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德国ICE动力转向架及其结构分析（专业人士有价值参考）

　　德国ICE动力转向架及其结构分析

　　ICE是德国1982年底由联邦铁路负责领导设计制造的城间高速列车，代表了德国轮轨技术发展的最新阶段。

ICE动力转向架达到较高技术水平，其发展不是一蹴而就的，而是建立在多年来德国客运机车转向架不断发展的基础上，通过不断完善而研制成功的，经历了漫长的研究、试验与运用考验过程。

　　ICE动力转向架的发展可以追溯到德国E110机车、E111机车、BR120机车和DE2500UmAn内燃机车转向架以及ICE/V试验转向架，最后以ICE/V转向架定型为ICE动力转向架，前后历经20多年的发展过程。

　　为了发展高速客运，1979年8月德国联邦技术部批准研制驱动质量可控转换的UmAn转向架，并用这种转向架改装了一台DE2500内燃机车进行高速试验。

DE2500UmAn转向架继承了BR120转向架的交流传动、BBC轮对空心轴驱动、空心车轴技术和磨耗形踏面与二系采用高挠圆簧加抗蛇行减振器匹配技术。

驱动装置与制动装置合为一体构成驱动制动单元，半体悬悬挂；牵引装置采用推挽单牵引杆；轴箱采用单轴箱拉杆定位。

　　德国在DE2500UmAn机车上进行了大量的试验研究，对驱动质量联接方式、轴箱定位方式和回转阻尼的多种方案进行比较试验，加深了对高速动力转向架的认识。

　　1982年9月，德国确定制造试验型城间高速列车ICE/V，目标速度为300km/h。

ICE/V动力转向架基本上沿用了DE2500机车的UmAn转向架结构。

原UmAn转向架驱动制动单元的主动控制横向质量转换装置，改为被动联接的液压减振器；转向架上，除了每轴3个制动盘外，增添了线性涡流制动。

　　ICE/V于1985年7月投入运行，同年达到317km/h的最高记录。

1988年5月创造了406.9km/h的世界纪录。

转向架运行良好，没有发现有失稳的势头。

　　1985年12月，德国联邦铁路决定以ICE/V为基础，批量生产ICE动力转向架，并对ICE/V转向架加以改造，取消了线性涡流制动；每轴采用2个制动盘；轮径由1000mm增至1040mm；拉压牵引杆采用可分式拉压牵引杆；一、二系弹簧悬挂装置端部采用橡胶垫。

　　ICE列车自1991年6月正式运营以来，现有60多列列车在德国高速线上运营。

　　1ICE动力转向架的基本结构及主要技术参数

　　1.1动力转向架基本结构

　　转向架为轮对双空心轴传动和牵引电机半体悬的转向架。

采用再生制动和盘形制动的复合制动方式。

转向架主要由驱动制动单元、框型构架、一系和二系悬挂系统、轮对轴箱及单牵引杆的牵引装置等部件组成。

　　1.2动力转向架的主要技术参数

　　表1ICE动力转向架的主要技术参数

　　轴式B0-B0

　　轨距1435mm

　　固定轴距3000mm

　　轴重20t

　　额定功率4800kW

　　最大设计速度280km/h

　　最大运行速度250km/h

　　车轮滚动圆直径1040mm（新）

　　950mm（旧）

　　启动牵引力200kN

　　通过最小曲线半径150m

　　转向架回转中心距11460mm

　　机车限界UIC505-1

　　一系悬挂参数

　　每轴箱弹簧垂向刚度2.398kN/mm

　　每轴箱弹簧横向刚度5.390kN/mm

　　静挠度36.4mm

　　垂向液压减振器阻尼力（振动速度为0.1m/s）2943kN

　　二系悬挂参数

　　每侧2个二系弹簧垂向刚度0.886kN/mm

　　每侧2个二系弹簧横向刚度0.37kN/mm

　　静挠度169.1mm

　　二系垂向液压减振器阻尼力（振动速度为0.1m/s）4414.5N

　　二系横向液压减振器阻尼力（振动速度为0.1m/s）4905N

　　二系抗蛇行液压减振器阻尼力（振动速度为0.1m/s）9810N

　　耦合减振器阻尼力（振动速度为0.01m/s）2943N

　　基础制动

　　制动缸直径254mm

　　制动倍率5.04

　　制动缸压力260kPa

　　1.3动力转向架零部件质量分配

　　动力转向架的各部分质量分配如表2所示。

　　表2动力转向架零部件质量分配kg

　　名称质量

　　一位转向架14432

　　二位转向架14312

　　构架1498

　　轮对1388×2

　　基础制动165×2

　　驱动制动单元（包括制动圆盘）3914×2

　　弹簧悬挂装置755

　　牵引电机安全托80.5

　　管道布置65.5

　　轴箱装置（带接地保护）195.7×2

　　轴箱装置（带防滑保护及ZWG）180.5

　　轴箱装置（带防滑保护及LZB、ZWG）183

　　LZB天线托座（一位转向架）12

　　牵引装置224.4

　　排障器（一位轮对）114.1

　　其中主要零件质量（单件）

　　车轴359

　　车轮509

　　轴箱体95

　　轴承37

　　轴箱拉杆10.9

　　一系圆簧14.4

　　二系圆簧79.3

　　一系垂向液压减振器15

　　二系垂向液压减振器16

　　二系横向液压减振器18

　　二系抗蛇行减振器24

　　耦合减振器22

　　注：

LZB——连续式列车自动运行控制装置；ZWG——位移、速度控制装置。

　　2轮对双空心轴传动和驱动制动单元

　　2.1轮对双空心轴驱动

　　ICE轮对双空心轴驱动机构由BBC轮对空心轴驱动装置发展而来。

轮对双空心轴机构由内外空心轴及六连杆机构组成（见附图）。

内空心轴一端与外空心轴一端由六连杆机构联接，内空心轴另一端与轮对一侧车轮的轮辐也由六连杆机构联接。

　　外空心轴上安装有驱动齿轮和制动盘，用以传递驱动力矩和制动力矩。

内空心轴做成锥形结构，以节省运动空间。

六连杆机构由连杆和连接盘构成，在各连杆两端装有球形橡胶关节。

由于球形橡胶关节有较大的径向刚度和较小的回转刚度，因而轮对双空心轴机构具有较大的驱动刚度。

此外，橡胶元件同空心轴及连杆的联合作用，使轮对在小阻尼力情况下可自由地沉浮和单跳。

　　轮对双空心轴的驱动电机半体悬结构，可使转向架簧下质量减到最小，适应高速运行的需要。

由于具有较大的驱动刚度，也可适应大功率、大牵引力的动力转向架需要。

　　为适应轮对相对驱动装置的各种运动，轮对双空心轴的轴与轴间，比架承式转向架需更大的径向间隙。

为减小不平衡力对转向架的影响，空心轴机构在内外空心轴轴线对中时，应保证一定精度的动不平衡量。

　　2.2驱动制动单元

　　ICE动力转向架采用了UmAn转向架的驱动制动单元结构，将驱动电机、基础制动、齿轮传动系统合为一体；牵引电机、齿轮箱、制动横梁和托架形成一个框形结构，构成驱动制动单元（见附图）。

驱动制动单元设计时尽量考虑其轻型化，并使其转动惯量最小。

　　驱动制动单元牵引电机端用橡胶关节吊挂在车体上，基础制动横梁端用2根两端带有橡胶关节的铝制摆杆吊挂在构架端梁上，形成半体悬悬挂方式。

其中约三分之二的质量吊挂在车体上，三分之一的质量吊挂在构架上。

　　驱动制动单元横向由耦合减振器与车体相连，并与上述摆杆构成等效弹性系统，用以衰减转向架在高速运行时由驱动单元引起的横向振动。

　　驱动制动单元吊挂的橡胶关节设计，应保证转向架动力驱动性能，同时保证转向架相对车体自由运动而不受约束。

　　齿轮传动系统为带中间齿轮的一级降速系统，传动比为1∶2.586，齿轮采用人字齿轮。

齿轮箱为承载式剖分式箱体，用以承载驱动反力矩和便于安装。

传动链中，从动齿轮由螺栓联接在外空心轴上；外空心轴由托架端的深沟球轴承和齿轮箱端的无挡边圆柱滚子轴承支承。

由于人字齿轮可以自动对中，因此中间介轮轴承需用无挡边圆柱滚子轴承支承，实现中间介轮轴向浮动。

传动链的轴向由托架端的深沟球轴承实现轴向定位。

传动系统采用OPTIgear220号润滑油润滑。

　　ICE动力车制动盘采用三件式盘、毂连接装置。

制动盘用螺栓安装在过渡毂上，毂采用过盈配合安装在外空心轴身上。

每轴2个制动盘，盘直径为750mm，厚40mm；制动盘采用特别耐热的铸造合金钢（后改成锻钢），制动闸片采用粉末冶金材料。

制动缸采用具有空气制动、停车储能制动和闸片间隙调整功能的三合一制动缸。

弹簧储能制动能保证单机在40‰的坡道上制停。

　　制动盘及闸片的性能大大优于传统的灰铸铁或球墨铸铁制动盘和有机材料制成的闸瓦。

在高温下具有良好的耐磨性能，摩擦系数基本不受湿度、温度及压力等影响；具有较高的热稳定性和微小的湿敏感性；在尺寸相同的条件下，可比传统制动盘多吸收40%的制动能；在250km/h下常用制动时，通过热力学计算得到的闸片温度为280℃；在350km/h紧急制动时，计算所得的闸片最终温度为400℃。

　　为了减轻重量和转动惯量，驱动制动单元的齿轮箱体和托架均采用高强度铝合金铸造而成。

　　3一、二系悬挂

　　3.1悬挂方式

　　ICE转向架悬挂方式为一系硬二系软，静挠比为0.177∶0.823。

　　一系需较大的垂向刚度，采用有效圈数1.5的螺旋弹簧；弹簧下端装有圆形平橡胶垫，橡胶的主要作用是防止电流直接通过轴箱轴承，腐蚀轴承，并可以隔离部分轮轨传递上来的高频振动。

每轴箱安装2个一系弹簧，并联1个垂向液压减振器。

一系弹簧结构参数为簧径37mm，中径217mm，有效圈数1.5，弹簧自由高164.4mm，弹簧工作高128mm，当量摆杆长度16.2m，当量摆频率3.92Hz。

一系弹簧在工作高条件下，应力为563.4MPa，极限工作应力为1096.3MPa，材料为50CrV4（DIN17221）。

　　二系采用高挠螺旋钢弹簧。

转向架每侧2根二系弹簧并联1个垂向液压减振器、1个横向液压减振器和1个抗蛇行减振器。

二系弹簧两端装有圆形平橡胶垫。

二系弹簧两端采用固定定位方式，具有较高的弹簧稳定性。

橡胶垫主要作用是隔离高频振动。

在弹簧受横向力时，橡胶垫不能起降低弹簧剪切应力的作用。

ICE二系高挠圆簧是一种在高应力状态下工作的弹簧，在工作高度下，应力为781MPa，运行时要承受着20%左右的垂向动负荷和转向架相对车体回转的横向变形载荷，极限工况下应力可达1118MPa。

高应力的高挠圆簧的制造需要较复杂的工艺手段。

　　二系采用具有横向特性软的高挠圆簧并联抗蛇行减振器，可以大大改善高速下的横向动力学性能及曲线通过性能。

　　高挠圆簧的结构参数为：

弹簧中径242mm，簧条直径46mm，有效工作圈数7，自由高度613.1mm，弹簧工作高444mm，当量摆杆长度404.9mm，当量摆频率0.78Hz。

所采用的材料为51CrMoV4（DIN17221）。

　　3.2轴箱定位方式

　　轴箱采用单侧轴箱拉杆定位。

轴箱拉杆两端采用球形橡胶关节。

由于橡胶关节径向刚度大，回转刚度小，因而轴箱纵向具有较大的定位刚度，且轴箱相对构架能自由地沉浮及绕本身轴线回转。

　　该种结构的特点是，结构简单，且可实现一系纵向、横向弹性参数相对独立。

这对于高速动力转向架是十分重要的，因为可根据设计需要方便准确地调节纵、横刚度比例。

该转向架一系纵向刚度大，横向刚度小，有利于提高临界速度，保持驱动系统稳定，提高粘着利用率，改善曲线通过性能。

　　4牵引装置

　　ICE采用低位拉压牵引杆传递牵引力和制动力。

牵引杆长为1880mm，为可分式，以便转向架装配和互换。

牵引杆杆身为空心结构，杆身两端用法兰、螺栓同两端铰支座相联接。

铰支座用凸台同车体、转向架牵引端梁定位，用螺栓联接。

铰支座内装有壁厚较厚的圆筒式橡胶元件，以使牵引杆能有效地传递牵引/制动力，对转向架相对车体的各种运动无约束，并可以缓冲动力车牵引或制动过程中的冲击。

牵引杆距轨面380mm低位水平布置，以提高粘着利用率，减小轴重变化。

　　5转向架构架

　　转向架构架为ST52钢焊接成箱形梁组成的框形结构，无中间横梁，质量为1498kg。

　　构架侧梁中间部分下凹，以适应二系高挠圆簧的安装。

侧梁中间部分横断面尺寸为300mm×320mm，两端的横断面尺寸为300mm×200mm，并由小到大中间过渡，形成等强度梁，主要承受弯曲和拉压载荷。

轴箱拉杆座为铸造结构，与侧梁下盖板对接焊成一体。

这种结构可以提高轴箱拉杆座的整体刚度，并可改善侧梁的焊接工艺。

侧梁上盖板两端焊有限定转向架相对车体回转角止挡；中部设有二系垂向和横向止挡；侧梁外侧面焊有一系垂向、二系垂向及抗蛇行减振器座。

为提高减振器座处的局部刚度，提高耐疲劳特性，在上下盖板相对应处均设有凸耳。

　　构架牵引端梁为下凹结构箱形梁，两端与侧梁对接焊接；断面尺寸约为300mm×214mm；端梁中部设有驱动单元吊杆安装的矩形孔，下盖板设有牵引杆安装座。

　　构架非牵引端梁为直箱形梁，两端与侧梁对接焊接，断面尺寸约为300mm×200mm；端梁中部设有驱动单元吊杆安装的矩形孔。

　　对框形构架的分析表明，该构架具有较大的抗弯刚度和较小的抗扭刚度。

有关资料认为这是一种柔性构架。

　　6轮对轴箱

　　6.1轮对

　　轮对采用空心车轴，整体车轮注油压装装配。

轮对内侧距为1360+1mm，落车前为1362+1mm。

　　车轴材料为25CrMo4，结构尺寸为轮座208mm，轴身188mm，轴颈150mm，内孔直径80mm，车轴长2250mm，轮座长度170mm。

轮座与轴身过渡处采用R75和R15的过渡圆弧以提高车轴疲劳强度。

轮座处采用喷钼处理，以方便车轮拆卸，并可改善车轮在交变应力下工作时轮座端部抗微动磨损的能力。

轮轴组装后，轮座内侧与轮毂内侧面形成一定的凸悬量，以提高轮座的抗疲劳强度。

　　车轮采用R8钢材的整体车轮。

车轮踏面为S1002踏面，滚动圆直径1040mm，轮缘高28mm。

轮辐断面呈梯形，一端厚约为28mm，另一端厚约为38mm。

注油孔距轮毂内侧面74mm，与轴线呈70°角。

车轮轮辋两侧设有静平衡配重环形槽。

　　轮对组装除注油压装外，也可采用冷装或热装。

冷装压入力为830kN～1130kN，热装温度为250℃～270℃。

热装后需反压装检查，每24对抽查一组，在热装后48h，进行反压装检查，反压力为1040kN。

轮对组装时，两侧车轮的剩余不平衡量应在同一方向。

　　整体车轮和空心车轴的采用可以使轮对较带箍车轮轻180kg左右。

这对簧下质量而言，是一个可观数值。

整体车轮的另一个优点使转向架能在高速工况下可靠运转，避免轮箍弛缓或崩箍造成的恶性事故。

磨耗踏面的采用可大大减小维修工作量，与锥形踏面比，其走行公里数可为锥形踏面的7～10倍，轮对的使用寿命可达120万km。

　　6.2轴箱

　　轴箱采用铸钢轴箱体和SKF/FAG双列圆锥滚子轴承单元TBU150。

这种轴承具有低的内摩擦损失，在高速运行中可保持轴承温度在60℃～80℃的范围内，可延长轴承脂的使用寿命。

TBU轴承单元，采用K3GLDIN51502锂皂化滚动轴承润滑脂，至少运行120万km后再更换，在走行60万km后，加油并更新部分油脂。

　　在高速运行条件下，圆锥滚子轴承较圆柱滚子轴承有着更明显的优越性。

在直线上高速运行时，轴承的轴向间隙将影响动力车的横向运行平稳性和临界速度。

分析计算表明，轴承的轴向游动量越小越好。

要实现分析计算的期望状态，必须采用圆锥形轴承。

而圆柱滚子轴承，由于结构的原因，必须留有一定的轴向间隙。

当机车在曲线上运行时，轨道对车轮的横向作用力将由轴承轴向受力传递给构架。

对圆柱滚子轴承来说，其轴向力是由轴承挡边传递。

当轴向力增大时，摩擦力矩将随轴向力线性增大，轴承温度也随之快速升高。

而对于圆锥滚子轴承，其所受横向力由滚子锥面及轴承内外圆锥形滚道承担。

试验表明，当轴向力小于10kN时，摩擦力矩一直保持一常数，只有当轴向力大于10kN时，摩擦力矩才随轴向力的增大而线性增加。

FAG公司曾对圆柱和圆锥滚子轴承进行曲线模拟对比试验30min，证实圆柱滚子轴承比圆锥滚子轴承温升要高。

　　轴箱内装有轴温检测传感器用于故障诊断。

轴头装有接地装置用以传输回路电流或轮对防空转检测装置及速度传感器电流。

　　7转向架的主要运动间隙

　　表3转向架的主要运动间隙

　　一系垂向止挡间隙25mm

　　一系横向止挡间隙10mm

　　二系垂向止挡间隙30mm

　　二系横向止挡间隙40mm

　　自由间隙20mm

　　弹簧间隙20mm

　　摇头止挡限制角3.8°

　　点头止挡限制角1.5°

　　驱动单元摇头止挡间隙30mm

　　车轴自由横动间隙0

　　ICE转向架在研究过程中进行了大量的线路对比试验以验证设计思路，确定最佳结构匹配方案。

1982～1988年分别对DE2500机车的UmAn转向架以及ICE/V动力转向架进行了多次线路试验。

测试表明，ICE/V转向架无论在直线上高速运行还是在具有较大未平衡横向加速度的曲线上运行，轮对横向力均远小于62kN极限值，转向架具有高的临界速度。

综上所述，可以看出该转向架结构上具有以下特点：

（1）转向架各运动关节均采用无磨耗的橡胶元件，使转向架无摩擦损耗。

（2）车轮采用磨耗形踏面，可延长车轮使用寿命，减小旋轮次数，并可改善曲线通过性能。

　　（3）采用轮对空心轴驱动方式，驱动单元半体悬，可使转向架簧下质量降至最小。

轮对双空心轴所具有的较大扭转刚度，可保证动轮驱动系统具有很高的粘滑振动稳定性，实现高粘着利用。

　　（4）整体车轮和空心车轴可有效地降低簧下质量，并提高转向架高速运行的可靠性。

　　（5）牵引装置采用可分式推挽单牵引杆，低位牵引，可降低轴重转移，提高粘着利用率及减小轮缘磨耗。

　　（6）二系采用横向刚度小的高挠螺旋高圆弹簧配垂向、横向和抗蛇行液压减振器，可有效地改善动力车直线高速运行的垂向和横向动力学性能及曲线通过性能。

　　（7）一系采用单拉杆为轴箱纵向定位，利用圆弹簧的横向特性为轴箱横向定位，使一系纵横弹性参数相对独立，可准确地实现一系纵横刚度参数匹配，提高转向架直线运行稳定性，改善曲线通过性能。

　　（8）基础制动采用盘形制动，大大地提高了制动能力，并消除了踏面制动对车轮踏面的损伤。

　　（9）交流牵引电机可实现大功率的牵引，并可以有效地减轻质量，减小结构空间，减少电机维护，延长使用寿命。

交流电机的硬驱动特性，可有效地改善驱动性能，提高抗粘滑振动的能力。

　　（10）转向架齿轮箱、托架、轴箱拉杆及驱动单元吊杆均采用高强度轻金属材料，有效地减小了转向架质量。

　　上述结构特点、线路试验和多年的运营历史表明，ICE动力转向架具有最小簧下质量，高粘着利用率，高运行寿命，小维护工作量，低轮轨动作用力，优良的直线高速性能，良好的曲线通过性能和高的抗干扰特性。

该转向架是一种集现代动力转向架先进技术为一身，具有高技术、高品质的高速动力转向架

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