既有地铁车辆和转向架提速改造的技术分析

黄远清，苏 强，穆晓军，付曹政，王 业，李 颖

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100044）

1 引言

目前，我国各大城市的大多数地铁车辆最高运营速度为80 km/h。然而，随着近几年来城市地域规模的扩大、生活区域加大以及生活节奏的加快，人们对地铁的运营速度提出更高的需求。北京地铁19号线、上海地铁16号线、广州地铁3号线、深圳地铁11号线、杭州地铁16号线等最高速度都已经达到120 km/h，同时正在新建的杭州地铁19号线设计最高运营速度也要求为120 km/h，目前，北京地铁15号线车辆增购项目、6号线车辆增购项目、亦庄线车辆增购项目也都同时提出将车辆最高运营速度提高到120 km/h的需求。所以，提高地铁线路和车辆的最高运营速度也成为一种趋势。

当前，正在运营的地铁车辆数量众多，如果仅为提速，将其全部更换为新型高速车辆不符合现实情况。因此，通过对既有地铁车辆进行改造来提高运营速度是一种相对最优的解决办法。对既有车辆和转向架进行改造，既能节省增购车辆所花费的成本，也能够尽最大可能保持车辆的一致性和互换性。

2 转向架和车辆的提速改造

2.1 转向架和车辆结构介绍

某地铁车辆的转向架分为动车转向架和拖车转向架，两者均为无摇枕转向架。2种类型转向架上均安装有车轴、车轮、轴箱轴承、轴箱及基础制动等装置，同时，在轮对轴箱装置与构架之间安装一系悬挂装置；在构架和车体之间安装有二系悬挂装置和牵引装置等。另外在动车转向架上还装有牵引电动机、联轴节、齿轮传动装置等驱动装置，外观如图1和图2所示。

图1 动车转向架示意图

图2 拖车转向架示意图

某地铁车辆为B型车辆，设计最高运营速度为80  km/h，其限界满足既有运行线路运营要求，整车采用3动3拖车辆形式，车体采用不锈钢材料，密封性良好。同时，车体上装有车门、贯通道，车下设置车辆穿线孔等，车辆结构如图3所示。

图3 车辆结构示意图

2.2 驱动装置提速改造分析

速度为80km/h的既有车辆转向架驱动装置安装方式为牵引电机架悬式固定在转向架构架上。齿轮传动装置采用轴悬式，一端通过支撑轴承安装在车轴上，而另一端通过吊杆弹性地连接在转向架构架上。每个转向架配置有2个轮对，每个轮对由车轮、车轴及降噪阻尼环等组成。轴箱装置由轴箱体、轴箱轴承等组成。

当车辆提速至120 km/h后，对于牵引电机而言，如果保持不变，则电机轴承转速就会加快，转速变快必然导致温度增高和振动噪声加大，以致电机的热平衡温度不再是保证轴承寿命的最佳温度，从而引起轴承寿命缩短。同时，所需的牵引逆变器容量会增大，牵引系统中的主电路电流跟着变大，滤波电抗器的额定电流也会增大，伴随而来的是漏磁量的增大，从而导致电磁干扰增大，增大后的电磁干扰是否还在这些设备的最大承受范围内，则需进一步探究，因此单纯提速会存在一定的风险。尤其是当车辆提速到80～120 km/h区间后，列车的等效电流变大，会对供电系统产生较大的影响，牵引电制动特性也会发生变化。所以在提速改造前，需要对牵引系统重新进行实际线路测试和仿真，检查这些设备及参数是否可以满足提速后持续运营要求。

对于齿轮传动装置，在设计时需对齿轮承载能力、齿轮箱箱体和吊杆强度进行计算校核。由于齿轮承载能力校核是按GB/T 3480-1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》中80 km/h最恶劣的工况进行，并按电机短路扭矩计算静强度和按电机启动扭矩计算疲劳强度，但提速到120 km/h后轮齿计算使用的动载系数会根据提速到120 km/h的轮齿转速工况选取，会对计算结果产生一定影响。由于齿轮箱箱体和吊杆的强度计算是按额定扭矩工况、启动扭矩工况、短路扭矩工况对箱体进行有限元强度计算，在计算过程中未使用到速度这个参数，所以提速后不会对齿轮箱和吊杆的强度产生影响。但是由于提速后，尤其是在80～120  km/h速度区间内，齿轮转速提高，轮齿啮合频率增大，激振频率增大，齿轮箱的轴承温度升高、使用寿命减少，齿轮箱的振动和噪声加大，同时既有齿轮箱的迷宫密封结构和接触密封结构的密封能力减弱，箱体内油气会恶化。综合分析可知，虽然存在提速后如上所述的不同风险，但是假如电机输出功率没有变化，转速提高后，输出扭矩反而减少，对轮齿强度、齿轮箱箱体和吊杆的强度影响有利，后续可以通过对既有齿轮传动装置进行相应型式试验来进一步验证。

对于联轴节，在设计时需对联轴节的强度和变位能力进行计算校核。由于在计算联轴节强度时按电机短路扭矩计算静强度，按电机启动扭矩计算疲劳强度，假如电机不改造升级时，联轴节的强度是可以满足相关要求，同时相关计算中也未涉及速度，所以提速改造后不会对联轴节强度产生影响。由于计算联轴节的变位能力是依据一系悬挂参数、牵引电机和齿轮传动装置的相关结构和尺寸以及电机的悬挂方式来计算的，也未涉及速度，故提速改造后不会对联轴节产生影响，可正常使用，但需要对联轴节进行相应的型式试验（如在80～120 km/h速度区间内）进一步确认。对于车轴，在设计时根据 EN 13103-2010《铁路应用-轮对和转向架-非动力轴设计方法》和EN 13104-2010《铁路应用-轮对和转向架-动力轴设计方法》进行强度计算。在强度计算时，把轴重、簧下质量、车轮踏面滚动圆间距离、车轴中心至车辆重心间的高度、左右轴径载中心距、车轮半径、齿轮箱重心与近齿端滚动圆距离、制动压力、齿轮箱质量、车轴材质、制动摩擦系数作为输入参数，虽然输入参数中制动摩擦系数跟速度有一定关系，但是计算时是采用最恶劣的摩擦系数，这样计算出的结果跟速度没有直接关系，因此，车辆提速后车轴可正常使用，但是需要对车轴进行相应的型式试验来进一步确认。

对于车轮，在设计时依据UIC 510-5-2007《整体车轮技术认可》和TB/T 3463-2016《铁道车辆车轮强度评定方法》进行计算，把轴重、最高运营速度、轮对内侧距、车轮直径、车轮磨耗到限直径、制动方式、车轮材质等参数作为计算分析的输入参数。由于最高运营速度提高到120 km/h时，计算产生的车轮制动热载荷已不能满足车轮的规定值。通过综合分析，既有的踏面制动方式已经不能满足100 km/h地铁车辆的频繁制动要求。因此，需要更换制动方式。

对于轴箱轴承及轴箱，在计算轴箱轴承寿命时依据轴重、簧下质量、最大速度、新轮直径、磨耗轮直径、轴颈配合等参数和综合实际运营经验进行计算。因此，由于计算的最大速度与轴承的寿命有直接的关系，在提速到120 km/h后，轴承的寿命会缩短，所以需要对轴箱轴承进行相应的计算和型式试验来进一步确认。在计算轴箱强度时依据UIC 615-4-2003《动力元件-转向架和走行装置-转向架构架的结构强度试验》和EN 13749-2011《铁路应用-轮对和转向架-规定转向架构架结构要求的方法》进行计算分析，虽然在计算中所施加的载荷跟轴重及选取的动载荷系数相关，但是由于动载荷系数取较大值，故提速改造后不会对轴箱产生影响，可正常使用，但需要对轴箱进行相应的型式试验来进一步确认。

综上所述，为应对车辆提速改造，车辆驱动装置改进应从以下几个方面进行考虑：由于踏面制动无法满足车辆提速后的要求，需将原有车轮改造成带有制动盘车轮；根据电机是否需要改动的情况，判断电机轴承和齿轮箱轴承是否需要重新选择和校对；需对齿轮箱的箱体结构和强度、吊杆强度和结构进行校对，轮齿重新设计，迷宫密封结构改进以便散热，并对密封件材料重新选择以满足寿命；根据悬挂参数和结构尺寸是否改动，重新选择联轴节；根据提速后动力学性能指标的计算结果判断是否需要改动轴箱结构及定位方式等；另外，与构架相关结构均需进行相应调整改进并对涉及的相应部件做进一步计算和试验。

2.3 基础制动装置提速改造分析

既有80 km/h的转向架的基础制动装置，采用踏面单元制动，其中部分带停放制动功能。基础制动装置主要由踏面制动单元、闸瓦、手动缓解拉线以及制动管路组成。每台转向架装有4套制动单元，其中2套制动单元带有停放功能，同一功能的制动单元分别于转向架对角安装。

当车辆提速至120 km/h后，需要对车辆的热容量，制动装置供风量和制动力进行重新计算。

四是切实加强前期工作质量管理。随着国家行政审批制度改革的深入，一些项目前期工作的审批权可能由中央下放地方管理，这为水利勘测设计质量的监督和管理提出了新的挑战，要研究适应新形势、新要求的行业监管机制。积极推动注册土木工程师（水利水电工程）执业资格制度实施，继续开展行业信用等级评价，把好市场准入关。同时，继续开展水利前期工作成果质量评价，加强面上水利工程前期工作的指导和培训，促进水利工程勘测设计质量提高。

根据既有车辆的热容量计算报告，依据轴重或者载荷、初始速度、平均减速度、线路及坡道、站间距、站停时间、初始温度、车轮和闸瓦材质尺寸进行分析计算。因此，由于初始速度的提高，需要重新计算热容量，现从2方面考虑计算。首先，从温度角度考虑，根据TB/T 2403-2010《铁道货车用合成闸瓦》中的规定，踏面制动摩擦副局部温度不应超过400 ℃。另外，在评价列车长时间处于较高温度热负荷仿真结果时，一般建议踏面制动摩擦副温升不超过300 ℃。通常情况下闸瓦最高使用温度超过300 ℃后，其磨耗量会显著增加，闸瓦寿命随之大幅缩短。其次，从热应力角度考虑赫兹接触应力和热应力共同作用引起的车轮损伤，如果车轮踏面热应力位于赫兹接触应力和热应力共同作用的安全区域，则车轮踏面处于正常磨耗状态；如果车轮踏面热应力位于赫兹接触应力和热应力共同作用的半危险区域，车轮踏面损伤会加剧，此情况只可允许偶尔出现；如果车轮踏面热应力位于赫兹接触应力和热应力共同作用的危险区域，将导致车轮踏面异常损伤，这种情况是不允许出现的，由此可见，速度100 km/h及以上的地铁车辆的基础制动不适宜采用踏面制动。

根据既有线路条件及车辆基础制动装置的相关参数，以最高运营速度80 km/h和100 km/h模拟连续2 次紧急制动，其摩擦副温度曲线如图4 所示。以最高运营速度80 km/h和100 km/h模拟正线运营一个往返，其摩擦副温度曲线如图5所示。两者最高温度对比见表 1。依据文献[3]结论得到踏面制动方式已经不能满足100  km/h 和 120 km/h 地铁的频繁制动要求。

图4 不同车速踏面制动2次紧急制动摩擦副温度曲线

图5 不同车速踏面制动模拟运营摩擦副温度曲线

表1 不同车速踏面制动热容量计算温度对比分析 ℃

根据既有车辆的制动装置供风量计算报告，供风量计算主要依据制动缸、制动管路、空气弹簧和泄露量等情况，同时结合在空压机均出现故障的情况下，基于安全考虑，车辆风缸容量能够满足一定次数紧急制动。因此，由于在计算中不涉及到最高运营速度，所以提速不会对车辆供风量产生影响，但需要进行相应的试验进一步验证。

根据既有车辆的制动力计算报告，制动力计算主要依据车辆载荷、运行速度、制动工况、制动方式、故障模式、动力制动和空气制动的匹配、轮轨黏着特性、热负荷能力、风源供风能力、风缸容积等情况进行。由于提速导致轮轨黏着特性变化，制动距离变化，所以需要对制动力重新进行计算。

综上所述，由于既有踏面制动方式不能满足提速到120 km/h的相关要求，根据行业内常用措施，可把踏面制动方式改为轮盘制动。同时对热容量、制动力计算，结果显示轮盘制动满足120 km/h的相关要求。由于制动方式改变，需要将车轮更换为带制动盘的车轮，并对构架上制动吊座接口结构和尺寸及相应的空间进行校对等。

2.4 悬挂装置提速改造分析

速度为80 km/h的既有车辆的悬挂装置由一系悬挂装置和二系悬挂装置组成。一系悬挂由圆锥橡胶弹簧、调整垫和压盖等组成，圆锥橡胶弹簧能使轴箱在纵向、横向和垂直方向实现无间隙、无磨耗的弹性定位，并承受3个方向的载荷。二系悬挂由组合式空气弹簧、横向油压减振器、自动高度调整阀、差压阀、调整垫、调整杆等组成。

根据某80 km/h地铁车辆的动力学计算报告及UIC 505-5《UIC 505-1至505-4通用基础条件、注释及其规定》和GB/T 5599-2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》，对车辆稳定性（脱轨系数、轮轨减载率、轮轨横向力、横向稳定性）、运行品质（垂向加速度和横向加速度指标）、运行平稳性（平稳性指标和舒适性指标）进行分析。根据既有车的计算报告，计算出车辆的临界速度在AW0工况为163 km/h；在AW2工况为178  km/h；在 AW3 工况为 198 km/h。所以车辆在临界速度指标上能够满足提速到120 km/h的要求。

根据报告，对于平稳性指标，选择最恶劣工况下进行计算的结果为：当车辆速度为100 km/h时，采用美国5级线路谱，直线状态下计算点选在一位端和二位端转向架中心上方距车体中心横向1 m车体地板面上，在AW0工况下横向和垂向分别为1.952和1.632；在AW2工况下横向和垂向分别为1.761和1.498；在AW3工况下横向和垂向分别为1.721和1.442。此6种工况下，计算出的数值均小于2.5（GB/T 5599-2019的优级）。对于车速为120 km/h的情况，虽未有对应的计算，但根据临界速度和线性比例推算，平稳性指标满足2.5的可能性很大，但需进一步核算。

根据报告，对于运行品质指标，选择最恶劣工况下进行计算的结果为：当车速为100 km/h时，在AW0工况下横向和垂向的加速度分别为0.346 m/s2和0.295 m/s2；在AW2工况下横向和垂向的加速度分别为0.245 m/s2和0.248 m/s2；在AW3工况下横向和垂向的加速度分别为0.296 m/s2和0.227 m/s2。计算出的此6种工况数值均小于2.5 m/s2（GB 5599-2019的规定值）。对于120 km/h的情况，虽未有对应的计算，但根据临界速度和线性比例推算，运行品质指标满足加速度为2.5 m/s2的可能性很大，但需进一步核算。

综上所述，针对既有车辆稳定性、运行品质和运行平稳性在提速以后能否满足标准规定指标，需在既有线路和既有车辆上进行相关动力学性能试验。假如试验测试结果变化幅度较大，则需进行仿真计算来优化或改动相关结构及参数，如一系簧刚度和阻尼、二系簧垂向刚度和阻尼、二系簧水平刚度和阻尼、二系横向减振器阻尼、转臂式轴箱定位结构及定位刚度、构架上相关接口结构等，最后进行相关试验以满足标准规定要求。

3 车辆限界提速改造分析

车速 80 km/h 的既有车辆满足 CJJ/T 96-2018《地铁限界标准》、GB/T 50157-2013《地铁设计规范》和既有线路的车辆限界的相关要求，对车辆提速到120 km/h进行分析。

根据CJJ/T 96-2018，车辆运行速度只影响计算参数，不体现在计算公式中。而运行速度影响的计算参数有一系弹簧横向弹性变形量、二系弹簧横向弹性变形量、车体横向振动加速度及一、二系垂向动挠度。因此，对提速影响的计算参数，除车体横向振动加速度以外，其余参数均使用极限进行计算，不会对车辆限界造成变化。根据动力学计算报告，当提速到120 km/h时，车体横向振动加速度加大，导致计算出来的车辆限界会产生变化，所以需要对提速后的车辆限界进一步的计算。

另外，由于车辆速度等级的提高，车辆限界计算工况调整，车辆瞬时超速计算速度从90 km/h提高到132  km/h，站台作业模式也改变，A1、A2、B1、B2 型车辆轨道最大超高值需要从120 mm改动到150 mm，相应的限界计算结果需要做一些调整。

提速后车辆限界改造方案需针对计算出的车辆横向振动加速度和车辆轨道最大超高值对车辆限界的影响情况进行设计，如满足车辆限内界要求，无需进行结构改造，如不满足，进行相应车辆结构改动。

4 车辆气密性提速改造分析

根据既有车辆结构，对车辆提速到120 km/h后车辆气密性进行分析。对于车速80 km/h既有车辆所使用的车门中常规塞拉门通过胶条进行密封，而既有设计的胶条压接接触面积和压紧变形量存在结构限制，致使密封性能较低，无法满足更高速度等级的车辆运行密封性要求。同时，对于贯通道两端的连接，由于既有密封胶条唇部压缩量、车体平面误差的存在，可能无法满足高速度等级的车辆的高密封性要求。对于穿车体的一些开孔，如穿线孔、减重孔等，因速度等级提高可能会出现啸叫等问题。这些情况的客观存在，会在一定程度上对气密性造成一定的负面影响。

根据参考文献[4]的描述，车辆速度的提升导致车辆客室内部的压力波动幅度也相应增加，会直接影响到司乘人员乘坐舒适性。

针对以上问题的改造方案是先对提速后的车门气密性和噪声进行相应的试验，根据试验结果提高车门的气密性要求，采用较好的胶条密封，同时在工艺上采取增大打胶量和保持胶量的均匀等措施。

5 结论

（1）通过分析某正在运营80 km/h地铁车辆和转向架，认为不能未经改造直接将车辆最高运营速度从80  km/h 提速到 120 km/h。

（2）提速至120 km/h后，需要对驱动装置进行计算和校核，并通过相应的型式试验验证后，再确定是否可以不进行改造直接提速。

（3）提速至120 km/h后，需对转向架基础制动装置进行设计改造，将其改造为盘形制动装置，同时改造构架和车轮等。

（4）提速至120 km/h后，需在既有线路上对既有车辆的动力学性能进行试验测试和仿真计算，通过计算结果来确定是否需要改造悬挂参数或悬挂方式，甚至构架等。

（5）提速至120  km/h后，需对车辆的限界、车辆密封性进一步试验和计算验证后，再确定是否需要改造超限界部分、密封材料和密封结构等。

（6）对最高运营速度从 80 km/h 提高到 120  km/h 的转向架和车辆所涉及到的相关技术要点和风险点进行总结，为后续具体方案实施提供一定的参考。