兼具防滑与信号监测功能的轨道交通车辆用轴箱

□ 徐希鹏 □ 金 伟 □ 郑天锐 □ 周 青 □ 成军强

中车南京浦镇车辆有限公司 江苏南京 210031

1 设计背景

轨道车辆转向架轮对轴箱系统是转向架非常重要的系统部件,它承担着车辆全部的质量,并保证车辆沿着轨道高速运行,同时承受车体和钢轨传递的各种静、动作用力,受力非常复杂。轮对轴箱系统由轮对和轴箱装置组成,轴箱装置承担着采集和传递转向架运行情况数据的重任,因此轮对轴箱系统是影响车辆运行安全性的关键部件之一。轴箱结构是A型、B型轨道车辆转向架轮对轴箱系统中的重要部件,作用是为轴承提供良好的密封、定位,并配合制动系统和信号系统完成相关功能,轨道车辆轴端布置如图1所示,不同轴端结构形式如图2所示。

现有轴箱盖按照安装设备的接口不同分普通轴箱盖、防滑轴箱盖、信号轴箱盖三种,主要结构如图3所示。根据图1轴端布置可知,未来车辆对走行部安全监测的要求越来越高,轴端的功能性越来越强,对于既有防滑设备又有信号监测设备的轴端来讲,单接口的轴箱盖已不能满足技术需要。此外,信号监测设备不兼容一般的测速齿轮。

2 技术方案

针对目前的现状,结合用户日益增长的需求,笔者设计了一款兼具防滑、信号监测功能的轴箱结构,在保证现有轴箱结构接口尺寸以及强度不变的前提下,通过共用齿轮,实现防滑、监测兼容的功能。

图1 轨道车辆轴端布置

图2 不同轴端结构形式

笔者采用的技术方案是保持轴箱盖迷宫槽与轴箱体配合部位尺寸不变,将防滑设备用凸台接口及信号监测设备用凸台接口调整至同一盖子上,同时保持原有凸台的角度与大小,从而实现一个轴箱盖上可以同时安装防滑设备及信号监测设备的目的,新轴箱结构如图4所示。

图3 现有轴箱盖主要结构

图4 新轴箱结构

3 安装结构

3.1 新轴箱结构

新轴箱结构图中,轴箱体、防尘挡、轴承通过轴箱后盖、密封垫、轴端压盖、测速齿轮、紧固件等部件相互定位,并连接在一起。轴箱体、轴承通过轴端压盖和防尘挡压紧在车轴上,而防滑、信号轴箱盖安装在轴箱体前端,并用密封圈、紧固件压紧。信号传感器、速度传感器伸入防滑、信号轴箱盖上接口孔内,根据信号测速齿轮的转动从而获得相关数据,通过信号传感器、速度传感器反馈至处理器显示面板上,供工作人员使用,以实现防滑、监测的功能。同时打开螺堵通过观察信号传感器、速度传感器与信号测速齿轮的距离以调整至最佳状态。

由图4可以看出,轴箱体外端固定有防滑、信号监测轴箱盖,该轴箱盖设置有远离转向架中心的速度传感器线缆固定接口及靠近转向架中心的信号传感器线缆安装接口。从车轴端看,速度传感器线缆走向的中心线与水平线呈向下的角度a,a的取值范围为7°～11°。信号传感器线缆走向的中心线与水平线呈向下的角度b,b的取值范围为8.5°～11.5°。笔者的技术方案中,a和b均取10°。轴箱体远离转向架中心的一侧设置有用于固定速度传感器线缆的第一支架,构架的转臂节点下方设置有用于固定信号传感器线缆的第二支架。速度传感器线缆、信号传感器线缆分别通过这两个支架固定,配合a和b的角度,使得线缆在车辆运行中折弯较小,确保在车辆正常运行的轴端振动过程中,线束处于安全状态。

3.2 现有轴箱盖结构

现有轴箱盖结构主要有三种:普通轴箱盖、防滑轴箱盖、信号轴箱盖。普通轴箱盖只适用于普通轴端,即既不需要安装接地装置、也不需要安装信号装置的轴端。防滑轴箱盖只适用于防滑轴端,每根轴上均需布置防滑轴端,防滑设备一般为齿式结构,包含一个测速齿轮和一个传感器。测速齿轮与传感器之间间隙一般要求为0.9±0.5 mm,因此轴箱盖上应设有观察孔,以检查间隙。信号轴箱盖只适用于信号轴端,一般列车安装两套信号轴端布置,轴箱盖上也设有观察孔,常规的轴端布置同图1。

由图4可以看出,防滑设备和信号监测设备完全可以共用一个齿轮结构,对于既有防滑设备又有信号监测设备的轴端来讲,单接口的轴箱盖已不能满足技术需要。

3.3 新轴箱盖结构

兼具防滑、信号监测功能的新轴箱盖结构如图5所示,在保证原轴箱盖的主要接口尺寸D、d1、d2、H及铸造件强度性能不变的情况下,主要优化如下:与现有轴箱盖结构相比,将信号监测设备接口与防滑设备接口设计在同一个轴箱盖上,其中信号监测设备接口保证接口尺寸L3、L4、W2和角度a,防滑设备接口保证接口尺寸L1、L2、W1和角度b,从而满足图4中防滑设备和信号监测设备共用一个轴端的情形。

在保证轴箱盖的接口尺寸之后,通过对信号测速齿轮统一齿数为100,模数为1.5 mm,使防滑设备和信号监测设备获得理想的采集条件,进而实现制动系统的防滑功能与信号监测系统对车速的监测功能。

4 新轴箱盖材料选择

轴箱盖一般采用熔模铸造的铸钢件,原轴箱盖材质采用法国标准NF A 32-054中的GE230牌号或EN 10293中GE300牌号,新轴箱盖采用EN 10213中的G20Mn5牌号,材料的主要机械性能对照见表1。可以看出,新轴箱盖选用的G20Mn5材料适应性更强。

图5 新轴箱盖结构

表1 材料主要机械性能

作为轴端结构的一部分,轴箱盖为非承载件,在紧固件不变和材料性能不降低的条件下,新轴箱盖完全能满足运营要求。此外,随着轨道交通领域新材料研究的不断深入,未来选用铸铝件、碳纤维复合材料生产,能进一步降低簧下质量,在实现多功能的同时,安全可靠性更高。

5 小结

保持轴箱盖迷宫槽与轴箱体配合部位尺寸不变,将防滑设备用凸台接口及信号监测设备用凸台接口调整在同一盖子上,同时保持原有凸台的角度与大小,从而实现一个轴箱盖上可以同时安装防滑设备和信号监测设备的目标。

结构分析表明,兼具防滑、信号监测功能的新轴箱盖,其结构强度性能覆盖甚至优于现有轴箱盖,满足运用技术要求。

在保证现有轴箱结构接口尺寸以及强度不变的前提下,通过共用齿轮,实现防滑、信号监测兼容的功能,这种兼具防滑、信号监测功能的轴箱结构已在南京宁溧等城际项目批量装车运用,反响良好。

6 结束语

轮对轴箱系统是影响车辆运行安全性的关键部件之一,而轴箱结构又是轮对轴箱系统中的重要部件,不仅为轴承提供良好的密封、定位,同时也需配合制动系统及信号系统实现相关数据采集、信号监测功能。“十三五”期间我国城市轨道交通获得了快速发展,截至2020年底,共有45个城市开通城市轨道交通运营线路,运营路线总长度7 969.7 km,新增运营路线36条,新增运营线路长度1 233.5 km,发展迅速。未来地铁车辆智能化程度越来越高,对走行部安全监测的要求也越来越严格,每辆车均配有八个轴端,轴端设备布置也是多种多样,作为兼具防滑、信号监测功能的新轴箱结构,在未来更加注重安全的大环境下,应用市场巨大。