CRH2型200km／h动车组转向架.pdf

2 0 0 8年第 3期 2 0 0 8年 5月 1 0日 机 车 电 传 动 ELE CTRI C DRI VE FOR LOCOM OTI VES N o 3 2 0 08 Ma y 1 0 20 0 8 摘要 x C R H 2 型 2 0 0 l n 1 h 动 车 组 转 向 架 的 研 制 过 程 进 行 了 简 要 回 顾 全 面 介 绍 了 转 向 架 的 设 高 1 9速 6 8动 车 计思想和结构 与原型车 E 2 1 0 0 0系比较 进行了 系列适应性改进设计 针对列车的运用环境和检组转向架的研究开发工作 修水平 重点对转向架一系定位结构及轴承设计进行了变更 并采取了相应的环境对策 该转向架 自 投入运用以来 良好的性能表现确保了C R H2 型动车组的长期稳定运营 关键词 C R H z 动车组 转向架 技术参数 结构参数 国产化 改进设计 中图分 类号 U2 6 0 3 3 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 0 1 2 8 X 2 0 0 8 0 3 0 0 0 1 0 5 Bo g i e f o r CRH2 2 0 0 k m h EM Us YU Da fi a n ZHANG Ho n g LUO Bi n R D C e n t e r C S R S i f a n g L o c o mo ti v e R o l l i n g S t o c k C o L t d Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 1 1 1 C h i n a Ab s t r a c t I t i s b r i e fly r e v i e we d t h e d e v e l o p me n t p r o c e s s o f the b o g i e f o r CRH2 2 0 0 k m h EMUs Th e d e s i g n i d e a s a n d s t r u c t u r e s a r e f u l l y i n t r o d u c e d Co mp a r e d wi t h t h e p r o t o t y p e E2 1 0 0 0 s e r i e s o f a d a p t a t i v e i mp r o v e me n t h a v e b e e n d o n e t o i t s d e s i g n Ba s e d o n t h e o p e r a t i o n e n v i r o n me n t a n d i n s p e c t i o n l e v e l mo d i f i c a t i o n s a r e ma d e t o t h e p r i ma r y p o s i ti o n i n g s t r uc t u r e an d a x l e d e s i g n o f the b o g i e a n d r e l a t i v e e n v i r o n me n t a l me a s u r e s are t a k e n Ev e r s i n c e the b o g i e o pe r a t i o n i t s e x c e l l e n t per f o r ma n c e s e n s u r e the l o n g t e r m s t a b l e o per a t i o n o f CRH2 E M Us Ke y wo r d s CRHz E M Us b o g i e t e c h n i c a l p ara me t e r s t r u c t u r e p aram e t e r l o c a l i z a t i o n i n o r o v me n t d e s i g n 0 引言 2 0 0 4 年 中华人民共和国铁道部进行 2 0 0 k m h 铁路 电动车组项 目国际招标 其中由日本川崎重工株式会 社和中国南车四方机车车辆股份有限公司组成联合 向 铁道部提供6 0 列2 0 0 k m h 铁路电动车组 2 0 0 k m h 动车组转向架是南车四方机车车辆股份 有限公司 以下简称四方股份公司 通过技术引进 联 合设计 消化吸收和再创新的产品 根据合同 交付的 总计6 0 Y J 2 0 0 k m h 动车组 以下简称C R H2 型动车组 中 除前9 列 即第C R H2 0 0 1 A C R H 2 0 0 9 A J 装用的转 向架 为进 口外 其他 5 1 列动车组转向架全部为四方股份公 司 国产化 产 品 1 转向架设计思想 CR H2 动车组转 向架的技术设计思想主要体现在 基于具有 良好运用业绩的原型车方案 采用成 熟和可靠 的技术 收稿 日期 2 0 08 0 4 1 6 有针对性地适应 中国铁路运用环境 进行部分 设计 变 更 采用低成本设计手段 依靠完善 的检修体系保 证运 用安 全 C R H2 动车组是在东 日本铁道公司 J R E a s t E 2 1 0 0 0 系产 品的基础上进行改造设计的 其中转向架的技术 方针可概括为 降速 增载 在满足 2 0 0 k m h 运行要求的前提下 C R H2 动车组 与原型车E 2 1 0 0 0 系比较 取消了部分高端配置 如车间 阻尼和横 向半主动 主动悬挂 为适应轴重增加的要 求 对转向架主要承载结构 焊接构架和轮对装置等 进 行 了加强 鉴于中国的运用环境和检修水平 重点对 转向架一系定位结构及轴承设计进行了变更 并采取 了相应 的环境对策 2 转 向架结构 CR H2 动车组进口转向架的型号分别为 K T1 7 5 动 车转向架 和KT 1 7 6 拖车转 向架 国产化转向架型号 分别为S K MB 2 0 0 动车转向架 和S K T B 2 0 0 拖车转向 架 如图1 所示 和 谐 号 专 栏 维普资讯 机 车 电 传 动 a S KMB 一 2 0 0转 向架 b S KTB 一 2 0 0转 向架 l CRH2动车组转 向架 2 1 转 向架主要技术参数 C RH 2 动车组转 向架主要技术参数见表 1 表1 C R H2 型动车组转向架主要技术参数 最高运 行速度 k m h I 2 5 0 运营速 度 k in h 2 0 0 定员 时轴重 1 O 0 定 员 k N 1 3 7 2 满员 时最 大轴重 2 00 定员 k N 1 5 6L 8 编 组通 过 的 最小 曲线 半 径 m 1 8 0 单 车 调 车通 过 的 最小 忤 I 线 半 m l 3 0 轴距 mm 2 5 0 0 车 轮直 径 新 磨 耗 到 限 mm 8 6 0 7 9 0 轮 对 内侧距 mm 1 3 5 3 适用 轨距 mm 1 4 3 5 转向架 自重 t 7 5 M 6 8 7 T 6 9 5 T 适 用 限 界 GB1 4 6 1 8 3及 客运专 线机 车车辆 限界 暂行规 定 汪 6 9 5为带 排 障装置 转 向架重 量 2 2 转 向架主要结构参数 C RH 2 动车组转向架主要结构参数见表2 2 3 转 向架构成 C R H 2 动车组转向架主要由焊接构架 一系悬挂装置 二系悬挂装置 牵引电机安装 仅M车安装 转向架制动 装置 转向架配管配线装置 转向架排障装置 仅T 1 T 4 车安装 以及速度传感器 仅T车安装 等部件构成 2 3 1 焊接构架 C R H 2 动车组转向架构架与E 2 1 0 0 0 系原型车转向架 表2 转向架的主要结构参数 相 比 主要作了以下变更设计 原材料选用S MA 4 9 0 B W耐候钢 保证2 0 年的寿命 薄壁大断面设计 在满足强度要求的前提下实 现轻量化 规范的焊接设计和严格 的焊缝处理工艺 取消铸造件 代之以焊接结构或锻造件 消除 铸造 质量 缺 陷隐 患 转向架构架强度设计依据J I S E 4 2 0 7 铁道车辆一 转向架一构架设计通则 与J I S E 4 2 0 8 铁道车辆一转向 架一载荷试验方法 以强调车辆轻量化 目标为特征的 新干线转 向架设计 保证 承载结构的强度 日本新干 线高速铁路积累了近4 0 年的成功应用经验 同时也制 定并不断完善了其铁道车辆转向架构架强度设计标准 体系 现有标 准规范的建 来源于长期的 完整的实 际线路运用一线的经验总结 已建立了完备的铁道车 辆构架用材料疲劳强度评价方法 这些基础性研究工 作贯穿于新干线铁道车辆的整个发展历程 中 正是通 过多年的基础材料试验研究的积累 建立起 了一套通 过 静态应 力 水平评 价 疲 劳强度 的方法 按照合 同 四方股份公司对 国产化焊接构架按 照 J I S E 4 2 0 8 标准进行了静强度试验 同时按照 2 0 0 k m h 及 以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规 定 简称 暂规 进行 了静强度 和疲劳强度试验 均 维普资讯 第 3期 虞大联 张洪 罗斌 C R H2 型 2 0 0 k m h 动车组转向架 通过了试验评定 2 3 2 一系悬挂装置 CRH2 动 车组转 向架一 系悬 挂装置 是在原 型车 E 2 1 0 0 0 系的基础上设计变更最大的一部分 由双拉板 式改为轴箱转臂式 如图2 所示 其变更的 目的主要基 于 便于一系定位刚度的选择 要求的刚度值可以 在垂向 纵向和横 向各 自独立地选择 可兼顾一系定 位 刚度在高速运行 时的稳定性和 曲线通过性能的要 求 利 于实现轻量化 适应高速要求 零部件数量少 简化结构 方便分解或组装作 业 无需选配 参见表3 无磨耗 提高可靠性 实现免维护 表3 双拉板式和转臂式一系定位方式 比较 尽管采用转臂式轮对轴箱定位结构已成为高速转 向架的主型结构 但本身还有分体 指轴箱和转臂 和 一 体式的差异 CR H2 动车组转 向架采用一体式设计 其优势主要归纳为 简化结构 降低簧下 自重和便于维护检修 无需在轴箱上设置迷宫槽等复杂结构 加工简单 消除了转臂与轴箱分体式结构的组装 间隙 有 利于提高车辆的运行稳定性 b 转 臂 式 图 2 CR H2 动车组转 向架一系悬挂装置 第一 阶段 进 口轴箱弹簧采用 了 L t 本 国内普通的 S U P 9 S UP 1 1 系列弹簧钢 国产化替代材料选择 了我 国在货车转向架中已应用较为成熟的6 0 S i C r V A T弹簧 钢 国产化轴箱体采用了与 L t 本普通的S C 4 5 0 型铸钢 具有等同性能且具有运用业绩的2 5 Mn N i B低合金铸钢 为了应对中国铁路运用环境中的风沙和雨雪等侵 袭 C R H2 动车组轴箱弹簧外设置了热缩橡胶材料制成 的防雪罩 该弹簧防雪罩的作用在2 0 0 8 年初的雪灾天 气 中经受了最好的验证与考验 表明了这一环境对策 设计的必要性 2 3 3 轮对装置 C R H2 动车组转向架轮对与E 2 1 0 0 0 原型车相比 作 了如下设计 变更 车轮轮辋宽度 踏 面形状 辐板厚度 车轴轴颈直径 轴颈长度 车轴长度 轮对内侧距 轴承结构及润滑 轮对组成采用空心轴轮对结构 主要 由以下零部 件组成 直辐板辗钢车轮 局部淬火空心车轴 锻钢制 动盘 轮盘和轴盘 铝合金齿轮箱及 自密封式双列圆锥 滚子轴承单元 2 3 3 1 车轴 空心车轴在 L t 本铁道车辆 中的应用始于上世纪5 0 年代 但由于制造方面的原因一度弃用 直到 1 9 7 5 年空 心车轴的可靠性才得 以提高 真正大批量用于高速铁 路是在 1 9 8 1 年以后 目前 的新干线车轴材料选用 3 8 C碳素钢 为提高 车轴高速条件下的疲劳强度 采用特殊的高频淬火工 艺 使车轴表面形成马 氏体并残留表面压应力 车轴的强度设计依据 J I S E 4 5 0 1 铁道车辆 车轴强 度设计方法 该标准颁布于 1 9 7 0 年并在 1 9 9 5 年进行了 修订 根据线路条件的等级确定和运行速度呈线形函 数关系的车轴附加动态载荷系数 其中S A级可适用于 运行速度3 5 0 k m h的设计 以基于疲劳裂纹不致于扩 展为原则 车轴 的安 全性保证 一是在设计时 留有较高 的安 全系数 另一个保证是依靠车轴的定期检修来确保车 轴的运用安全 按照C RH 2 动车组的检修规程 每运行 3 1 0 k m进行空心轴超声波探伤检查 每运行4 5 1 0 k m进行车轴表面磁粉探伤 每运行 9 0 1 0 k m进行轮 座探伤检查 从而确保 了车轴的安全可靠 采用空心车轴 使频繁的车轴探伤检查得以实施 2 3 3 2 车轮 新干线转向架因装用轮盘制动 其车轮辐板须为 直辐板 为了适应中国线路 车轮 的轮辋厚度增加至 1 3 5 mm 踏面形状采用L MA型踏面 车轮为整体辗压 车轮 材料选用S S W Q 3 R碳素钢 鉴于C RH 2 动车组轴重的增加 车轮的盘毂部分在 维普资讯 机 车 电 传 动 原 型车 的基础 上进 行 了局部 加 强 新干线车轮的技术特征主要体现在 车轮直径小 新造直径8 6 0 mm 到限直径7 9 0 mm 含碳量高 韧性好 直辐板车轮 2 3 3 3 制动盘 C R H2 动车组转 向架的机械制动采用盘形制动 动 车采用轮盘制动 拖车则采用轮盘制动 轴盘制动 制 动盘选用锻钢材料 具有较高的耐热疲劳强度和 良好 的耐磨性 轮盘为整体盘结构 分别安装在 车轮辐板两侧 在制动盘摩擦面的背面设有径向散热筋 鉴于制动工 程 中的热负荷造成的变形 制动盘采取了预反向翘曲 的结构设计 轴盘则为半体式 制动盘安装在盘座上 2 3 3 4 轴承 C R H2 动车组轴箱轴承采用了带 自密封的双列圆锥 滚子轴承单元 脂润滑方式 树脂材料保持架 密封方 式为轻接触唇式密封圈 润滑脂选用高速铁路专用的 S h e l l N e r i t a 2 8 5 8 牌号 轴承的寿命的计算根据J I S B 1 5 1 8 标准 在最大轴 重1 4 t 时 满足运行5 X 1 0 k m的要求 型式试验按照1 7 t 轴重进行了最高试验速度4 0 0 k m h 的试验 表明轴承 具有速度提升的潜力 2 3 3 5 齿轮箱装置 为降低簧下重量 C R H2 动车组用齿轮箱采用铝合 金箱体 小齿轮端通过弹性连接于构架 大齿轮安装于 车轴 电机的驱动转矩经过联轴节输入到小齿轮 再由 大小齿轮啮合转动车轴 形成转向架的驱动装置 传动 比为3 0 4 8 5 2 8 齿轮箱内有接地装置和温度传感器 2 3 4 二 系悬挂装置 C RH z 动车组转向架二系悬挂装置 基本沿用了原 型车的设计结构 由于只用于2 0 0 k m h 运行 因此取消 了半主动 主动横向悬挂和车间阻尼装置 因此 二系 悬挂的结构与常规车辆没有 明显差异 为了应对中国铁路的沙尘环境 并提高产品的使 用寿命 2 0 0 k m h 动车组转向架中的各减振器均采取了 防尘设计 安装橡胶防尘罩 可阻止细小的沙尘颗粒 进入 另一个值得借鉴的细节是所有减振器采用了纠 错设计 即减振器两端的安装接 口尺寸设计为非对称 式 因此 只有按照正确的方向才能够安装好 空气弹簧采用了与原型车相同工作高度的空气弹 簧 由于轴重的增加相应提高了空气弹簧的有效直径 空气弹簧的附加空气室是构架 的2 个横梁和空气弹簧 支承梁内腔 空气弹簧内设有节流孑 L 形成二系垂 向 阻尼 胶囊下 串联橡胶堆 以便在故障条件下作为应 急弹簧 空气弹簧设置在构架侧梁 的外侧 使横向跨距达 到2 4 6 0 mm 因此在采用低刚度空气弹簧的同时仍具 有一定 的抗侧滚刚度 而无须设置抗侧滚扭杆 这一 点也是新干线转 向架 的传统 空气弹簧内的压缩空气采用上进气供风 因此 当需 要填加调整垫时 垫必须安装在空气弹簧与构架之间 空气 弹簧 的附属零部件包 括高度调整阀和差压 阀 为 了保证在低温环境 中高度调整阀的正常功能 将高度 阀安装在一个密闭的保温箱 内 当环境温度过 低时开启其中的电热保证高度阀的正常工作 为传递车体与转向架之间的纵向载荷 牵引装置 也是采用新干线转 向架常用的单拉杆 可以简化车体 与转 向架 的连接和拆卸作业 2 3 5 转向架制动装置 C RH 2 动车组转向架的制动装置与 目前国内铁道车 辆用的制动装置在原理和结构上差异较大 新干线转 向架制动装置采用 了气一 液转换的液压制动方式 即 列车制动管的压缩空气需要经过增压缸的转换后 向 制动夹钳的油缸输 出高压油液 推动夹钳活塞上的闸 片夹紧制动盘形成制动力 如图3 所示 图 3 增 缸 工 作 原理 示 意 图 采用液压制动 可以简化单元制动缸结构 空间 占用小 制动倍率调整灵活 每一个增压缸负责一个 轮对 的制动 因此每台转 向架上安装两套 2 3 6 踏面清扫装置 C R H2 动车组装用踏面清扫装置 目的是改善车轮 表面状态并修复车轮表面缺陷和不圆度 但不承担制 动功能 踏面清扫装置只在以下3 种条件下动作 车轮发生空转 车轮发生滑行 3 0 k m h 以上施行制动 C R H2 动车组踏面清扫装置已完全实现国产化 2 3 7 速度传感器 C R H2 动车组拖车转向架安装了3 种型号的轴端速 度传感器 分别为A G3 7 A G 4 3 和L KI 2 0 0 0 分别为B C U AT P和既有线AT P提供速度信号 动车在每个牵引电 机中设有内置式P G速度传感器 维普资讯 第 3期 虞大联 张洪 罗斌 C R H2 型 2 0 0 k m h动车组转向架 L KI 2 0 0 0 型速度传感器的结构与A G系列存在差异 最主要的不足是不便 于车轴的超声波探伤 在进行探 伤过程 中 必须依次分解速度 传感器 轴箱前盖和轴 端压盖等零部件 增加检修工作量 2 3 8 转向架排障装置 C RH 2 动车组在每列头车的最外端4 个轴箱下设置 了转向架排障装置 以清除轨道上的小型障碍物 大 型障碍物由车体下的排障犁进行清除 转向架排障装置下的紧固螺栓采用防松垫片 在 运用初期经常遭到道石打击发生折断 经分析 其防 松垫片为横向布置 暴露 的目标 比较大 如果采用纵 向布置 可以大大降低被打击 的概率 使用表 明后来 的改进收到了良好 的效果 排障装置安装于轴箱可以保证排障板距轨面高度 不受车轮磨耗和悬挂结构动挠度的影响 但 由于直接 承受来 自轨道的刚性冲击 承载环境较为恶劣 2 3 9 转向架温度报警装置 C R H2 动车组转向架分别在轴箱和动车齿轮箱上设 计了温度报警传感器 温度传感器是熔断式报警 一 旦轴箱或齿轮箱温度达到报警温度 内置保险丝熔断 发出报警信号 与国内铁路客车的温度报警设计不同 无法实时 检测轴箱或齿轮箱 的温度和变化 而且是 串联 电路 一 旦触发报警 只能判断出转向架位数 每个动 车转 向架上设有6 个温度传感器 每个拖车转向架上设有 4 个温度传感器 无法断定具体的部位 温度报警 的设 定温度与地面红外检测 系统检测值也存在较大差异 2 3 1 0 联轴节 CRH2 动车组转向架动车用联轴节采用挠性齿轮 联轴节 分别 由三菱和住友金属提供 其型号分别为 Q D2 5 7 A 2 和Q D2 5 7 A1 允许 的变位行程分别为 径向 1 2 3 i i l m 轴向 1 1 mI n 2 种型号产品可以互换 2 4 转向架运用和检修 自2 0 0 6 年9 月起 四方股份公司首列国产化动车组 担任了为期数月的几大干线提速线路牵引试验任务并 最先实现批量投入运营 自2 0 0 7 年2 月起 C R H 2 动车组 开始陆续投入运用 先后配属上海 北京 济南 西安 郑州 南昌和武汉等7 个铁路局及专运处 为铁路第六 次提速战略的顺利实施提供了保证 迄今 转 向架的 运用经受了为期 1 年多的运用考验 保证了CR H2 动车 组 安 全稳 定 地运 行 由于C R H2 动车组的运行线路基本上为经过线路改 造的既有干线且与其他客 货列车共线运行 与新干 线的轨道维护技术水平相 比仍存在一定差距 所以转 向架暴露的主要问题基本属于运用条件适应性问题 转 向架的结构设计 除了满足运行 的安全 可靠 和平稳 的要求外 还与转 向架的运用检修制度密切相 关 现有的C RH2 动车组转向架 要求既有的检修方法 和工艺必须进行相应的转变和调整 适应新的运用和 维护检修体制 表4为C R H2 动车组转向架的检修修程 表4 C R H2 动车组转向架的检修修程 检修修 程 周期 先到者为准 一 级检 修 日检 2 天 二级检修 日检 月或运行 3 0 0 0 0 k m 含车轴超声波探伤 三级检修 年检 1 2 个月或运行4 5 0 0 0 0 k m 四级检修 分解检查 3 6 个月或运行9 0 0 0 0 0 k m 车轮 镟修运行约2 0 0 0 0 0 k m 自2 0 0 7 年 1 0 月起 四方股份公司在动车组检修基 地尚未形成检修能力的条件下 又承担 了C R H2 动车组 转向架的三级检修 并计划于2 0 0 8 年实施C