b型地铁车辆zma12型转向架的研制

b型地铁车辆zma12型转向架的研制

1zma212型转向架zma120地铁车辆转向是南昌瑞石南车有限公司在引进120kmh速度的广州地铁3号线车辆sp5020车辆后，通过消化和吸收西门子公司的设计技术、制造技术、检验技术和先进标准，实现自我设计和制造的转变。该型转向架的设计图纸(转化版)、制造工艺及工装、遵循的标准均与SF2500型转向架相同,适用于国内最大轴重为14t,最高运营速度为120km/h,最高运行速度为130km/h的B型地铁车辆。该型转向架分为动车转向架和拖车转向架。装在同一节动车上的两个动力转向架因电机测速传感器、轮缘润滑装置、电缆线号不一样而略有区别;装在同一节拖车上的两个拖车转向架除电气装置的线号有所区别外,其余结构完全相同。该型转向架主要由构架、驱动单元(动力转向架)、轮对、轴箱、中心牵引装置、一系悬挂、二系悬挂、垂向减振器安装、转向架空气管路、基础制动装置、抗侧滚扭力杆装置、转向架电器装置、ATC天线等部件构成。动车转向架和拖车转向架的构架、车轮、轴箱(不含端盖)、一系悬挂、二系悬挂、中心牵引装置、抗侧滚扭杆装置等部件均能互换。ZMA120型动车转向架如图1、图2所示。其主要性能特点如下:1)能保障车辆有优异的舒适性能(W≤2.5);2)转向架质量轻,动车转向架质量不大于7900kg,拖车转向架质量不大于5900kg;3)无摇动台、无摇枕、无心盘,车体自重及载重全部由空气弹簧承载,并设有能根据负载情况对地板高度自动调整的装置;4)动车转向架牵引电机为架承式弹性悬挂,每个转向架斜对称地布置两台牵引电机;5)轮对符合EN13260的规定;6)采用直辐板整体车轮,辐板两侧装有制动盘,车轮符合EN13262的规定;7)车轴符合EN13261的规定;8)轮对采用转臂定位,一系弹簧采用螺旋弹簧与橡胶垫组合,布置在轴承的侧面以便有更多的空间增大弹簧的静挠度,保证了转向架在高速下有较高的抗蛇行稳定性和乘客的舒适性,减小轮轨之间的磨耗和噪声污染;9)抗侧滚扭力杆布置在车体底架的下方,提高了车辆的抗侧滚性能,简化了转向架的结构,减轻了转向架的簧间质量;10)转向架构架采用低合金高强度结构钢板组焊成H形,采用不需进行整体退火的焊接工艺;11)牵引装置采用结构非常简单的无磨耗单拉杆牵引方式。2结构性能试验轴式B轨距/mm1435轴距/mm2300转向架中心距/mm12600轴重/t14车轮滚动圆直径/mm840(新轮);770(全磨耗)轮对内侧距/mm1354通过最小曲线半径/m150(5km/h时)牵引点高度/mm663齿轮中心距/mm370齿轮传动比4.964车轮踏面DIN5573磨耗型踏面轮盘制动的制动倍率8.58初速为120km/h时在平直道上的紧急制动距离/m≤427±21(包括响应时间)自重下空气弹簧上平面距轨面高/mm894轴颈中心横向跨距/mm2100轴颈直径/mm130空气弹簧中心横向跨距/mm1900转向架主要运动间隙(车体落车后)/mm一系垂向止挡间隙37±3二系弹簧充气、放气状态的高度差25二系横向止挡间隙40(其中弹性间隙25mm)轴承型号进口圆锥滚子轴承TBU130限界符合GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》车限-1B、CJJ96-2003《地下铁道限界标准》、“广州地铁三号线工程车辆限界”的要求。强度符合UIC515-4《客运车辆—拖车转向架—走行部—转向架构架强度试验》和UIC615-4《动力车—转向架和走行部—转向架构架强度试验》的要求。动力学性能指标符合GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》,主要动力学性能指标为:横向及垂向平稳性指标Wz≤2.5脱轨系数轮重减载率倾覆系数D≤0.8轴重为14t时轮轴横向力H/kN≤66.033主要设备3.1转向架结构工艺和焊接工艺构架是由低合金高强度钢板通过焊接而成的H形中空梁结构,钢板经表面处理后具有极强的耐腐蚀性,设计寿命为35年。构架由两根侧梁和中间横梁组成,两根侧梁由中间横梁连接,构成无摇枕的H形结构。构架的侧梁为中间低两端高的鱼腹形,以便安装空气弹簧,中间横梁上有制动单元的安装座、电机悬挂座和齿轮箱吊挂座。动车转向架和拖车转向架采用相同的构架。该构架带有动车转向架和拖车转向架上需要的安装座,以保证可以完全互换。在进行SF2500型转向架构架国产化材料代用时,选用了化学成分、机械性能、耐低温冲击性能、焊接性能等均与欧洲标准相近的国产材料,并进行了板材的疲劳强度试验、耐低温冲击试验、各种焊接接头的焊接工艺试验和疲劳强度试验验证。构架的焊接按照DIN6700焊接体系的要求进行,并进行了焊接工艺评定。构架的焊接工艺和焊接工装与西门子公司格拉兹工厂的SF2500型转向架完全一致,并由西门子公司提供了技术援助。在参照西门子公司的构架强度计算报告的基础上,对该构架按照UIC615-4标准和广州地铁3号线地铁车辆技术规格书的要求重新进行了14种工况图3为ZMA120型转向架构架的有限元计算模型,图4为该型号动车转向架构架在工况14(模拟超常载荷组合工况)下的Top面应力云图,图5为动车转向架构架在工况1~工况13(模拟主要运营载荷工况)下的Top面节点疲劳强度评定Goodman图。3.2车轴材料特性轮对是由车轴与车轮压装而成,分为动车轮对和拖车轮对。车轴按EN13104等欧洲标准进行设计,原材料为EA1N。动车和拖车车轴结构基本相似,不同之处是动车的车轴有驱动齿轮和齿轮箱的吊挂座。车轮为整体辗钢轮,采用DIN5573磨耗型踏面,原材料为ER8。按EN13104标准对车轴进行了强度计算,根据实际运营的工况对车轮进行了强度计算,计算结果表明,车轴和车轮的强度均满足标准的要求。3.3载荷试验对比轴箱包括轴箱体、轴承、密封端盖、轴圈。轴箱轴承为整体式圆锥滚子轴承,检查周期不小于125万km或6年(以早到的为准),按ISO标准L10寿命不小于250万km。轴箱体采用C级铸钢,对其进行了静强度试验和小样疲劳试验,并进行了静强度计算和疲劳强度计算,结果均满足要求。图6为轴箱体在超常载荷工况下的应力图。在本公司试验站对ZMA120型转向架和SF2500型转向架分别进行了空载运行试验、超载运行试验以及轴箱轴承温升对比试验,两种型号转向架的试验结果基本一致。按EN12082《铁路应用—轴箱—性能试验》进行试验,在AW0和AW3状态下分别以60km/h和90km/h连续运行2h后测量轴箱体的温升,以及以120km/h的速度正转2h后马上反转1h测量轴箱体的温升试验,轴箱体的最大温升为25.1℃。图7为轴箱体上测点在AW3状态下以120km/h的速度运转时的温升曲线(正转2h后立即进行反转1h)。3.4系垂向减振器轮对采用转臂定位,适合该型转向架高速运行的特点。一系悬挂主要由一系弹簧、垂向止挡、一系垂向减振器等组成,用于缓冲轮对的垂向运动。一系弹簧是钢圆螺旋弹簧组,通过轴箱和轮对将垂向载荷传递到轨道上。当垂向载荷超过正常范围时,转向架构架和轴箱体将通过垂向止挡接触,以防止损坏轴箱体和转向架构架的表面。一系垂向减振器中集成有整体起吊止挡,当整个转向架从钢轨上吊起时,一系垂向减振器可以承受轮对部分的重量,并使之不与构架脱离。动车、拖车转向架一系弹簧的刚度相同。3.5空气弹簧的工作机理二系悬挂主要由空气弹簧、二系垂向减振器等组成,如图8所示。空气弹簧主要由面板、气囊、紧急弹簧等部件组成,用于支撑车体,并传递垂向载荷以及较小的横向载荷。空气弹簧在正常充气状态下,其气囊和紧急弹簧串联工作。如果空气弹簧气囊内的气压不正常,空气弹簧的面板会降落到紧急弹簧上,此时系统功能由紧急弹簧实现。二系垂向减振器用于减小转向架的垂向冲击,衰减垂向振动,提高运行质量。为了调整车轮磨损所产生的车辆地板高度变化,可以在紧急弹簧和转向架构架之间加入垫片。当空气弹簧失效时,紧急弹簧可使车辆地板面高度的下降量限制在25mm以内。空气弹簧的高度控制阀采用“二点调平”方式布置,即前、后转向架各有一个高度调整阀。3.6横向止挡横向悬挂装置(见图9)主要由横向止挡、二系横向减振器等组成。横向止挡能够限制车体上配装的牵引座和构架之间的相对运动,还用作弹性阻尼元件,以减小横向冲击。二系横向减振器用于减小转向架的横向冲击,衰减横向振动,提高运行质量。3.7转向架传递装置中心牵引装置采用无磨损且免维护的单拉杆牵引型式,将转向架连接到车体上,以传递制动力和牵引力。牵引杆两端装有橡胶衬套,以缓冲车体和转向架构架之间的任意相对运动,减少振动的传递。3.8牵引电机横向布置每个动车车轴上装有一个驱动单元,包括电机、联轴节、齿轮箱和齿轮箱吊杆。牵引电机横向布置并以弹性悬挂的方式直接安装在构架上,安全卡槽在连接螺栓失效的时候起作用。齿轮箱上设有安全托,防止悬挂螺栓发生故障后齿轮箱掉落。牵引电机和减速齿轮箱之间的力的传递由柔性齿形联轴节实现。3.9闸瓦间隙自动调整器基础制动采用轮盘制动,单元制动装置内设有闸瓦间隙自动调整器,以保证闸瓦与踏面间隙始终保持在规定的范围内。每轴带有1个空气缓解、弹簧施压的停放制动装置。3.10抗侧滚装置的安装柔性二系悬挂装置允许车体由于通过曲线线路时的离心力和侧向风造成的倾斜运动。为了将这种运动严格限制在车辆限界的允许范围内,在车体底架下方安装了抗侧滚装置(见图10)。当车体发生侧滚时,扭力杆在自身扭转刚度的作用下,对车体的侧滚运动进行阻尼,并最终使车体回复正常位置。抗侧滚扭杆不会影响二系悬挂装置的垂向和横向的弹性特性。3.11转向架密封装置转向架空气管路的钢管、管接头均采用不锈钢材料和卡套式接头,抗振能力强,在环境恶劣的情况下能够保证良好的密封性能。转向架设有电气装置,主要有连接接地装置和制动系统的测速传感器的电缆等,这些电缆使用绝缘套管包裹后通过电缆管夹装配在转向架构架上,此外还有保护性接地的接地电线。测速仪安装在车轴的轴端,整体起吊装置安装在牵引座的下方。4动态性能的计算委托西南交通大学进行了动、拖车转向架的动力学性能计算,其结论如下。4.1踏面磨耗至等效锥度为0.3时1)在新轮轨情况下,非线性临界速度均较高,空车、定员及超载情况下均能满足运行要求;2)当踏面磨耗至等效锥度为0.3时,空车、定员及超载情况下也均能满足运行要求;3)当踏面等效锥度达到0.35时,空车、定员及超载情况下也均能满足运行要求。4.2横向和垂向平稳性1)在美国V级和IV级线路上运行时,在120km/h速度范围内,空车、定员及超载工况下的最大横向加速度和最大垂向加速度均小于2.5m/s2)在美国V级线路上运行时,在120km/h速度内,各工况下的横向和垂向平稳性指标均小于2.5,达到GB5599-85的优级标准;3)在美国IV级线路上运行时,在120km/h速度内,除了在空车工况下的有少数平稳性指标大于2.5、小于2.75(空车状态下在120km/h时,垂向平稳性指标动车最大达2.64、拖车最大达2.51),达到GB5599-85的良级标准外,其它工况下的横向和垂向平稳性指标均小于2.5,达到GB5599-85的优级标准。4.3车辆运行安全性分析动、拖两种地铁车辆在各种工况下以表1中设置的各种线路数据通过曲线时,轮轨横向力Q、轮轴横向力H、脱轨系数Q/P、轮重减载率△P/P和倾覆系数D等各项动力学指标都在GB5599-85规定的范围之内,满足车辆的运行安全性要求。5测试ZMA120型转向架按照广州地铁3号线车辆技术规格书的要求进行了各项出厂例行试验和型式试验,各项性能指标均满足要求。6其他性能试验ZMA120型转向架采用了具有较大静挠度的一系钢螺旋弹簧、全空气弹簧承载、无磨耗的中心单牵引拉杆、轮盘制动、牵引电机弹性架悬、不需要整体退火的构架焊接工艺等技术,适合在国内的地铁及轻轨线路上运营。在其研制过程中,严格按照国际标准,对构架进行了板材的疲劳强度试验、耐低温冲击试验、各种焊接接头的焊接工艺试验和疲劳强度试验,并对整个构架进行了DIN6700的焊接工艺评定;对轴箱进行小样疲劳强度试