CRH5动车组转向架技术

CRH5型动车组转向架技术中国北车长春轨道客车股份有限公司2013年6月主要内容介绍一、转向架概述二、转向架基本结构三、计算及试验四、转向架运用维护五、运用中出现的问题及改进措施一、转向架概述2004年ALSTOM公司向长客股份公司转让了时速200公里高速铁路动车组设计和制造技术，生产制造CRH5型动车组,该动车组采用CA250型转向架。CRH5型动车组为5动3拖8辆编组。通过技术引进和消化吸收，我公司构建了200-250km/h转向架设计、制造技术平台。2007年，第六次大提速以来，已有140列CRH5动车组投入运营，分别配属哈尔滨局、沈阳局、北京局、武汉局、济南局、郑州局、太原局等7个铁路局，累计运行里程超过1.5亿公里。单列最高运行公里数为350万公里。具体车型型号CRH1CRH1A、CRH1A-799、CRH1B、CRH1ECRH2CRH2A、CRH2B、CRH2C一阶段、CRH2C二阶段、CRH2E、CRH380A、CRH380AL、CRH380A-001CRH3CRH3C、CRH380B、CRH380BL、CRH380B-002、CRH380C、CRH380CLCRH5CRH5A、CRH5000四种动车组车型汇总原型转向架简介CRH5型动车组CA250转向架源于ALSTOM公司的Pendolino摆式列车转向架；Pendolino高速转向架系列产品摆式转向架非摆式转向架•TAVS104(西班牙Lanzaderas动车组)•CA250(中国CRH5型动车组)•ETR460、470、480(意大利、瑞士)•ICT(德国)•IC2000-(西班牙)•SM3(芬兰)•CP(波兰)•SZ(斯洛文尼亚)•CDT-680(捷克)•NEWPENDOLINO(意大利、瑞士)以上ETR系列转向架共2504台，累计运用里程2亿公里。原型转向架应用情况汇总ETR系列列车转向架数量轴重（t）最高运营速度（km/h）开始运营时间ETR45027012.62501988ETR4X061215.52501995SM321615.52201995IC2000Alaris6015.52001999CPA400012015.52001999ETR3101815.52002001ICE-T95016.52301998CDT-6809816.52302005TAVS-104100172502004•TAV-S104转向架：2002年ALSTOM公司在Pendolino摆式列车转向架基础上，去掉倾摆系统开发了非摆式转向架，并应用在西班牙Lanzaderas动车组上。TAVS104转向架•CA250转向架：2005年ALSTOM公司在TAV-S104转向架基础上研制了CA250转向架，应用在中国CRH5型动车组上。CA250转向架•CA250转向架与TAV-S104转向架的主要差别：（1）将二系悬挂由钢弹簧改为空气弹簧（2）轮对内侧距由1360mm改为1353mm（3）车轮踏面形式由S1002型改为XP55型（4）根据中国线路情况对转向架动力学参数优化注：XP55型车轮踏面应用业绩：•法国TGVA(A=大西洋)•韩国KTX二、转向架基本结构转向架总体概述1．构架组成2．轮轴组成3．一系悬挂装置4．二系悬挂装置5．驱动装置6．基础制动装置7．辅助系统转向架总体概述（1）转向架总体结构CA250转向架构架组成采用钢板焊接结构；一系悬挂装置采用成熟的双拉杆轴箱定位方式；二系采用空气弹簧悬挂；传动装置由齿轮箱、万向轴、安全装置和体悬式电机组成；基础制动采用轴盘制动；辅助系统。动力和非动力转向架的主要区别：动力转向架有1根动力轴和1根非动力轴，而非动力转向架有2根非动力轴，动力轴上装有两个制动轴盘和一组齿轮箱，非动力轴上装有三个制动轴盘。CA250动力转向架CA250非动力转向架（2）执行的标准•动力学标准：UIC518、GB5599-85和动车组招标文件附件2•强度标准：UIC系列标准•材料标准：UIC、EN系列材料标准和企业内部材料标准试验验证手段•实验室试验（零部件疲劳试验、轮轨接触应力及磨耗测试）•滚振台试验（动力学性能）•线路动力学试验（动力学性能）•线路动应力测试（转向架强度）关键技术•高速直线运行稳定性与曲线通过性能的折中与悬挂参数优化匹配；•高速动力学性能与转向架结构强度和可靠性间的关系；•轻量化与结构强度和可靠性相结合•结构设计中采取的措施•系列化、标准化和模块化设计；•转向架零部件轻量化设计；•各零部件功能独立化设计；•全寿命周期维修成本设计;•先进、成熟、可靠、适用的零部件。（3）转向架总体设计理念•理论设计采用的手段•车辆系统动力学分析•零部件强度计算分析高速转向架的标准：•高速运行的安全性•高速运行的平稳性•曲线通过能力•转向架的强度可靠性•方便维修的结构（4）转向架基本参数•持续运行速度：200km/h•最高试验速度：250km/h•轨距：1435mm•固定轴距：2700mm•最大轴重：17t•新（旧）车轮尺寸：890mm(810mm)•轮对内侧距：1353（0，+1.2)mm•车轮踏面：XP55•动车转向架重量8060kg•拖车转向架重量7600kg1、构架组成（1）系列化设计构架组成经历25年的发展演变过程，侧梁为整体结构。ETR系列构架新Pendolino系列构架CA250构架（2）等应力结构设计主要受力连接座均采用锻件减少缺陷，提高疲劳强度。（3）独特局部结构设计：保证吊座及吊座与构架主体的连接强度，吊座采用加装补强板整体焊接结构。可更换圆柱螺母设计。CW-220结构CA-250结构SF-500结构•减少应力集中的横、侧梁连接结构；CA250、SF500、CW220三种结构对比（4）材料选择:钢板S355J2G3,型材S355J2H符合EN10025标准重要部位的钢板、型材的采购标准比EN10025严格，执行企业内部标准K20409和K20580；元素EN10025规定（%）K20409规定（%）C≤0.20≤0.20Si≤0.55≤0.60Mn≤1.601.00~1.70P≤0.025≤0.035S≤0.025≤0.035P+S/≤0.050Al/0.018~0.080Cr/≤0.25Ni/≤0.30Mo/≤0.07Cu≤0.55≤0.25Nb/≤0.05V/≤0.08Nb+V/≤0.10机械性能EN10025中规定K20409中规定冲击功-20℃时纵向冲击功不小于27J-20℃时纵向冲击功不小于60J-20℃时横向冲击功不小于28J其他规定:•全部磁粉探伤,大于6mm钢板全部超声波探伤,验收标准为B级•钢板厚度公差严格•扎制方向:纵向用箭头标明向,在钢板上（5）合理焊缝等级标注•根据EN15085-3，确定应力系数，确定焊缝等级应用范畴应力系数按计算标准获得的疲劳强度值有代表性的焊缝样品疲劳试值选择1选择2高应力≥0.9≥0.8≥0.9中等应力0.75≤S＜0.90.5≤S＜0.80.75≤S＜0.9低应力＜0.75＜0.5＜0.75应用范畴安全种类高风险中等风险低风险高应力ABC2中等应力BC2C3低应力C1C3D（6）构架图纸公差尺寸标注合理，不重要组装件接口的加工尺寸公差比较大，这和实际的运营状态比较接近，这样给加工带来便利，可以提高劳动效率；+载荷计算有限元分析(FEA)（静态计算）设计阶段构架贴片,确定焊缝等级试验室试验试验阶段有限元疲劳分析（7）科学的转向架构架强度分析流程修正模型2、轮轴组成拖车轮对动车轮对动车轮对质量:1795Kg拖车轮对质量:1520Kg（1）车轴•设计标准：执行EN13103,EN13104EN13261和UIC811-1•材质：30NiCrMoV12，空心型式(Ø65mm)•计算：采用有限元方法对车轴进行分析计算1-轴颈；2-轴套；3-轮座；4-轴身；5-轴身；6-制动盘座；7-制动盘座；8-轴身；9-轴承挡圈；10-轴承座；11-轴身；12-轴身（2）车轮•设计标准：UIC510–5•制造标准：EN13262•材质：R8T＊•强度计算：采用有限元计算内容：•新、旧车轮强度•新、旧车轮强度模态分析元素EN13262标准（%）鲁西尼标准（%）C≤0.560.50~0.54Si≤0.400.90~1.10Mn≤0.800.90~1.10P≤0.020≤0.015S≤0.015≤0.006Cr≤0.30≤0.30Ni≤0.30≤0.30Mo≤0.08≤0.08Cr+Ni+Mo≤0.50≤0.50Cu≤0.30≤0.10V≤0.06≤0.08Al/≤0.015N2/≤80ppmH2/≤2.0ppmO2/≤10ppm机械性能EN13262鲁西尼标准屈服强度（MPa）≥540≥560拉伸强度（MPa）860~980920~980延伸率(%)≥13≥14断面收缩率(%)/≥45轮缘处硬度HB≥245≥265V型缺口冲击功Kv(-20℃)≥10J最小5J≥10J最小7J车轮材质对比化学成分对比机械性能对比鲁西尼研发、冶炼的车轮•材质软•运行10万公里后出现剥离，15万公里后稳定车轮车轴静强度试验车轮疲劳试验车轴疲劳试验DCMotorRailLateralactuatorVerticalactuator轮对实验实际轮对实验台测试Q1Q2Y1Y2L1L2轮轨力测量车轮磨耗测试制动盘测试BrakeSystemVerticalActuatorYawActuatorLateralActuatorYawactuatorBrakesystem(3)轴箱体组成型号:BT2-8545B、BT2-8545/AD圆锥滚子轴TBU130x230x160内置传感器，设计执行EN12080.润滑符合prEN12081的规定。使用寿命按照UNIISO281进行计算校核。•轴箱体：材质为球墨铸铁EN-GJS-400-18-LT(EN1563)•分为轴箱体、中间体和前盖车轮、车轴的设计及计算车轮车轴轴箱体轴箱轴承设计标准UIC510–5EN13103,EN13104EN13261UIC811-1EN12080设计EN12080润滑EN12081制造标准EN13262UIC811-1•EN1563材质R8T*30NiCrMoV12空心型式(Ø65mm)GJS-400-18-LT理论计算•采用有限元方法对分析计算使用寿命按照UNIISO281进行计算应用业绩ICT、SM3、ETR460、ETR470、ETR4803、一系悬挂装置设计（1）独特的双拉杆柔性定位装置（演变过程）摆式列车一般都采用径向转向架Pendolino摆式列车转向架一系定位经历多次演变、优化，实现了柔性定位起到径向功能。ETR401、ETR450SM3动车组转向架转臂式拉杆式99年后的转向架拉杆式定位装置的优点：•弹性定位节点多，便于优化出适合的纵向和横向刚度；•直线上有较高的临界速度，在曲线上具有良好的导向性能；•减小轮对与钢轨之间的冲击和侧压力，减轻车轮轮缘与钢轨的磨耗。合理的参数匹配使转向架具有优良的曲线通过能力，具有非常优秀的动力学性能下拉杆上拉杆/上拉杆轴箱轴箱弹簧(3)一系定位刚度的计算123径向轴向扭转圆锥编号kg/mmkg/mmkgm/radkgm/rad1520,0167,01,53,0236,51100,02,233,838050,01400,06,82351,04880,062,00,61,34橡胶节点的刚度刚弹簧的刚度:KZ=1101.8N/mmKY=647.1N/mm通过各节点的串并联可计算出一系定位刚度:KX=13.74KN/mmKY=4.892KN/mmKZ=1.21KN/mm4、二系悬挂装置（1）设计特点•降低检修工作量：车体与转向架间设有过渡枕梁；•转向架和车体可整体起吊；•双抗侧滚扭杆组成;•二系垂向减振器,部件功能独立化;•采用先进、成熟的模块化部件，降低全寿命周期维修成本。（2）重要部件的设计摇枕组成：钢板焊接箱形结构，为空气弹簧附加气室，吊座采用锻钢件牵引拉杆组成：车体与转向架间采用双牵引拉杆引装置，传递牵引力和制动力。