型地鐵車輛zma12型轉向架的研制

1zma212型轉向架zma120地鐵車輛轉向是南昌瑞石南車有限公司在引進120kmh速度的廣州地鐵3號線車輛sp5020車輛后，通過消化和吸收西門子公司的設計技術、制造技術、檢驗技術和先進標準，實現自我設計和制造的轉變。該型轉向架的設計圖紙(轉化版)、制造工藝及工裝、遵循的標準均與SF2500型轉向架相同,適用于國內最大軸重為14t,最高運營速度為120km/h,最高運行速度為130km/h的B型地鐵車輛。該型轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架。裝在同一節動車上的兩個動力轉向架因電機測速傳感器、輪緣潤滑裝置、電纜線號不一樣而略有區別;裝在同一節拖車上的兩個拖車轉向架除電氣裝置的線號有所區別外,其余結構完全相同。該型轉向架主要由構架、驅動單元(動力轉向架)、輪對、軸箱、中心牽引裝置、一系懸掛、二系懸掛、垂向減振器安裝、轉向架空氣管路、基礎制動裝置、抗側滾扭力桿裝置、轉向架電器裝置、ATC天線等部件構成。動車轉向架和拖車轉向架的構架、車輪、軸箱(不含端蓋)、一系懸掛、二系懸掛、中心牽引裝置、抗側滾扭桿裝置等部件均能互換。ZMA120型動車轉向架如圖1、圖2所示。其主要性能特點如下:1)能保障車輛有優異的舒適性能(W≤2.5);2)轉向架質量輕,動車轉向架質量不大于7900kg,拖車轉向架質量不大于5900kg;3)無搖動臺、無搖枕、無心盤,車體自重及載重全部由空氣彈簧承載,并設有能根據負載情況對地板高度自動調整的裝置;4)動車轉向架牽引電機為架承式彈性懸掛,每個轉向架斜對稱地布置兩臺牽引電機;5)輪對符合EN13260的規定;6)采用直輻板整體車輪,輻板兩側裝有制動盤,車輪符合EN13262的規定;7)車軸符合EN13261的規定;8)輪對采用轉臂定位,一系彈簧采用螺旋彈簧與橡膠墊組合,布置在軸承的側面以便有更多的空間增大彈簧的靜撓度,保證了轉向架在高速下有較高的抗蛇行穩定性和乘客的舒適性,減小輪軌之間的磨耗和噪聲污染;9)抗側滾扭力桿布置在車體底架的下方,提高了車輛的抗側滾性能,簡化了轉向架的結構,減輕了轉向架的簧間質量;10)轉向架構架采用低合金高強度結構鋼板組焊成H形,采用不需進行整體退火的焊接工藝;11)牽引裝置采用結構非常簡單的無磨耗單拉桿牽引方式。2結構性能試驗軸式B軌距/mm1435軸距/mm2300轉向架中心距/mm12600軸重/t14車輪滾動圓直徑/mm840(新輪);770(全磨耗)輪對內側距/mm1354通過最小曲線半徑/m150(5km/h時)牽引點高度/mm663齒輪中心距/mm370齒輪傳動比4.964車輪踏面DIN5573磨耗型踏面輪盤制動的制動倍率8.58初速為120km/h時在平直道上的緊急制動距離/m≤427±21(包括響應時間)自重下空氣彈簧上平面距軌面高/mm894軸頸中心橫向跨距/mm2100軸頸直徑/mm130空氣彈簧中心橫向跨距/mm1900轉向架主要運動間隙(車體落車后)/mm一系垂向止擋間隙37±3二系彈簧充氣、放氣狀態的高度差25二系橫向止擋間隙40(其中彈性間隙25mm)軸承型號進口圓錐滾子軸承TBU130限界符合GB146.1-83《標準軌距鐵路機車車輛限界》車限-1B、CJJ96-2003《地下鐵道限界標準》、“廣州地鐵三號線工程車輛限界”的要求。強度符合UIC515-4《客運車輛—拖車轉向架—走行部—轉向架構架強度試驗》和UIC615-4《動力車—轉向架和走行部—轉向架構架強度試驗》的要求。動力學性能指標符合GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》,主要動力學性能指標為:橫向及垂向平穩性指標Wz≤2.5脫軌系數輪重減載率傾覆系數D≤0.8軸重為14t時輪軸橫向力H/kN≤66.033主要設備3.1轉向架結構工藝和焊接工藝構架是由低合金高強度鋼板通過焊接而成的H形中空梁結構,鋼板經表面處理后具有極強的耐腐蝕性,設計壽命為35年。構架由兩根側梁和中間橫梁組成,兩根側梁由中間橫梁連接,構成無搖枕的H形結構。構架的側梁為中間低兩端高的魚腹形,以便安裝空氣彈簧,中間橫梁上有制動單元的安裝座、電機懸掛座和齒輪箱吊掛座。動車轉向架和拖車轉向架采用相同的構架。該構架帶有動車轉向架和拖車轉向架上需要的安裝座,以保證可以完全互換。在進行SF2500型轉向架構架國產化材料代用時,選用了化學成分、機械性能、耐低溫沖擊性能、焊接性能等均與歐洲標準相近的國產材料,并進行了板材的疲勞強度試驗、耐低溫沖擊試驗、各種焊接接頭的焊接工藝試驗和疲勞強度試驗驗證。構架的焊接按照DIN6700焊接體系的要求進行,并進行了焊接工藝評定。構架的焊接工藝和焊接工裝與西門子公司格拉茲工廠的SF2500型轉向架完全一致,并由西門子公司提供了技術援助。在參照西門子公司的構架強度計算報告的基礎上,對該構架按照UIC615-4標準和廣州地鐵3號線地鐵車輛技術規格書的要求重新進行了14種工況圖3為ZMA120型轉向架構架的有限元計算模型,圖4為該型號動車轉向架構架在工況14(模擬超常載荷組合工況)下的Top面應力云圖,圖5為動車轉向架構架在工況1~工況13(模擬主要運營載荷工況)下的Top面節點疲勞強度評定Goodman圖。3.2車軸材料特性輪對是由車軸與車輪壓裝而成,分為動車輪對和拖車輪對。車軸按EN13104等歐洲標準進行設計,原材料為EA1N。動車和拖車車軸結構基本相似,不同之處是動車的車軸有驅動齒輪和齒輪箱的吊掛座。車輪為整體輾鋼輪,采用DIN5573磨耗型踏面,原材料為ER8。按EN13104標準對車軸進行了強度計算,根據實際運營的工況對車輪進行了強度計算,計算結果表明,車軸和車輪的強度均滿足標準的要求。3.3載荷試驗對比軸箱包括軸箱體、軸承、密封端蓋、軸圈。軸箱軸承為整體式圓錐滾子軸承,檢查周期不小于125萬km或6年(以早到的為準),按ISO標準L10壽命不小于250萬km。軸箱體采用C級鑄鋼,對其進行了靜強度試驗和小樣疲勞試驗,并進行了靜強度計算和疲勞強度計算,結果均滿足要求。圖6為軸箱體在超常載荷工況下的應力圖。在本公司試驗站對ZMA120型轉向架和SF2500型轉向架分別進行了空載運行試驗、超載運行試驗以及軸箱軸承溫升對比試驗,兩種型號轉向架的試驗結果基本一致。按EN12082《鐵路應用—軸箱—性能試驗》進行試驗,在AW0和AW3狀態下分別以60km/h和90km/h連續運行2h后測量軸箱體的溫升,以及以120km/h的速度正轉2h后馬上反轉1h測量軸箱體的溫升試驗,軸箱體的最大溫升為25.1℃。圖7為軸箱體上測點在AW3狀態下以120km/h的速度運轉時的溫升曲線(正轉2h后立即進行反轉1h)。3.4系垂向減振器輪對采用轉臂定位,適合該型轉向架高速運行的特點。一系懸掛主要由一系彈簧、垂向止擋、一系垂向減振器等組成,用于緩沖輪對的垂向運動。一系彈簧是鋼圓螺旋彈簧組,通過軸箱和輪對將垂向載荷傳遞到軌道上。當垂向載荷超過正常范圍時,轉向架構架和軸箱體將通過垂向止擋接觸,以防止損壞軸箱體和轉向架構架的表面。一系垂向減振器中集成有整體起吊止擋,當整個轉向架從鋼軌上吊起時,一系垂向減振器可以承受輪對部分的重量,并使之不與構架脫離。動車、拖車轉向架一系彈簧的剛度相同。3.5空氣彈簧的工作機理二系懸掛主要由空氣彈簧、二系垂向減振器等組成,如圖8所示。空氣彈簧主要由面板、氣囊、緊急彈簧等部件組成,用于支撐車體,并傳遞垂向載荷以及較小的橫向載荷。空氣彈簧在正常充氣狀態下,其氣囊和緊急彈簧串聯工作。如果空氣彈簧氣囊內的氣壓不正常,空氣彈簧的面板會降落到緊急彈簧上,此時系統功能由緊急彈簧實現。二系垂向減振器用于減小轉向架的垂向沖擊,衰減垂向振動,提高運行質量。為了調整車輪磨損所產生的車輛地板高度變化,可以在緊急彈簧和轉向架構架之間加入墊片。當空氣彈簧失效時,緊急彈簧可使車輛地板面高度的下降量限制在25mm以內。空氣彈簧的高度控制閥采用“二點調平”方式布置,即前、后轉向架各有一個高度調整閥。3.6橫向止擋橫向懸掛裝置(見圖9)主要由橫向止擋、二系橫向減振器等組成。橫向止擋能夠限制車體上配裝的牽引座和構架之間的相對運動,還用作彈性阻尼元件,以減小橫向沖擊。二系橫向減振器用于減小轉向架的橫向沖擊,衰減橫向振動,提高運行質量。3.7轉向架傳遞裝置中心牽引裝置采用無磨損且免維護的單拉桿牽引型式,將轉向架連接到車體上,以傳遞制動力和牽引力。牽引桿兩端裝有橡膠襯套,以緩沖車體和轉向架構架之間的任意相對運動,減少振動的傳遞。3.8牽引電機橫向布置每個動車車軸上裝有一個驅動單元,包括電機、聯軸節、齒輪箱和齒輪箱吊桿。牽引電機橫向布置并以彈性懸掛的方式直接安裝在構架上,安全卡槽在連接螺栓失效的時候起作用。齒輪箱上設有安全托,防止懸掛螺栓發生故障后齒輪箱掉落。牽引電機和減速齒輪箱之間的力的傳遞由柔性齒形聯軸節實現。3.9閘瓦間隙自動調整器基礎制動采用輪盤制動,單元制動裝置內設有閘瓦間隙自動調整器,以保證閘瓦與踏面間隙始終保持在規定的范圍內。每軸帶有1個空氣緩解、彈簧施壓的停放制動裝置。3.10抗側滾裝置的安裝柔性二系懸掛裝置允許車體由于通過曲線線路時的離心力和側向風造成的傾斜運動。為了將這種運動嚴格限制在車輛限界的允許范圍內,在車體底架下方安裝了抗側滾裝置(見圖10)。當車體發生側滾時,扭力桿在自身扭轉剛度的作用下,對車體的側滾運動進行阻尼,并最終使車體回復正常位置。抗側滾扭桿不會影響二系懸掛裝置的垂向和橫向的彈性特性。3.11轉向架密封裝置轉向架空氣管路的鋼管、管接頭均采用不銹鋼材料和卡套式接頭,抗振能力強,在環境惡劣的情況下能夠保證良好的密封性能。轉向架設有電氣裝置,主要有連接接地裝置和制動系統的測速傳感器的電纜等,這些電纜使用絕緣套管包裹后通過電纜管夾裝配在轉向架構架上,此外還有保護性接地的接地電線。測速儀安裝在車軸的軸端,整體起吊裝置安裝在牽引座的下方。4動態性能的計算委托西南交通大學進行了動、拖車轉向架的動力學性能計算,其結論如下。4.1踏面磨耗至等效錐度為0.3時1)在新輪軌情況下,非線性臨界速度均較高,空車、定員及超載情況下均能滿足運行要求;2)當踏面磨耗至等效錐度為0.3時,空車、定員及超載情況下也均能滿足運行要求;3)當踏面等效錐度達到0.35時,空車、定員及超載情況下也均能滿足運行要求。4.2橫向和垂向平穩性1)在美國V級和IV級線路上運行時,在120km/h速度范圍內,空車、定員及超載工況下的最大橫向加速度和最大垂向加速度均小于2.5m/s2)在美國V級線路上運行時,在120km/h速度內,各工況下的橫向和垂向平穩性指標均小于2.5,達到GB5599-85的優級標準;3)在美國IV級線路上運行時,在120km/h速度內,除了在空車工況下的有少數平穩性指標大于2.5、小于2.75(空車狀態下在120km/h時,垂向平穩性指標動車最大達2.64、拖車最大達2.51),達到GB5599-85的良級標準外,其它工況下的橫向和垂向平穩性指標均小于2.5,達到GB5599-85的優級標準。4.3車輛運行安全性分析動、拖兩種地鐵車輛在各種工況下以表1中設置的各種線路數據通過曲線時,輪軌橫向力Q、輪軸橫向力H、脫軌系數Q/P、輪重減載率△P/P和傾覆系數D等各項動力學指標都在GB5599-85規定的范圍之內,滿足車輛的運行安全性要求。5測試ZMA120型轉向架按照廣州地鐵3號線車輛技術規格書的要求進行了各項出廠例行試驗和型式試驗,各項性能指標均滿足要求。6其他性能試驗ZMA120型轉向架采用了具有較大靜撓度的一系鋼螺旋彈簧、全空氣彈簧承載、無磨耗的中心單牽引拉桿、輪盤制動、牽引電機彈性架懸、不需要整體退火的構架焊接工藝等技術,適合在國內的地鐵及輕軌線路上運營。在其研制過程中,嚴格按照國際標準,對構架進行了板材的疲勞強度試驗、耐低溫沖擊試驗、各種焊接接頭的焊接工藝試驗和疲勞強度試驗,并對整個構架進行了DIN6700的焊接工藝評定;對軸箱進行小樣疲勞強度試