城市轨道车辆典型转向架综述

2018-01-23张云飞

装备机械 2017年4期

关键词：轴箱构架齿轮箱

□张云飞 □李军

重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆 400074

城市轨道交通具有运量大、能耗低、效率高、污染小、准点率高及景观性好等特点，已成为现代城市交通的主动脉[1]。转向架可以起到牵引、制动、导向、支承及隔振等作用，是城市轨道车辆的核心装置，决定了车辆牵引制动特性、轮轨寿命及运行品质[2]。

1 钢轮-钢轨系统转向架

钢轮-钢轨系统包括地铁和轻轨两种制式，按车型分A、B、C型车，其转向架结构大同小异[3-4]，基本结构如图1所示。

图1 钢轮-钢轨系统转向架

1.1 构架

钢轮-钢轨系统转向架的构架由侧梁和中间横梁构成，无摇枕，俯视图呈H形。结构上均为中空梁，材质为合金结构钢，制造工艺涉及焊接和表面处理。中间横梁布置齿轮箱、制动装置及驱动电机等，侧梁为鱼腹形，即两边高中间低，以便放置空气弹簧。

1.2 轮对

拖车与动车轮对的相同点在于车轮与车轴压装制造，同时均选用磨耗型车轮踏面，材料为车轴钢。不同之处在于车轴结构有差异，拖车车轴既没有齿轮箱吊挂座，也没有驱动齿轮[5]。

1.3 中央悬挂

一系悬挂用于缓冲轮对垂向运动，垂向载荷由一系螺旋弹簧、轴箱、轮对依次传递，最终到达钢轨。当从轨道上起吊转向架时，一系垂向减振器可以保证在不脱离构架前提下承担轮对部分载荷，还可选用转臂定位以应对高速运行。

二系悬挂既可以提高城市轨道车辆的运行品质，又可以减弱垂向振动所带来的影响，主要设备包括二系垂向减振器、空气弹簧等。垫片可调节车辆地板高度，紧急弹簧可将高度降低值限定在一定范围内，空气弹簧可以支持车体，传递较小的横向载荷和较大的垂向载荷。紧急弹簧与气囊为串联状态，如果气囊内欠压或过压，面板会落到紧急弹簧上，此时紧急弹簧将替代空气弹簧实现系统功能[6]。

1.4 驱动制动单元

驱动单元依靠联轴节、齿轮箱及电机实现扭矩传递，同时，为预防悬挂螺栓出现损坏，齿轮箱上通常设有安全托。牵引电机弹性吊挂于构架上，横向布置并设有安全卡槽。

1.5 制动单元

轨道车辆复合制动第三阶段是选用轮盘制动的基础制动，即机械制动。为保证制动闸瓦与踏面间隙保持在最佳范围内，对于基础制动装置，常设有闸瓦-踏面间隙自调系统，同时轨道车辆每根车轴都配有驻车制动装置。

1.6 轴箱

除圆锥滚子轴承、轴圈外，密封端盖及轴箱体等也是钢轮-钢轨系统转向架轴箱的核心部件，其中轴箱壳体材料选用C级铸钢。

1.7 抗侧滚装置

轨道车辆的悬挂系统允许轻微侧倾状态，如通过曲线段时，车辆由于横风或离心力引起侧倾。为将侧倾限制在安全行驶界限内，在底架下方设有不影响二系悬挂垂向及横向弹性特性的抗侧滚装置[7]。

2 跨座式单轨转向架

跨座式单轨转向架基本结构如图2所示，除列车两端外，跨座式单轨转向架均为动力转向架，此外，走行轮明显区别于地铁或轻轨的整体碾制钢轮。单轨车辆通过4个导向轮从侧面稳稳抱住轨道梁，从而实现自动对中导向。每个转向架均有稳定轮、导向轮及走行轮，共10个橡胶轮胎。同时，所有胶轮为防止失气，都备有辅助车轮，走行轮还安装胎压监测仪[8]。

图2 跨座式单轨转向架

2.1 走行轮

走行轮在驱动轴转矩的作用下将车轮的旋转运动转变为车辆沿轨道方向行驶的运动。走行轮为钢丝圈胶胎，同时充氮气，无内胎，设置胎压监测仪，胎压控制在880 kPa。一旦胶轮失气，辅助实心轮将临时代替走行轮实现系统功能[9-10]。此外，转向架还设计有压力表，每轴2个[11]。

2.2 平行轮总成

平行轮总成包括导向轮和稳定轮，导向轮和稳定轮除轮辋及辅助轮安装位置不同外，其余相同。平行轮总成主要组成有橡胶轮胎、轮芯、轮辋、立式车轴和圆锥滚柱轴承。橡胶轮胎直径为730 mm，充入氮气，尼龙斜裁带，有内胎。为确保失气状态下车辆安全返回基地检修，装有辅助实心轮备用。

在单轨轨道梁两侧设置有导向轮，导向轮下侧则是稳定轮。由于2个走行轮的间距只有400 mm，属随遇不稳定[12]，因此通常会设计两个稳定轮从侧面抱住轨道梁，产生一个横向力，从而形成一个附加力矩，使得随遇不稳定模式变为随遇稳定模式，以保证单轨车辆的行驶稳定性。

2.3 目字构架

除牵引制动装置、导向轮、稳定轮及走行轮外，车体悬挂、受流器及接地装置等是跨座式单轨转向架构架的关键部件。目字构架由侧梁、横梁、端梁、导向轮支架、电机吊座构成，俯视呈目字形，并由合金结构钢板焊接而成。

2.4 二系悬挂

单轨车辆通常由橡胶轮胎充当一系悬挂，车体直接装在空气弹簧上，与转向架之间采用二系悬挂，即通过中央悬挂装置传递牵引力和横向力，以实现轻量化，提高舒适性，并配置有高度调节阀和防过充装置[13]。

3 悬挂式单轨转向架

悬挂式单轨转向架基本结构如图3所示。悬挂式单轨车辆以吊挂形式行驶在轨道上，车体在梁下，而转向架位于车体上方，轨道梁为下开口箱型梁。每辆车有2个转向架，靠走行轮承担下部车体所有重力，并提供驱动力使列车沿轨道行驶。导向轮起导向和平衡作用[14]。

图3 悬挂式单轨转向架

3.1 构架

悬挂式单轨转向架是由构架本体和部件支座构成的焊接结构，材料为钢板和方钢，构架上设置各部件安装座，不同位置导向轮受力不同，可为构架提供力矩，防止侧倾失稳。牵引悬挂装置可实现车体与构架的相对运动，同时还可以传递两者间的作用力。驱动装置选用三相异步牵引电机，电机通过螺栓直接固定在齿轮箱上。

3.2 走行轮与导向轮

悬挂式单轨转向架共有16个导向轮和4个走行轮，材料均为实心橡胶胎。为实现转向架的自导向，构架端角位置安装有8个导向轮。走行轮直接安装在齿轮箱输出轴上，传递列车与轨道之间的纵向力和垂向力。

悬挂式单轨转向架中，无论是导向轮还是走行轮，均称为平行轮。转向架每轴有2个走行轮，走行轮由车轮和轮胎两部分构成，较之钢轮-钢轨系统，胶轮运行噪声小，运行更平稳，且黏着系数高。导向轮通过与箱型轨道梁内壁的导向轮走行轨面配合，实现对应于传统轨道交通车辆的轮对自对中和导向作用[15]。

3.3 中央悬挂

一系悬挂系统由转臂、走行轮、差速器齿轮箱与一系弹簧转臂式定位系统构成。转臂以橡胶节点方式连接构架安装座，另一端与轮对齿轮箱体固定连接。车辆在通过曲线段时，车体通过牵引悬挂装置绕中心销一点转动，通过车体重力沿水平方向的分力平衡离心力。中心销与摇枕为关键承载部件，传递构架与车体之间各个方向的力。

通常选用牵引悬挂装置来连接转向架与车体，同时传递两者的载荷和相对运动。悬挂式单轨转向架为动力转向架，转向架上2套驱动装置纵向布置，基础制动装置通过夹钳与轨道间产生的摩擦阻力实现制动。悬挂式单轨转向架齿轮箱与传统轨道交通车辆齿轮箱的不同之处在于其悬挂方式，悬挂式单轨转向架齿轮箱设置了转臂定位关节安装孔和齿轮箱悬挂安装座。

4 有轨电车转向架

有轨电车转向架有些特别，常选用独立旋转车轮结构，且几乎都选用低位横轴，两侧车轮横向耦合，最终完成自动导向及对中。为保证高可靠性、安全性与舒适性，通常选用传统轮对，避免使用耦合轮对。有轨电车转向架可实现低地板化，同时能够以无滑动无摩擦状态高速通过曲线段，轮轨间磨损、振动及噪声小。有轨电车转向架基本结构如图4所示。

图4 有轨电车转向架

有轨电车转向架优点如下：短轴距，选用小直径独立旋转车轮；齿轮箱定制，设计合理，布置考究；构架结构简单，形式多样；轮对结构为轴箱内置，且选用弹性车轮结构。有轨电车制动方式通常为非黏着制动与黏着制动相结合[16]，易脱轨的缺点较明显。此外，因曲线自导向及直线自动对中性能较差，有轨电车转向架只能依靠轮缘导向，造成轮缘磨损较为严重[17-18]。

5 直线电机车辆转向架

直线电机车辆转向架起承载、牵引、缓冲、转向、制动等作用，关键技术包括电机气隙调节、直线感应电机悬挂、牵引力传递等。除构架、轮对外，中央悬挂、驱动及制动装置等也是关键部件。直线电机轮对轴箱装置与普通轨道车辆非动力转向架轮对在结构上相似，轮径较小且不传递牵引力，不同之处则在于直线电机车辆转向架可以选用外轴箱式转向架[19]。直线电机车辆转向架基本结构如图5所示。

图5 直线电机车辆转向架

直线电机车辆转向架通过将侧梁设置在车轮内侧减小结构尺寸。为减弱由构架沉浮降低所造成的电机气隙变化，一系悬挂在选用构架悬挂以设置直线电机时，通常选用大垂向刚度，二系悬挂则通常设置有摇枕，并选用空气弹簧。可设置抗侧滚装置，用于防止车辆倾覆。直线电机车辆转向架基础制动为液压传动盘制动[20]。

6 结束语

不同轨道制式对于转向架结构的设计有不同要求，虽然种类繁多，但城市轨道车辆转向架大都由构架、轮对、中央悬挂、制动单元、驱动单元、轴箱等组成，且都追求良好的曲线通过能力，要求低磨损、低噪声、灵活、可靠且便于维护。跨座式单轨转向架没有一系悬挂，由橡胶轮胎代为实现这一功能。钢轮-钢轨系统转向架通常为H形构架，而跨座式单轨转向架则为目字构架。

城市轨道车辆转向架正向轻量化技术发展，采用整体碾钢小轮径车轮、空心车轴、轻金属轴箱体、轻量化轴箱轴承、轻量化焊接钢结构，同时采用新的悬挂技术，合理匹配一系悬挂纵横刚度，并采用驱动电机悬挂。驱动技术方面，采用交流驱动、高速齿轮系统传动。制动技术方面，采用联合制动，以再生或电阻制动为主，以空气制动为辅，同时电子限滑、轴盘或轮盘制动。

转向架是轨道车辆的关键子系统，直接影响车辆行驶的安全舒适性，可以有效解决车辆行驶稳定性与曲线通过性之间的矛盾。在转向架自身质量减小的同时，牵引力减小，轮轨冲击减轻，可以避免车轮严重磨损，对于车辆维修与保养至关重要。

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