轻量化动力集中动车组动力转向架研究

轻量化动力集中动车组动力转向架研究

刘晓东贾祥伟范海林郭嘉明

中车大连机车车辆有限公司     辽宁大连    116000

摘要：采用轻量化材料、轻量化结构和轻量化设计是提高动车组整体质量的有效途径，本文提出了一种新的轻量化动力集中动车组动力转向架，采用新材料、新结构、新设计和新工艺实现了轻量化动力集中动车组动力转向架的轻量化设计。经过仿真分析和试验验证，该转向架达到了预期的轻量化目标。

关键词：轻量化；动车组；动力转向架

我国高速铁路技术取得了快速发展，多条高速铁路投入运营。由于高速铁路对速度和速度差的要求，列车的转向架重量要比普速铁路重，因此，在提高速度的同时，也必须对转向架进行轻量化设计。本文提出了一种新的轻量化动力集中动车组动力转向架，该转向架主要由构架、转向架构架、基础制动装置、轮对缓冲装置组成。

1.转向架总体设计

技术参数表如表1：由于动力转向架采用的是电传动系统，而电传动系统的主要部件均采用了铝合金材料，因此，在保证转向架的安全性、可靠性及使用寿命的前提下，要实现轻量化设计。根据《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（TB/T2989-2009）的规定，转向架构架和基础制动装置分别按照500kg·m-2和120kg·m-2的标准进行设计。由于车体和基础制动装置均采用铝合金材料，因此在满足强度、刚度要求的前提下，实现轻量化目标。转向架构架采用箱形结构，并通过有限元分析确定了箱形结构的受力特性。构架材质为铝合金材料，设计重量为1000kg·m-2。转向架结构如图1：在满足强度要求的前提下，为了减轻重量，转向架构架采用了以下结构形式：①下横梁采用铆接结构，整体承载；②下横梁和上横梁采用焊接结构；③下横梁与下平架焊接；④下横梁与上横梁焊接。基础制动装置包括闸瓦、闸片、闸瓦弹簧、闸片弹簧和闸瓦弹簧座等部件。基础制动装置采用了摩擦制动方式。基础制动装置总质量约为500kg·m-2。轮对缓冲装置包括轮对缓冲器和摇枕弹簧等部件。轮对缓冲器采用橡胶缓冲元件，其质量为240kg·m-2;摇枕弹簧采用橡胶材料制造，质量约为80kg·m-2。

表1

图1

2.基础制动装置

基础制动装置包括安装在转向架构架上的基础制动装置，用于制动力传递，具有减轻转向架重量，提高轮轨磨耗性能的作用。基础制动装置采用钢制结构，质量约为9t，通过螺栓固定在转向架构架上。由于转向架构架质量较轻，因此基础制动装置质量可以降低到7.5t。

基础制动装置主要由制动缸、活塞、盘形弹簧、制动盘销、制动摩擦片、摩擦杆等组成。制动缸用于将轮轨间的制动力传递给车轮。制动缸内安装有活塞和活塞销，其主要作用是产生制动盘所需的制动力。当车轮与轨道之间发生磨耗时，盘形弹簧使制动缸活塞向外移动，从而将制动盘的摩擦力转化为制动缸内的压力，以制动力把车轮与轨道之间的磨耗转化为压力。制动缸安装在构架上，采用液压活塞传动，当轮对与基础制动装置发生磨耗时，制动缸内的压力油经制动摩擦片和摩擦杆传递到制动盘上，从而产生制动效果。通过对制动缸的结构进行优化设计，实现了轻量化目标。基础制动装置结构如图2所示。

图2

3.轮对缓冲装置

轮对缓冲装置由两个独立的弹簧组成，其中一个为缓冲装置提供动刚度，另一个为车轮与导向装置之间的静刚度。车辆在通过曲线时，车轮与导向装置之间的静刚度小于动刚度，轮对会受到较大的横向作用力。通过仿真分析表明，当列车以不同速度通过曲线时，轮轨间最大动、静摩擦系数分别为0.19和0.22。因此，为了提高车辆的运行安全性和平稳性，需要设计一种轮对缓冲装置。目前常用的轮对缓冲装置有两种：第一种是摩擦轮对缓冲器，通过摩擦轮与导向装置之间的静摩擦作用来吸收由列车运动所产生的动能；第二种是弹簧轮对缓冲器，通过弹簧与导向机构之间的动摩擦作用来吸收由列车运动所产生的动能。国内外现有的缓冲装置主要采用橡胶和金属两种材料。橡胶材料具有较大的刚度，但较低的强度和弹性模量。金属材料具有良好的韧性和塑性，但其刚度较低。由于动车组轴重较大、通过曲线时速度较低，所以需要采用弹簧轮对缓冲器来吸收由列车运动所产生的动能。因此，需要将弹簧轮对缓冲装置与导向机构之间的静摩擦转化为动摩擦。

4.轻量化设计

轻量化设计的目标是减少零件的质量，使转向架轻量化达到一个新的高度，即：在不改变结构尺寸、不影响产品性能和可靠性的情况下，实现轻量化设计。转向架结构及主要零件材料选用满足产品使用要求、有足够刚度和强度的材料，轻量化设计采用如下措施：（一）选择轻质材料，减轻重量。根据材料力学理论及相关标准要求，选择了轻质的高强度钢Q345R。（二）采用轻量化设计，实现整体轻量化。通过结构优化和零件优化设计实现减轻重量。具体包括：（1）构架、基础制动装置、轮对缓冲装置采用变截面扁钢焊接结构，通过优化焊接工艺和设计合理的焊缝型式，实现了整个构架变截面扁钢焊接结构的轻量化；（2）在转向架构架上采用铝板焊接结构，并采用铝合金加强件对铝板进行加固，实现了转向架构架整体轻量化；（3）对基础制动装置、轮对缓冲装置等零部件进行优化设计，实现了其整体轻量化。通过优化设计，将转向架构架自重减轻了24.4%；将基础制动装置、轮对缓冲装置等零部件自重减轻了15%。（4）在构架上增加加强筋等加强件，实现了构架整体轻量化。

结束语：

综上所述，本文提出了一种轻量化动力集中动车组动力转向架，该转向架采用新材料、新结构、新设计和新工艺实现了转向架的轻量化设计，其主要结构特点是：将传统的构架和转向架主体结合在一起，使其成为一个整体；采用轻量化的铝制构架和轻量化的轮轴，使得车体和构架重量大为减轻；采用新型铝合金材料，使转向架整体强度大幅提高；采用先进的焊接技术和先进的工艺，保证了转向架结构和构架之间的连接强度。试验表明，该轻量化动力集中动车组动力转向架满足设计要求，达到了预期的轻量化目标。

参考文献：

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