行业要闻

 

摘  要：文章主要介绍了 ZMC080 型转向架统型轮对的设计方案及计算、校核过程。校核结果表明，该统型轮对完全满足B 型地铁车辆的使用要求。

关键词： ZMC080 型转向架； 统型轮对； 设计方案； 计算； 校核； B 型地铁车辆

 

      随着城市的快速发展， 日益繁忙的交通问题逐渐显现，越来越多的城市需要方便、快捷的地铁车辆来改善其交通状况，80 km/h速度级、轴重 14 t 的 B 型地铁车辆成为很多城市的首选。作为地铁车辆走行部件的转向架， 由于涉及到车辆运行安全而备受人们的关注和重视。

      为适应B 型地铁车辆的需要， 南车株洲电力机车有限公司采用模块化、简统化理念全新研制了ZMC080 型转向架。 作为转向架上的关键部件，轮对如能采用统型设计，将避免不必要的重复开发，最大限度地降低风险。

 

      由于武汉地铁2 号线、郑州地铁 1 号线、宁波地铁1 号线等多个项目车辆技术合同对轮对的要求基本相同，仅对选用的车轮踏面有所区别（武汉地铁 2 号线车轮采用LM 踏面，郑州地铁 1 号线、宁波地铁 1 号线的车轮则采用S1002 踏面），而这几个项目驱动装置的结构型式、尺寸也基本相同，故为 B 型地铁轮对的统型设计提供了契机。

      以通用性为目标的统型轮对方案如图1 所示（图 1以动车轮对示意图为例。拖车轮对除车轴上无齿轮座外，其余结构与动车轮对相同）。

      车轴按EN 13104 《铁路应用—轮对和转向架—动轴—设计方法 》、EN 13103 《铁路应用—轮对和转向架—非动力轴—设计方法》和 EN 13261《铁路应用—轮对和转向架—车轴—产品要求》进行设计和制造，拟选用EA1N 材质。

      车轮按EN 13979-1 《铁路应用—轮对和转向架—整体车轮—技术验收程序—第 1 部分： 锻制和轧制车轮》、EN 13262 《铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要求》进行设计和制造，拟选用 ER9 材质并采用双 S形辐板设计。

      轮对装配时按EN 13260 《铁路应用—轮对和转向架—轮对—产品要求》、UIC 813《机车、动车和车辆轮对供货技术条件－公差和装配》等标准进行压装。

 

      动车车轴、拖车车轴的方案图分别如图 2、图 3 所示。 相较于拖车车轴，动车车轴更为复杂一些，除了轴颈、防尘座、轮座、轴身等结构外，还有齿轮箱安装座（包括大齿轮座、轴承座、密封环座等）。 为保证统型车轴与既有型号轴箱轴承的匹配性，轴颈、防尘座直径分别按130 mm、160 mm 设计；轮座直径、轴身直径拟分别按195 mm、170 mm 设计。

      为校核车轴方案可行性，分别按EN 13104 和 EN13103 对动车车轴和拖车车轴进行了强度校核。 动车车轴、拖车车轴各部位许用应力见表 1。

      根据EN 13104， 动车车轴的计算截面和计算结果分别如图4 及表 2 所示。

      根据EN 13103，拖车车轴的计算截面和计算结果分别如图5 及表 3 所示。

      根据表2、表 3 可知，动车车轴、拖车车轴各部位的计算应力均低于相应的许用应力要求。

      车轴在后期的车辆架修、 大修时可能需要更换车轮， 轮座部位存在拉伤风险， 必要时需要减小直径使用，因此还需要计算轮座的等级修裕量。

      从表2 中可以看出， 动车车轴轮座上的截面 3 安全系数为1.14， 为轮座上安全系数相对最低位置。 因此， 轮座等级修裕量计算应基于截面 3 进行计算。 设安全系数为1.0 时轮座部位的最小允许直径为 d_min1，按EN 13104 标准则有：

      32×MR/（π×d_min1³）=80→d_min1=[（32×51.06×10⁶）/（π ×80）]^1/3=186.64 mm

      此外，根据 EN 13104 的要求，轮座加工至最小时，轮座直径与轴身直径之比至少应为1.12^[1]。设与轴身直径之比为1.12 时的轮座直径为 d_min2，则：

      d_min2/d_轴身=1.12→d_min2=d_轴身×1.12=170×1.12=190.4 mm

      取d_min=MAX（d_min1，d_min2）=190.4 mm，即动车车轴轮座直径最小允许加工至190.4 mm，则轮座部位的等级修裕量=195-190.4=4.6 mm。

      同理可计算出拖车车轴轮座部位的等级修裕量也为4.6 mm，与动车车轴相同。

      综合以上计算结果可知，统型设计的动、拖车车轴的计算应力低于相应的许用应力， 且有一定的安全裕量，符合 EN 13104、EN 13103 的要求；动、拖车车轴轮座部位的等级修裕量超过了4 mm，正常使用条件下完全可以满足两次轮座等级修的需要。因此，新设计的车轴选材适当，结构合理，可以满足 B 型地铁车辆的使用要求。

 

      车轮设计为整体辗钢全加工车轮，其方案图如图 6所示。 参照株机公司既有项目成功经验，车轮采用双 S形辐板设计， 可以达到较小的轮轨噪声和减小制动热向轮座传递的目标^[2]。

      由于各地铁公司对车轮踏面应用经验不同，有的地铁公司要求采用LM 磨耗型踏面，有的则倾向于采用S1002 踏面。 两种踏面的叠加示意图如图 7 所示，虽然两种踏面在轮缘内侧及踏面外侧处形状略有出入，但在半径方向的差值未超过2.5 mm。 由于毛坯车轮加工至成品车轮时，轮缘踏面处在半径方向上的加工量通常超过6 mm，所以采用这两种踏面的不同车轮仍可采用同一款车轮毛坯进行加工。

      车轮是车辆载荷和轨道外力的直接承受者， 承受的负荷较大且复杂，因此车轮要有较好的强度、韧性、耐磨性及疲劳性能等。通常意义上，车轮的耐磨性与自身的硬度成正比。为了保证车轮、钢轨系统总的磨耗量处于一个比较低的水平， 需根据相关标准并结合轨道条件选择合适的车轮材料， 在车轮综合机械性能优良的前提下保证轮、轨硬度匹配合理。

      国内各城市的地铁正线及辅助线、出入场线、试车线大多采用60 kg/m，U75V 材质的普通热轧钢轨（轨头硬度280 ～320 HB）， 而 仅 在 车 场 线 采 用 50 kg/m，U71Mn 材质的普通热轧钢轨（轨头硬度 260～300 HB）。因此， 统型车轮应主要根据 60 kg/m 钢轨的硬度情况来选择材质，以保证车轮的通用性。

      对于轮轨匹配， 国内的科研人员、 技术人员已经进行了很多有益的探索和研究， 并取得了不少经验和成果，其中就包括车轮硬度与轨轮硬度标称比值表^[3]（见表4）和磨损率与轨、轮硬度比的关系图^[4]（见图8）。

      从表4 中可以看出 ，ER9 材质 、ER8 材质车轮与60 kg/m 钢轨匹配时，车轮全寿命周期内的轨轮硬度标称比值分别为0.96～1.06 和 0.99～1.10； 而从图 8 中则可以看出，轨轮硬度比值为0.96～1.06 和 0.99～1.10时，轨道磨耗、车轮磨耗及两者的总磨耗都稳定在较低水平，但比较而言，ER9材质车轮与60 kg/m 钢轨匹配时，车轮磨耗及车轮与钢轨的总磨耗水平更低一些。

      由于ER9 材质车轮具有较好的综合机械性能，且其与60 kg/m 钢轨硬度匹配非常合理， 在上海地铁等线路上有着良好的应用业绩， 所以统型车轮将首选ER9 材质。

      根据EN 13979-1 标准，车轮应按直线运行 、曲线运行、道岔通过等 3 种工况进行有限元模拟分析。采用ANSYS 10.0 软件对车轮进行建模， 模型如图 9 所示，然后按直线运行、曲线运行、道岔通过的工况依次进行模拟加载分析， 各工况下的最大 Von-Mises 应力值如表5 所示，应力图分别如图 10、图 11 和图 12 所示。 车轮各部位极限应力值（疲劳强度分析结果）见表 6。

      根据图10~图 12 和表 5 可知， 各工况下的最大应力均出现在车轮轮毂孔边缘区域，但均远小于ER9 材质的屈服强度（580 MPa）；

      从表 6 可以看出，车轮辐板上各关键部位的极限应力均小于全加工辐板车轮的许用应力。

      因此，采用该方案设计的 ER9 材质统型车轮，其静强度、疲劳强度均符合相关标准要求，可以满足 B 型车的使用要求，方案可行。

 

      轮对是车辆的关键部件，新轮对的设计需要进行大量的设计、计算和试验验证工作，无论是从减少不必要的重复工作出发，还是考虑降低风险，尽可能地进行统型设计都是十分必要的。此外，地铁车辆轮对的统型还将给车辆制造厂家的轮对物料采购、仓储管理和生产管理等带来便利，便于降低成本，提高生产效率，另外也便于各地铁公司将来进行车辆维修时采购轮对备件。

      在ZMC080 型转向架统型轮对设计中， 设计人员参照既有项目的成功经验， 以通用性为目标进行了轮对统型方案设计，然后按相关的标准对车轴方案、车轮方案进行了分析和校核，确保统型轮对满足 B 型地铁车辆的运营要求。

      目前， 该统型轮对已经大批量应用于或即将应用于武汉地铁2 号线、4 号线 ，郑州地铁 1 号线，宁波地铁1 号线，无锡地铁 1 号线，长沙地铁 2 号线等项目车辆上， 为国内地铁车辆轮对的统型设计和应用进行了一次有益的探索。