低地板车辆转向架主要技术特点

2013-12-31钟敏金伟楚永萍

铁路技术创新 2013年6期

■ 钟敏金伟楚永萍

低地板车辆因其绿色环保、方便快捷的特点在欧洲得到广泛应用。随着我国城市化进程的推进，其又以投资小、见效快，越来越受到国内城市的关注，并逐渐进入快速发展时期。但我国低地板车辆核心技术的发展相对薄弱，许多关键技术还不够成熟，特别是转向架这一核心技术，还有待于行业内深入研究。从低地板车辆编组及转向架各主要部件结构特点方面进行剖析，阐述低地板车辆转向架的主要技术特点。

1 低地板车辆编组形式

车辆编组是轨道车辆非常重要的技术参数，需要考虑车辆服役的环境、线路及客流量等因素，决定了转向架与车体间的接口及运动关系，直接影响转向架总体方案和结构设计。因此确定转向架方案之前，应确定车辆的编组形式。由于低地板车辆经常穿梭在城市中心的大街小巷，线路曲线非常小，最小平面曲线半径可小至25 m，竖曲线半径可小至几百米。因此，低地板车辆一般不采用传统地铁车辆的编组形式，而是采用铰接车体的编组形式，曲线通过主要依靠相邻车体间的铰接机构的转动自由度来完成。目前主流的低地板车辆编组形式有3种。

1.1 6轴3车体70％低地板车辆编组形式

如图1所示，编组中有3个车体，两端为长车体，中间为短车体，每个车体下设有一个转向架。两端为动车转向架，由于电机和齿轮箱传动装置空间原因，转向架上部地板面为高地板区域，其余区域均为低地板（拖车转向架上方过道为低地板区域，其余区域布置座椅）区域，低地板区域面积占车辆客室内总面积的比率可达70％左右（70％低地板因此得名）。

按这种方式编组的车辆通过曲线时，动车转向架与车体有较大转角，一般采用摇枕结构，且需采用旁承承载以保证车辆稳定性；中间拖车转向架与短车体无相对转角，通过车端铰接的引导，和短车体一起自动趋于径向位置。

1.2 6轴5车体100％低地板车辆编组形式

如图2所示，在这种形式的车辆编组中，有5个车体，分3种模块，两端为司机室模块，中间2个长车体为悬浮模块，中间一个短车体为转向架模块。司机室模块和转向架模块各有一个转向架支撑，过曲线时，车体和转向架之间无转角。

这种编组方式应用最为广泛，庞巴迪、阿尔斯通100％低地板车辆均采用这种编组方式。优点是车内空间非常宽敞，且转向架数量较少，有利于成本控制；不足是车体质量由铰接机构承担，工况恶劣，应特别关注铰接机构和车体端墙强度。

1.3 “2+2”100％低地板车辆编组形式

如图3所示，这种编组方式每个车体中间都有一个转向架，一般以2个车体为基本编组单元，可方便扩编为4车体、6车体甚至是8车体。西门子100％低地板车辆一般采用这种编组方式。

这种编组方式的优点是由于没有悬浮车体，车体质量靠转向架承担，铰接机构不承受额外的垂向载荷，铰接机构和车体端墙应力小，寿命长；车体模块少，扩编方便。不足是车体内部空间不够宽敞，车辆包络线较大，车体宽度受到一定限制。

2 低地板车辆车体铰接结构

铰接机构是低地板车辆的关键技术，与车辆动力学性能优劣有直接关系。铰接装置主要分为3种：固定铰、转动铰和自由铰。

2.1 固定铰

固定铰可以提供3个方向转动自由，限制3个方向的平动自由度，因此可以承受垂向、纵向和横向载荷，一般用做下铰（见图4）。

2.2 转动铰

转动铰只提供绕Z轴方向的转动自由度，其余方向自由度均被约束，一般用做上铰（见图5）。

2.3 自由铰

自由铰一般为一根两端带关节的拉杆，既可以提供绕 Z 轴方向的转动自由度，又可以提供Y 轴方向的平动自由度，一般用做上铰（见图6）。

2.4 铰接装置的配置

图7所示为应用最为广泛的6轴5车体编组铰接装置布置之一。下铰均采用固定铰，上铰有转动铰和自由铰。采用固定铰和转动铰组合的车体之间因有摇头自由度而能够顺利通过半径很小的水平曲线，采用固定铰和自由铰组合的车体之间因有点头自由度而能够顺利通过半径较小的竖曲线。由于车体间具有较大的摇头自由度，车辆稳定性较差，为了保证车辆具有足够的稳定性，因此，一般低地板车辆相邻车体之间安装了车端减振器以增加车体摇头方向的阻尼。

3 低地板车辆轮对结构形式

轮对的结构形式是实现低地板的关键所在。一般来讲，处于低地板区域的转向架都采用独立轮对（见图8），独立轮对就是左右两个车轮之间不用车轴连接，而是采用U形轴桥连接，车轮可以绕着轴桥自由旋转，而轴桥保持不动，轴桥上方则可以实现低地板。

独立轮对虽然很好解决了车辆低地板面的问题，但同时也带来了新的问题。由于左右车轮解耦，可以独立自由旋转，不能像传统带轴轮对一样具有纵向蠕滑力，没有自导向能力，当轮对偏离轨道中心时，一侧车轮轮缘会贴靠在轨道上，无法自动回中，容易产生偏磨，而且脱轨风险较大。因此需要采取一些控制手段对独立轮对进行控制。

目前独立轮对控制手段各不相同，但其根本原理都是一样，都是采用其他手段使独立轮对左右车轮同步，重新获得纵向蠕滑力，实现自导向功能。

3.1 机械控制方式

采用机械控制方式，通过机械传动机构将左右车轮相连，达到同步的目的。这种方式的代表有阿尔斯通的CITADIS和安萨尔多的SIRIO系列低地板车辆转向架（见图9）。阿尔斯通在轴桥内安装了一根传动轴，通过齿轮传动机构将左右车轮耦合在一起，达到左右车轮同步；安萨尔多转向架原理也一样，但传动轴是外置的，且在此基础上增加了一套带离合器的差速机构，在直线上差速器不工作，左右轮对完全同步运行，当到了很小的曲线左右车轮间的扭矩不断增加到一定值时，离合器会自动打开，差速器开始工作，左右车轮转速不同步。采用机械控制方式也可以称为横向耦合控制，左右车轮同步效果好，接近于传统轮对性能，但结构较复杂。

3.2 电子控制方式

采用电子控制方法的主要代表有西门子、斯柯达等。这种控制方式主要依赖电子控制技术，不断调整各电机转速，使其尽量一致，间接使车轮转速一样。西门子 COM BINO转向架（见图10）是采用一个电机控制一侧轮对的方式，称为纵向耦合，而其他公司一般采用一个电机控制一个车轮的方式，其中有的采用轮毂电机。电子控制方式优点是机械结构简单，但电气控制系统较复杂，且最精确的控制系统也无法使左右车轮转速完全相同，转向架自导向能力较机械控制方式稍有不及。

3.3 独立轮对转向架与传统轮对转向架比较

3.3.1 车轮安全性比较

传统轮对左右车轮角速度相等，当轮对出现横向位移时，左右轮速度不同，形成纵向蠕滑，而独立轮对左右车轮独立旋转，左右轮角速度可以不同，因此不产生纵向蠕滑力，但车轮偏转后，同样可以产生横向蠕滑力。

在较大曲线半径（一般指大于50 m）和直线上，传统轮对转向架的安全性明显比独立轮对高。这是因为纵向蠕滑力形成的力矩使得轮对利于通过曲线；而独立轮对转向架由于没有纵向蠕滑力矩的导向作用，不能在曲线上自动趋于径向位置，因而冲角大，容易发生轮缘贴靠，加之在大半径曲线和直线上车辆运行速度较快，脱轨风险增大。因此，从理论上讲独立轮对更容易发生脱轨事故。

当然，要解决左右车轮的速度差，使其尽可能一致，可以通过采用机械或电子控制方式，其转向架性能可以得到一定改善，但其结构相对传统轮对转向架复杂，且自导向能力还是难以与传统轮对相比，如机械传动机构齿轮比误差和传动轴的小刚度均会损失部分纵向蠕滑力；而采用电子控制系统，由于电机转速与负载有关，而车轮负载是一直变化的，特别是在曲线上，左右车轮负载不一致，左右车轮转速难以保持一致，自导向能力非常有限。

而在极小曲线上（一般指小于50 m），独立轮对转向架的安全性会较好。这是因为传统车轮在通过小半径曲线时，纵向蠕滑力形成的力矩反而不利于曲线通过；独立轮对各自没有约束，左右车轮没有纵向蠕滑力矩，相对更不容易发生脱轨。

3.3.2 车轮磨耗比较

由于独立车轮运行中各自独立，缺少导向性，一旦轮缘贴靠很难自动调节，在直线上会发生一侧轮缘会与钢轨一直接触，造成轮缘磨耗严重；传统轮对具有导向性，在直线上轮缘不会一直贴靠钢轨，运行中主要磨耗的是踏面。从磨耗后的镟修来看，轮缘磨耗相比踏面磨耗会成倍缩短车轮的使用寿命。

首先，在民间，壮拳文化已经被壮人自觉不自觉地建构成一种生活方式。笔者在百色靖西田野中发现，一个茶台，几个老人，一群孩子，轮番表演壮拳的拳术和器械套路成为壮族世居村落的生活日常景象。而且在访谈中获悉壮拳长者对村落儿童的壮族武术传习是一种熟人社会中具有高度重复性的生活实践。“得心应手”“司空见惯”，甚至“熟视无睹”中，壮拳文化作为一种教育资本已经深深融合到壮族族群社会，无法从日常生活中剥离开来。

通过以上分析可以看出：在直线和曲线半径较大的线路上，传统轮对转向架有着较高的安全性和较低的磨耗，而独立轮对转向架仅在极小半径曲线上会有相对较好的通过性能。因此，选择传统轮对转向架还是独立轮对转向架，需要考虑车辆服役线路的情况。由于国内低地板线路基本都属于新建，线路条件较好，极小半径曲线所占整个线路的比例非常小，如苏州有轨电车1号线，半径小于50 m的曲线长度不到整个线路长度的4％，因此传统轮对转向架比独立轮对转向架更适合。

4 低地板车辆转向架车轮结构特点

4.1 弹性车轮结构

低地板车辆一般在闹市区，对噪声的要求较高，因此为了降低轮轨噪声，几乎所有低地板车辆转向架均采用弹性车轮（见图11），弹性车轮依靠内部橡胶块起到减振降噪的作用。

4.2 槽型轨

低地板车辆采用与大铁路完全不同的槽型轨，使用较为广泛的2种槽型轨为59Ri2和60Ri2（见图12），这2种槽型轨轨顶有一个1∶40的斜度，类似普通60 kg/m钢轨轨底坡的作用，利于轮轨之间的匹配。

4.3 轮轨匹配关系

由于采用槽型轨，轮轨间的配合就较复杂，需综合考虑轨距、槽宽及道岔情况，才能完成车轮踏面及轮缘的设计。首先应根据轨距及槽宽，确定轮对内侧距；然后根据道岔形式及轨槽形状确定轮辋宽度、轮缘厚度、轮缘间隙、轮背间隙、轮缘高度、轮缘角和轮背角等参数；最后通过整车动力学仿真对踏面进行优化。

对于采用标准轨距的59Ri2槽型轨，轮对内侧距约为1 380 mm，对于采用独立轮对的低地板车辆转向架，由于没有纵向蠕滑力不能自动对中，轮对偏离轨道中心时，只能通过重力来复原，因此轮轨接触角应尽量大；对于传统轮对，由于存在蛇形运动，等效锥度应尽量小，不然容易导致失稳；如既有传统轮对转向架，又有独立轮对转向架（如70％低地板车辆），为了共用踏面，接触角应尽量大，等效锥度应尽量小。

5 低地板车辆转向架悬挂系统

低地板车辆转向架和地铁车辆转向架一样，均采用两级悬挂系统：一系悬挂和二系悬挂，不过其空间结构尺寸较小。但阿尔斯通的CITADIS低地板车辆转向架没有一系悬挂，采用径向刚度很小的弹性车轮代替一系悬挂。

低地板车辆转向架一系悬挂采用空间结构尺寸较小的锥形橡胶弹簧和人字形橡胶弹簧结构，也有的转向架采用尺寸更小的液压弹簧，但成本较高。由于空间尺寸较大，钢簧转臂定位和钢簧导柱定位形式在低地板车辆转向架上基本不用。二系悬挂主要采用钢弹簧和沙漏橡胶弹簧。

5.1 锥形橡胶弹簧

锥形橡胶弹簧（见图13）悬挂方式结构简单、高度调整方便，在低地板车辆转向架中运用十分广泛。不足之处在于难以达到纵向和横向刚度的最优匹配，因为一般的锥形橡胶弹簧横向刚度和纵向刚度一样，这与低地板车辆转向架需要低的横向刚度便于过曲线、高的纵向刚度保证稳定性的要求有矛盾，不过可以在橡胶内部开缺口，使横、纵向刚度不同，但会对橡胶弹簧的寿命有一定影响。锥形橡胶堆非常适合于独立轮对转向架，横向刚度较小，纵向刚度的不足可以通过轴桥拉杆来弥补。

5.2 人字形橡胶弹

人字形橡胶弹簧优点是横、纵向刚度匹配较容易，但结构较复杂，蠕变后高度调整不便。从结构上讲，人字形橡胶堆比较适合用于带端梁的转向架，如采用牵引传动装置全悬挂的70％低地板车辆转向架（见图14）。

5.3 沙漏橡胶弹簧

对于地铁和客车转向架的二系悬挂，主要有2种选择：空气弹簧和钢弹簧。空气弹簧因优越的综合性能是地铁、动车组等无摇枕转向架的首选，但对于低地板转向架来说，空气弹簧不是很合适，原因主要有两点：第一是空气弹簧需要风源，而低地板车辆一般没有；第二是空气弹簧横向尺寸较大，影响低地板车辆过道宽度。钢弹簧在低地板转向架上应用比较广泛，但其高度较大，不利于转向架上方座椅的布置。

近年来，低地板转向架逐渐开始采用一种叫沙漏橡胶弹簧的新型橡胶弹簧作为二系悬挂，这种橡胶弹簧在空间尺寸上结合空气弹簧和钢弹簧的优点，性能上却几乎可以和空气弹簧媲美，是一种专门为低地板转向架二系悬挂开发的橡胶弹簧（见图15）。

这种沙漏橡胶弹簧直径约为300 m m，和钢弹簧尺寸相当，载荷高约260 mm，和空气弹簧工作高差不多，单个沙漏橡胶簧的横向刚度可以做到低于100 N/mm，垂向刚度能做到400 N/m m甚至更小，完全能够满足低地板转向架对刚度的要求。目前这种沙漏橡胶弹簧在低地板车辆转向架中使用越来越广泛。

6 低地板车辆转向架基础制动

低地板车辆由于需要和其他交通工具混合路权运营，因此对制动性能要求很高：紧急制动减速度要求2.8 m/s2以上。因此，低地板车辆一般具备3种制动：电制动、液压制动和磁轨制动。电制动依靠牵引电机实现；液压制动通过液压制动夹钳和制动盘实现，液压制动夹钳按安装方式可分为浮动式和固定式2种；磁轨制动通过与钢轨间的摩擦力实现，是一种非黏着制动方式。

6.1 浮动式液压制动夹钳

浮动式液压制动夹钳一般应用在采用传统轮对的100％低地板车辆转向架上，夹钳安装在构架上，制动盘安装在轴上（见图16）。浮动式液压制动夹钳通过一个弹性球铰和一根拉杆与构架相连，能够适应一系悬挂的运动。

6.2 固定式液压制动夹钳

固定式液压制动夹钳一般应用在牵引传动装置全悬挂的70％低地板动车转向架和独立轮对转向架上，其和制动盘之间安装位置相对固定（见图17），（a）图中夹钳和制动盘是安装在70％低地板动车转向架齿轮箱上，（b）图中的夹钳和制动盘安装在独立轮对轴端上。由于不需要拉杆，固定式液压制动夹钳比浮动式结构更紧凑。

6.3 磁轨制动器

磁轨制动器（见图18）通过悬挂装置弹性吊挂在构架或轴箱上，距离轨面有一定的间隙要求（一般安装在轴箱上时为7 mm，安装在构架上时因考虑一系悬挂装置的位移，会适当增大到十几毫米），当列车施加紧急制动时，磁轨制动器通电，其内部线圈产生强大磁力迅速吸附在钢轨上，与钢轨产生滑动摩擦，形成制动效果。该制动力通过与构架间的止挡直接传递给构架，不需通过车轮，因此其制动力不受轮轨间的黏着限制。