摘  要:本文介绍了地铁车辆转向架牵引装置的主要结构、设计要求、对车辆的性能影响以及强度计算方法。

关键词:牵引装置 轴重转移 强度计算 有限元分析

 

      牵引装置是连接转向架与车体的关键部件，它能适应转向架相对车体的转动，同时将轮轨间相互作用产生的牵引力或制动装置产生的制动力传递到车体，使列车实现牵引和制动。转向架牵引装置的设计是否合理直接关系到牵引力和制动力的传递品质，必须同时满足运动学、动力学、安全性等方面的苛刻要求。

      通常牵引装置的设计目标有如下几点: a) 要能可靠地传递牵引力和制动力; b) 在牵引力、制动力作用下只能有尽可能小的转向架相对于车体的纵向位移; c) 尽可能降低牵引点高度; d) 结构尽可能简单; e) 满足限界要求; f) 具有足够的刚度和强度。

 

      牵引装置的结构形式和布置方式是影响车辆黏着重量利用率的主要因素。车辆的轴重转移是牵引力( 或制动力) 引起的，在起动及爬坡时，发挥的轮周牵引力大，轴重转移也较严重。

      下面采用简化模型( 车体与转向架作为同一刚体) 对车辆的牵引点高度与车辆的轴重转移与黏着重量利用率的关系作定性分析，建立如图 1 所示 B0－ B0 轴式车辆模型，其中车辆的中心距为 2 L，转向架固定轴距为2l，车钩高度为H，牵引点高度为h，车辆各轮周牵引力为 F，轮轨正压力为 N_i( i = 1、2、3、4) 。

      当车辆处于运行工况时，以车辆为隔离体，分别对 A、B、C、D 取力矩，由力矩平稳方程可以导出: 车辆运行时，前端转向架减载，后端转向架增载; 同一转向架前端轮对减载，后端轮对增载。车辆最大轴重转移量为:

ΔG = ( H × l + ( L － l) × h) × F / L × l

      分析可知，要使车辆轴重转移最小，需 L = l 或者 h 值最小，其中 L = l 这种情况对于多轴转向架的车辆是不可能出现的。当转向架中心距 H 大于转向架轴距 l 时，要取得较小的轴重转移量和高的黏着质量利用率，则需适当降低牵引点高度 h。需要指出的是，上述模型只适用于定性分析牵引点高度与轴重转移的影响。

 

      通常需要根据车辆的总体结构要求、车辆牵引力的大小、布置牵引装置的结构空间、底部限界( CJJ96 标准要求磨耗轮时不小于 60 mm) 要求等条件选择牵引装置的结构形式，下面介绍了几种常用的地铁转向架牵引装置。

      图 2 和图 3 所示的是一种典型的“Z”字型牵引拉杆中心销式牵引装置，它安装在转向架中部，采用斜对称布置有低位“Z”字双拉杆结构。牵引装置主要由中心销组装、连杆组装、牵引座、横向减振器与一些辅助零部件组成。中心销组装顶部用螺栓固定在车体底架上，其销的下端通过复合弹簧与牵引座相连，牵引座两侧通过连杆销与连杆组装相连。而连杆组装也通过连杆销与转向架构架相连。牵引座的一侧还装有一个横向减振器( 也有双侧布置减振器的型式，这取决于安装空间和横向动力学性能的需要) ，减振器另一端与构架相连。这种牵引装置的主要优点是: 对中性好; 转向架回转灵活，不会造成附加的横向力; 牵引点可设置得很低，有利于提高粘着利用率; 可同时具有起吊限位功能和空气弹簧防过充功能。其主要缺点是需求的结构空间大、自身重量大，在短轴距转向架上较难以布置。目前西门子公司 SF2100 型、株机公司 ZMA080 型、ZMC08型等转向架采用了这种结构，应用于上海 1、2、4 号线; 深圳 1、5 号线; 武汉 1、2、4 号线; 广州 1、2、8 线等多个地铁项目。

      图 4 和图 5 所示的是一种低位单拉杆牵引装置，它主要由牵引杆组装、牵引座等组成。牵引杆组装一端安装在构架横梁上的牵引杆安装座上，另一端安装在牵引座上，牵引座则安装在车体上。牵引杆组装由一根牵引杆和两个牵引橡胶关节构成。牵引杆的作用相当于一个推拉杆，它借助于牵引橡胶关节将车体和转向架构架连接起来。由于牵引橡胶关节是橡胶件，牵引杆能够缓冲车体和转向架构架之间的相对运动。其主要优点是: 结构简单、占用空间小。缺点是牵引杆长度受结构空间限制，一般长度较短从而导致容易增大轮轨横向力; 同时由于很难降低牵引杆在构架横梁上的安装点高度，导致牵引点高度一般较高，因而难以提高粘着利用率。目前西门子公司 SF2500 型、株机公司 ZMA100 型和ZMA120 型转向架采用了这种结构，主要运用于上海 11 号线、广州 3 号线等地铁项目。

      中心销安装在车体底架下方，通过中心销板内的橡胶复合弹簧与中心销板连接，中心销板通过四块预压缩的橡胶与构架连接，牵引装置由于在中心销板内有橡胶复合弹簧，可以缓解车体和转向架之间在车辆运行时的冲击，减少噪声的传递。中心销板还具有整体起吊功能，其主要优点: 结构简单、重量轻、占用空间小、便于装卸，具有良好的维护性; 但是由于牵引点较高，轴重转移较大，导致车辆黏着重量利用率较低。在早期上海明珠 1 期 3 号线地铁采用。

      牵引装置的关键承力部件需要进行强度计算。在强度计算之前，需确定牵引装置的关键承力部件。一般来说牵引装置的关键承力元件如下: 1) 牵引杆或连杆; 2) 牵引座; 3) 中心销和中心销座; 4) 牵引杆或连杆中的芯轴; 5) 橡胶关节或球关节。

      牵引装置作为转向架与车体连接的关键部件，通常根据 UIC 615 －1 标准 4． 2 节“转向架与车体的连接部件”中的规定“连接部件承受纵向 30 m/s²冲击时不产生永久变形; 承受 50 m/s²冲击时不发生破坏，但允许产生永久变形”来确定载荷工况。分析车辆的运行特征，主要考虑以下六种工况: 工况1: 纵向启动时，牵引机构承担牵引拉力; 工况 2: 纵向启动时，牵引机构承担牵引压力; 工况 3: 牵引机构承担 30 m/s²纵向冲击拉力; 工况 4: 牵引机构承担 30 m/s²纵向冲击压力; 工况 5: 牵引机构承担 50m / s2纵向冲击拉力; 工况 6: 牵引机构承担 50 m/s²纵向冲击压力。

      根据 UIC 615 －1 标准 4． 2 节的规定来确定强度评定依据: 在工况 1 和工况 2 的作用下，最大应力不得超过材料的疲劳极限; 在工况 3 和工况 4 的作用下，最大应力不得超过材料的屈服极限; 工况 5 和工况 6 的作用下，最大应力不得超过材料的强度极限。

 

      相对于传统的计算方法，有限元法由于其能快速、准确可靠、灵活地分析出零部件各部位的受力状况，因而在国内外零部件强度设计中得到广泛应用。通过建立牵引装置关键承力部件的三维模型，可以直接对其进行有限元仿真分析。

      南车株机公司设计的 ZMB080 型地铁转向架采用了“Z”字型牵引拉杆中心销式牵引装置，具体结构见图 2，通过对结构的分析，确定牵引座、连杆体、中心销、中心销座等 4 个部件为牵引装置中的关键承力部件并采用 ANSYS 软件进行有限元分析计算，其计算模型见图 7 － 图 9，在最恶劣工况下各关键部件应力云图分布如图 10 －12( 所示其余工况的应力分布图由于分布规律基本一致，故不再示出) 。计算参数表见表 1; 各种工况下，牵引装置各关键部件最大 Von － Mises 应力见表 2 －3。

      中心销和中心销座为完全对称结构，在压缩和拉伸时产生的应力分布是完全相同的，因此只需计算工况1、工况3、工况5。对比表1 的相关参数与表2、表 3 的有限元计算结果，可以看出在各种不同工况下，牵引装置各关键零部件均能满足强度要求。

      总之，提高动力学性能、使车辆具有高粘着重量利用率( 轴重转移) 是地铁车辆牵引装置设计的目标;随着城轨车辆转向架的结构型式多样化，也出现了越来越多种类的牵引装置。当然地铁转向架牵引装置的设计需根据车辆的整体结构、限界、动力学性能等车辆整体要求，尽量采用牵用成熟的、模块化设计。

 

［1］鲍维千 ． 内燃机车总体与走行部［M］． 中国铁道出版社

［2］朱向阳 ． A 型地铁车辆 ZAM080 型转向架牵引装置．电力机车与城轨车辆技术，2010( 3) : 8-10

［3］UIC 615 － 1 － 2003，动力元件 － 转向架和走行部 － 部件的通用技术条件［S］