70%低地板有轨电车转向架技术特征分析.pdf

南 方 职 业 教 育 学 刊JOURNAL OF SOUTHERN VOCATIONAL EDUCATION第 13 卷 第 2 期2023 年 3 月Vol.13 No.2Mar.20231 引言随着城市规模的扩大及人口的增长，城市中私人汽车的数量急剧增加，城市交通越来越拥挤，严重影响人们出行效率，发展城市轨道交通显得愈发重要。城市轨道交通以其安全、快捷、运量大、节能环保等优点，已成为我国大城市解决城市交通问题的首选方案。城市轨道交通系统主要分为地铁、轻轨和磁悬浮车等三大模式。目前世界上城市轨道交通以发展轻轨为主，且主要发展城市路面有轨电车。有轨电车因投资小和施工风险较小，对自然环境和城市景观破坏较小，成为世界各国城市轨道交通的发展方向。低地板有轨电车的地板面距轨面高度一般在400mm 以下，车辆的入口高度较低，老人、儿童以及残疾人上下车比较方便。目前低地板有轨电车主要有 70%低地板有轨电车和 100%低地板有轨电车。100%低地板有轨电车采用独立车轮，在牵引和制动控制过程中，同步控制实现难度较大，对中性能差，易产生偏磨和脱轨，牵引电机功率一般不超过 70 90kW1-3，功率较小。基于以上原因，研发一种新型的 70%低地板有轨电车转向架。2 概述70%低地板有轨电车采用三编组，双铰接车体模式的双司机室结构，即列车的两端部均设置司机室。端车和中间车采用单车结构，每节车下都设置一个转向架；端车下部布置动力转向架，中间车下布置非动力转向架；车体之间用铰接装置联接；铰接装置、车钩、吸能装置、贯通道等组成车端连接装置。3 转向架主要技术特点动力转向架和非动力转向架全部采用传统轮对转向架。动力转向架带摇枕，以适应动力转向架与车体之间大转角及大位移，非动力转向架不带摇枕。齿轮传动装置采用全悬挂方式，以减轻70%低地板有轨电车转向架技术特征分析李 涛（广州铁路职业技术学院，广东 广州 511300）摘 要：详细介绍了 70%低地板有轨电车转向架的技术特征，包括转向架的结构、主要特点和主要技术参数；对摇枕、构架、轴箱等重要部件的强度计算结果和车辆动力学性能计算结果进行了介绍，计算结果满足标准要求。摇枕和构架的强度试验满足要求。关键词：70%低地板；转向架；技术特征；技术参数中图分类号：U270.33 文献标志码：A 文章编号：2095-073X（2023）02-0080-09 收稿日期：2023-02-09 基金项目：2020 年度广东省普通高校创新团队项目轨道交通机车车辆检修装备研发创新团队（2020KCXTD063）作者简介：李涛（1975），男，湖南衡阳人，教授级高级工程师，硕士，研究方向为转向架总体设计。81第 2 期李 涛：70%低地板有轨电车转向架技术特征分析簧下质量。动力转向架在构架与摇枕间采用斜对称拉杆式牵引装置。非动力转向架与车体间采用单拉杆低位牵引，提高了车辆的黏着利用率。构架为低合金高强度结构钢板组焊而成。转向架采用轴箱外置式。轴箱轴承采用整体免维护的双列圆锥滚子轴承，能够承受较重的轴向和径向载荷。采用弹性车轮，能降噪隔振，为分体式结构，更换容易，不需退轮。一系悬挂装置采用锥形橡胶弹簧，实现弹性定位；不仅具有三向不同的非线性刚度和阻尼特性，还具有隔离高频振动和降低噪声的功能；静挠度大，能够满足有轨电车空重比系数小的特点。二系悬挂装置采用沙漏型橡胶堆，不仅能满足城市轨道交通车辆空重比的特点，而且具有较低的三向刚度特性。4 转向架主要技术参数转向架主要技术参数包括最高运营速度、最高设计速度、轴重、轴距、车轮滚动圆横向跨距等，具体参数见表 1。技术参数数值技术参数数值最高运营速度/kmh-170最大坡度/%4最高设计速度/kmh-180牵引电机功率/kW125轴重/t11齿轮传动比7.41轴距/mm1800最大启动加速度/ms-21.1车轮滚动圆横向跨距/mm1500最大制动加速度/ms-21.3轮背内侧距/mm1380轨型59R2 槽型轨车轮直径/（新/旧）/mm660/600转向架中心距/mm10160通过最小曲线半径/m25表 1 转向架主要技术参数表5 转向架结构5.1 动力转向架动力转向架由摇枕、构架、轮对、轴箱、齿轮传动装置、一系悬挂、二系悬挂、牵引装置、基础制动装置及辅助装置等组成，转向架的总体结构如图 1 所示。图 1 动力转向架结构图南 方 职 业 教 育 学 刊82第 13 卷（1）摇枕车辆过小曲线半径时，动力转向架和车体之间转角较大，二系弹簧位移大，必须采用摇枕结构。摇枕为焊接 U 型结构，与车体通过中心销牵引装置连接，与构架通过斜对称布置的牵引拉杆和横向减振器连接，摇枕与构架之间设有横向止挡。车体上焊接有上旁承板，旁承安装在摇枕上，车体通过旁承支承于转向架上。车辆通过曲线时，摇枕与构架会同步转动，车体在上旁承板、旁承间具有摩擦，其摩擦回转力矩保证车辆在直线上的稳定性，在曲线上将阻碍转向架在导向力的作用下的回转，故其摩擦系数的选择对于车辆的稳定性和轮轨磨耗至关重要。较大的摩擦系数有利于车辆直线上的稳定性，但使车辆曲线通过性能下降，轮轨磨耗加剧。根据 UIC615-4-2003牵引单元-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验对其进行了强度分析计算并优化。在各工况中，主要超常载荷工况下摇枕应力最大，最大应力为 241.307MPa，如图 2 圆圈内标记 MX 处所示，出现在横向止挡座箱形结构内部的筋板上，小于材料许用应力345MPa。摇枕的静强度满足标准要求。图 2 摇枕最大应力分布对模拟运营工况下摇枕母材和焊缝处的应力考察，所有节点均处于 Goodman-Smith 图包络线范围内，如图 3（1）和图 3（2）所示，摇枕疲劳强度满足标准要求。图 3（1）摇枕母材区域节点应力分布图 3（2）摇枕焊缝区域节点应力分布（2）构架构架为日字形焊接箱形结构，由侧梁、横梁和端梁等组成，各梁内部根据强度要求设置隔板若干。侧梁为 U 形结构，中间下凹，其上焊有牵引拉杆座、二系横向减振器安装座、二系橡胶堆安装座、一系轴箱弹簧安装座、蓄能器安装座、三通救援阀安装座、集油罐安装座、排障器安装座、转向架起吊座和整体起吊安装座。横梁上设有牵引电机安装座、齿轮箱安装座、横向止挡安装座和磁轨制动限位座等。端梁上设有齿轮箱吊挂座、液压制动单元安装座、撒砂装置安装座和轮缘润滑装置油箱安装座等。83第 2 期李 涛：70%低地板有轨电车转向架技术特征分析根据 UIC615-4-2003牵引单元-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验，对其进行了强度分析计算并优化4。在各工况中，特殊超常载荷作用下电机安装座处母材区域应力最大，最大应力为 325.178MPa，如图 4 圆圈内标记 MX 处所示，小于材料许用应力 345MPa。构架静强度满足标准要求。图 4 动力转向架构架最大应力分布对模拟运营工况下构架母材和焊缝的应力进行计算，所有节点处于 Goodman-Smith 图包络线范围内，如图 5（1）和 5（2）所示，构架疲劳强度满足标准要求。图 5（1）动力转向架构架母材区域节点应力分布图图 5（2）动力转向架构架焊缝区域节点应力分布（3）轮对轴箱动力转向架轮对如图 6 所示。图 6 动力转向架轮对车轴为实心车轴，车轴上设有齿轮传动装置安装座和轴箱安装座。为降低车轮磨耗及噪音，转向架采用新轮直径为 660mm 的压剪复合型橡胶弹性车轮，车轮外侧安装有降噪阻尼器。轴箱为整体式轴箱，轴箱体为铸钢件，轴箱轴承为圆锥滚子轴承。按照轴箱盖端部安装设备不同，分为装有接地装置的轴箱和装有速度传感器的轴箱，如图 7（1）和 7（2）所示。南 方 职 业 教 育 学 刊84第 13 卷图 7（1）装有接地装置的轴箱图 7（2）装有速度传感器的轴箱根 据 TB/T 3407-2015 动 车 组 转 向 架 轴 箱组成试验方法，对轴箱体进行了强度计算。在各工况下，轴箱体在超常载荷工况下的应力最大，最大应力为 226.193MPa，小于材料许用应力262MPa，如图 8 圆圈内标记 MX 处所示，出现在轴箱端盖螺栓安装孔边缘。静强度满足标准要求。图 8 轴箱体最大应力分布对模拟运营工况下轴箱体各部分的应力考察，所有节点处于 Goodman-Smith 图包络线范围内，如图 9 所示。轴箱体疲劳强度满足标准要求。图 9 轴箱体节点应力在 Goodman-Smith 图中的分布（4）齿轮传动装置齿轮传动装置由牵引电机、电机橡胶关节、膜片式联轴节、两级传动齿轮箱、空心轴、楔形橡胶联轴节和齿轮箱吊杆等组成5，如图 10 所示。牵引电机的一端通过膜片式联轴节与齿轮箱连接，另外一端通过弹性吊杆悬挂在构架横梁上。齿轮箱的一端通过橡胶关节弹性悬挂在构架上，另外一端用弹性吊杆悬挂在构架的端梁上。齿轮箱的输出端通过楔形橡胶联轴节与空心轴穿过的车轴相连，从而把扭矩传递到车轴上。图 10 动力转向架齿轮传动装置85第 2 期李 涛：70%低地板有轨电车转向架技术特征分析（5）一系悬挂一系悬挂采用对称式锥形橡胶堆，如图 11 所示，轮对通过轴箱、锥形橡胶弹簧与构架连接，以实现弹性定位。对称式锥形橡胶堆定位不仅具有三向不同的非线性刚度和阻尼特性，还具有隔离高频振动和降低噪声的功能。相对于传统的机车及客车车辆，空重比系数小是有轨电车固有的特点。受车辆总挠度的限制，采用常规的具有线性刚度特性的弹簧来保证车辆的空车动力学性能几乎是不可能的，而确保车辆的空车动力学性能优良是转向架设计和参数匹配的关键任务。非线性特性橡胶元件可以在车辆总挠度不变的条件下，有效地增加车辆转向架的一系静挠度，达到改善车辆空车状态下的动力学运行品质之目的。此外橡胶元件还具有吸收高频振动的功能，有利于降低轮轨间的磨耗和噪音。橡胶堆具有阻尼特性，可以节省安装传统的液压减振器，同时起到节约成本和提高运营可靠性之作用。图 11 动力转向架一系悬挂（6）二系悬挂二系悬挂由沙漏橡胶堆、横向减振器和横向止挡等组成，如图 12 所示。沙漏橡胶堆具有明显的三向刚度非线性特性，不仅满足了城市轨道交通车辆空重比小的特点，同时具有较低的三向刚度特性。与空气弹簧相比，其具有结构简单、无需风源、成本低、运行可靠等特点，但载重变化对地板面高度变化影响不大，且舒适型品质受到一定的影响。图 12 动力转向架二系悬挂（7）牵引装置为有效传递驱动与制动时产生的纵向载荷，在构架与摇枕间采用斜对称布置的拉杆式牵引装置。牵引力和制动力通过轴箱、一系悬挂传递到构架，再通过构架上的纵向拉杆传递到摇枕，最后通过牵引座直接传递到车体，如图 13 所示。图 13 动力转向架牵引装置（8）基础制动装置70%低地板有轨电车转向架安装空间极为有限，同传统的空气制动相比，液压制动的介质压力大大高于空气的压力，因此，采用液压制动可以大大节省安装空间6。基础制动包括被动式液压制动卡钳、制动盘、磁轨制动装置、蓄能器、液压单元、速度传感器，如图 14 所示。被动式液压制动卡钳安装于齿轮箱上，此种安装方式不必考虑因一系形变对制动性能的影响。南 方 职 业 教 育 学 刊86第 13 卷制动盘安装在驱动装置输出端的空心轴上，制动盘内置。被动式磁轨制动装置安装在轴箱上，以确保紧急工况下的列车安全，随着磁轨制动装置的磨耗，磁轨制动装置的摩擦块距轨面高度可通过调节装置人为调节。图 14 动力转向架盘形制动和磁轨制动5.2 非动力转向架非动力转向架由构架、轮对、轴箱、一系悬挂、二系悬挂、牵引装置、基础制动装置和辅助装置等组成，如图 15 所示。非动力转向架的轮对、轴箱、一系悬挂与动力转向架基本相同，下面就不一一赘述。图 15 非动力转向架结构图（1）构架构架为 H 型焊接结构，由侧梁和横梁等组成。侧梁为 U 形结构，中间下凹，侧梁上焊有一系橡胶弹簧安装座、二系橡胶堆安装座、转向架起吊座、整体起吊座等。横梁上设有制动夹钳安装座、牵引拉杆安装座、二系横向减振器安装座和横向止挡安装座等。根据 UIC515-4-1993客车从轮转向架走行部转向架、构架结构强度试验，对其进行了强度分析计算并优化7。在各工况中，主要超常载荷作用下构架上盖板下端拐角处母材区域的应力最大，最大应力为 317.113MPa，如图 16 圆圈内标记 MX 处所示，小于材料的许用应力 345MPa。构架静强度满足标准要求。图 16 非动力转向架构架最大应力分布对模拟运营工况下构架母材和焊缝的应力进行考察，所有节点均位于 Goodman-Smith 图包络线范围内，如图 17（1）和 17（2）所示，疲劳强度满足标准要求。图 17（1）非动力转向架构架母材区域节点应力分布图87第 2 期李 涛：70%低地板有轨电车转向架技术特征分析图 17（2）非动力转向架构架焊缝区域节点应力分布（2）二系悬挂二系悬挂由沙漏橡胶堆、横向减振器、横向止挡和横向止挡座等组成，如图 18 所示。中间车由一个转向架支撑，为保证车辆稳定，两沙漏橡胶堆纵向间距较大。图 18 非动力转向架二系悬挂（3）牵引装置非动力转向架与车体间采用牵引拉杆传递纵向载荷，牵引杆的一端连接在构架的横梁上，另一端与车体上的安装座相连，如图 19 所示。图 19 非动力转向架牵引装置（4）基础制动装置与动车相似，基础制动采用液压制动。基础制动包括主动式液压制动卡钳、制动盘、磁轨制动装置、蓄能器、液压单元、速度传感器和载荷传感器，如图 20 和图 21 所示。主动式液压制动卡钳设置在构架横梁上；制动盘设置在车轴上，制动盘内置；磁轨制动装置安装在轴箱上；载荷传感器安装在构架侧梁外侧；液压单元及蓄能器安装在车体上。图 20 非动力转向架盘形制动图 21 非动力转向架磁轨6 动力学计算根据 GB 5599-85铁道车辆动力学性能评定规范及 UIC 518“Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-safety-Track fatigue-Running behaviour”标准对 70%低地板有轨电车车辆的稳定性、平稳性和安全性等动力学指标进行评定8。通过对车辆系统时域响应是否收敛来判断车辆的失稳状态，计算结果表明车辆的临界速度在南 方 职 业 教 育 学 刊88第 13 卷空车和重车载荷下分别为 150km/h 和 170km/h，均满足设计的要求。计算平稳性时选用美国级谱，动车的最大加速度为 1.49m/s2，平稳性指标为 2.4，拖车的最大加速度为 2.62m/s2。动车与拖车的平稳性指标满足标准要求。分别计算半径为 25m、50m、100m、200m 和500m 时的曲线通过性能，根据 GB 5599 确定通过不同曲线半径的限速，测力轮对选取受力较大者。UIC 518 规定曲线上的准静态横向力应当低于60kN，计算最大轮轨横向力为 42.5kN，未超过标准限值。动车和拖车的最大脱轨系数分别为 0.66和 0.56，未超过标准限值。7 结束语与传统的机车车辆相比，低地板有轨电车尽管具有制动和牵引技术要求高、线路条件复杂、车辆空重比小、运行条件苛刻的特点，但其转向架空间较小，为其设计带来诸多的困难与挑战。新型 70%低地板有轨电车转向架使用传统轮对代替独立旋转车轮，克服了采用独立旋转车轮转向架的车辆对中性能差、车轮偏磨和脱轨稳定性差的惯性问题。虽然目前大部分城市使用 100%低地板有轨电车，但是 70%低地板有轨电车转向架符合国内外发展趋势，其结构简单，制造难度小，维护成本低，可适用于投资规模相对较小的线路。参考文献：1赵大斌，任利惠70%低地板轻轨车辆的型式比较J城市轨道交通研究，2007（4）：29-332周浩70%低地板有轨电车动力学性能研究D成都：西南交通大学，20173陈伟果70%低地板与 100%低地板有轨电车的比较J现代城市轨道交通，2015（4）：19-234罗湘萍动力转向架驱动装置选型研究J机车电传动，2002（3）：35-395李金城，李芾，杨阳70%低地板有轨电车动力转向架构架强度分析J机车电传动，2016（3）：87-916应之丁，张萼辉，姜敏低地板轻轨车辆制动技术分析J城市轨道交通研究，2006（6）：64-677康承良，李芾，杨阳，蒋宽70%低地板有轨电车非动力转向架构架强度分析J电力机车与城轨车辆，2016（1）：22-278杨阳，李芾，夏迎旭，蒋宽70%低地板车辆几何曲线通过及其动力学性能研究J铁道机车车辆，2015（5）：91-95Analysis of Technical Features of 70%Low-floor Tram BogiesLI Tao(Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou 511300,China)Abstract:The paper elaborates the technical feature of 70%low-floor tram bogie,including the structure,main characteristics and technical specifications of the bogie.It also introduces the results of the strength calculation and vehicle dynamic performance calculation of the important components such as the bolster,frame and axle box,and the results meet the standard requirements.The strength test of the bolster and frame meets the requirements.Key words:70%low-floor;bogie;technical feature;technical specification