□張云飛 □李 軍

重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074

城市軌道交通具有運量大、能耗低、效率高、污染小、準(zhǔn)點率高及景觀性好等特點，已成為現(xiàn)代城市交通的主動脈[1]。轉(zhuǎn)向架可以起到牽引、制動、導(dǎo)向、支承及隔振等作用，是城市軌道車輛的核心裝置，決定了車輛牽引制動特性、輪軌壽命及運行品質(zhì)[2]。

1 鋼輪-鋼軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架

鋼輪-鋼軌系統(tǒng)包括地鐵和輕軌兩種制式，按車型分A、B、C型車，其轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)大同小異[3-4]，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼輪-鋼軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架

1.1 構(gòu)架

鋼輪-鋼軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架由側(cè)梁和中間橫梁構(gòu)成，無搖枕，俯視圖呈H形。結(jié)構(gòu)上均為中空梁，材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼，制造工藝涉及焊接和表面處理。中間橫梁布置齒輪箱、制動裝置及驅(qū)動電機等，側(cè)梁為魚腹形，即兩邊高中間低，以便放置空氣彈簧。

1.2 輪對

拖車與動車輪對的相同點在于車輪與車軸壓裝制造，同時均選用磨耗型車輪踏面，材料為車軸鋼。不同之處在于車軸結(jié)構(gòu)有差異，拖車車軸既沒有齒輪箱吊掛座，也沒有驅(qū)動齒輪[5]。

1.3 中央懸掛

一系懸掛用于緩沖輪對垂向運動，垂向載荷由一系螺旋彈簧、軸箱、輪對依次傳遞，最終到達(dá)鋼軌。當(dāng)從軌道上起吊轉(zhuǎn)向架時，一系垂向減振器可以保證在不脫離構(gòu)架前提下承擔(dān)輪對部分載荷，還可選用轉(zhuǎn)臂定位以應(yīng)對高速運行。

二系懸掛既可以提高城市軌道車輛的運行品質(zhì)，又可以減弱垂向振動所帶來的影響，主要設(shè)備包括二系垂向減振器、空氣彈簧等。墊片可調(diào)節(jié)車輛地板高度，緊急彈簧可將高度降低值限定在一定范圍內(nèi)，空氣彈簧可以支持車體，傳遞較小的橫向載荷和較大的垂向載荷。緊急彈簧與氣囊為串聯(lián)狀態(tài)，如果氣囊內(nèi)欠壓或過壓，面板會落到緊急彈簧上，此時緊急彈簧將替代空氣彈簧實現(xiàn)系統(tǒng)功能[6]。

1.4 驅(qū)動制動單元

驅(qū)動單元依靠聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱及電機實現(xiàn)扭矩傳遞，同時，為預(yù)防懸掛螺栓出現(xiàn)損壞，齒輪箱上通常設(shè)有安全托。牽引電機彈性吊掛于構(gòu)架上，橫向布置并設(shè)有安全卡槽。

1.5 制動單元

軌道車輛復(fù)合制動第三階段是選用輪盤制動的基礎(chǔ)制動，即機械制動。為保證制動閘瓦與踏面間隙保持在最佳范圍內(nèi)，對于基礎(chǔ)制動裝置，常設(shè)有閘瓦-踏面間隙自調(diào)系統(tǒng)，同時軌道車輛每根車軸都配有駐車制動裝置。

1.6 軸箱

除圓錐滾子軸承、軸圈外，密封端蓋及軸箱體等也是鋼輪-鋼軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架軸箱的核心部件，其中軸箱殼體材料選用C級鑄鋼。

1.7 抗側(cè)滾裝置

軌道車輛的懸掛系統(tǒng)允許輕微側(cè)傾狀態(tài)，如通過曲線段時，車輛由于橫風(fēng)或離心力引起側(cè)傾。為將側(cè)傾限制在安全行駛界限內(nèi)，在底架下方設(shè)有不影響二系懸掛垂向及橫向彈性特性的抗側(cè)滾裝置[7]。

2 跨座式單軌轉(zhuǎn)向架

跨座式單軌轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，除列車兩端外，跨座式單軌轉(zhuǎn)向架均為動力轉(zhuǎn)向架，此外，走行輪明顯區(qū)別于地鐵或輕軌的整體碾制鋼輪。單軌車輛通過4個導(dǎo)向輪從側(cè)面穩(wěn)穩(wěn)抱住軌道梁，從而實現(xiàn)自動對中導(dǎo)向。每個轉(zhuǎn)向架均有穩(wěn)定輪、導(dǎo)向輪及走行輪，共10個橡膠輪胎。同時，所有膠輪為防止失氣，都備有輔助車輪，走行輪還安裝胎壓監(jiān)測儀[8]。

圖2 跨座式單軌轉(zhuǎn)向架

2.1 走行輪

走行輪在驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩的作用下將車輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v沿軌道方向行駛的運動。走行輪為鋼絲圈膠胎，同時充氮氣，無內(nèi)胎，設(shè)置胎壓監(jiān)測儀，胎壓控制在880 kPa。一旦膠輪失氣，輔助實心輪將臨時代替走行輪實現(xiàn)系統(tǒng)功能[9-10]。此外，轉(zhuǎn)向架還設(shè)計有壓力表，每軸2個[11]。

2.2 平行輪總成

平行輪總成包括導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪除輪輞及輔助輪安裝位置不同外，其余相同。平行輪總成主要組成有橡膠輪胎、輪芯、輪輞、立式車軸和圓錐滾柱軸承。橡膠輪胎直徑為730 mm，充入氮氣，尼龍斜裁帶，有內(nèi)胎。為確保失氣狀態(tài)下車輛安全返回基地檢修，裝有輔助實心輪備用。

在單軌軌道梁兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪下側(cè)則是穩(wěn)定輪。由于2個走行輪的間距只有400 mm，屬隨遇不穩(wěn)定[12]，因此通常會設(shè)計兩個穩(wěn)定輪從側(cè)面抱住軌道梁，產(chǎn)生一個橫向力，從而形成一個附加力矩，使得隨遇不穩(wěn)定模式變?yōu)殡S遇穩(wěn)定模式，以保證單軌車輛的行駛穩(wěn)定性。

2.3 目字構(gòu)架

除牽引制動裝置、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪及走行輪外，車體懸掛、受流器及接地裝置等是跨座式單軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的關(guān)鍵部件。目字構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁、端梁、導(dǎo)向輪支架、電機吊座構(gòu)成，俯視呈目字形，并由合金結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成。

2.4 二系懸掛

單軌車輛通常由橡膠輪胎充當(dāng)一系懸掛，車體直接裝在空氣彈簧上，與轉(zhuǎn)向架之間采用二系懸掛，即通過中央懸掛裝置傳遞牽引力和橫向力，以實現(xiàn)輕量化，提高舒適性，并配置有高度調(diào)節(jié)閥和防過充裝置[13]。

3 懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。懸掛式單軌車輛以吊掛形式行駛在軌道上，車體在梁下，而轉(zhuǎn)向架位于車體上方，軌道梁為下開口箱型梁。每輛車有2個轉(zhuǎn)向架，靠走行輪承擔(dān)下部車體所有重力，并提供驅(qū)動力使列車沿軌道行駛。導(dǎo)向輪起導(dǎo)向和平衡作用[14]。

圖3 懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架

3.1 構(gòu)架

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架是由構(gòu)架本體和部件支座構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)，材料為鋼板和方鋼，構(gòu)架上設(shè)置各部件安裝座，不同位置導(dǎo)向輪受力不同，可為構(gòu)架提供力矩，防止側(cè)傾失穩(wěn)。牽引懸掛裝置可實現(xiàn)車體與構(gòu)架的相對運動，同時還可以傳遞兩者間的作用力。驅(qū)動裝置選用三相異步牽引電機，電機通過螺栓直接固定在齒輪箱上。

3.2 走行輪與導(dǎo)向輪

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架共有16個導(dǎo)向輪和4個走行輪，材料均為實心橡膠胎。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的自導(dǎo)向，構(gòu)架端角位置安裝有8個導(dǎo)向輪。走行輪直接安裝在齒輪箱輸出軸上，傳遞列車與軌道之間的縱向力和垂向力。

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架中，無論是導(dǎo)向輪還是走行輪，均稱為平行輪。轉(zhuǎn)向架每軸有2個走行輪，走行輪由車輪和輪胎兩部分構(gòu)成，較之鋼輪-鋼軌系統(tǒng)，膠輪運行噪聲小，運行更平穩(wěn)，且黏著系數(shù)高。導(dǎo)向輪通過與箱型軌道梁內(nèi)壁的導(dǎo)向輪走行軌面配合，實現(xiàn)對應(yīng)于傳統(tǒng)軌道交通車輛的輪對自對中和導(dǎo)向作用[15]。

3.3 中央懸掛

一系懸掛系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臂、走行輪、差速器齒輪箱與一系彈簧轉(zhuǎn)臂式定位系統(tǒng)構(gòu)成。轉(zhuǎn)臂以橡膠節(jié)點方式連接構(gòu)架安裝座，另一端與輪對齒輪箱體固定連接。車輛在通過曲線段時，車體通過牽引懸掛裝置繞中心銷一點轉(zhuǎn)動，通過車體重力沿水平方向的分力平衡離心力。中心銷與搖枕為關(guān)鍵承載部件，傳遞構(gòu)架與車體之間各個方向的力。

通常選用牽引懸掛裝置來連接轉(zhuǎn)向架與車體，同時傳遞兩者的載荷和相對運動。懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架為動力轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架上2套驅(qū)動裝置縱向布置，基礎(chǔ)制動裝置通過夾鉗與軌道間產(chǎn)生的摩擦阻力實現(xiàn)制動。懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架齒輪箱與傳統(tǒng)軌道交通車輛齒輪箱的不同之處在于其懸掛方式，懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架齒輪箱設(shè)置了轉(zhuǎn)臂定位關(guān)節(jié)安裝孔和齒輪箱懸掛安裝座。

4 有軌電車轉(zhuǎn)向架

有軌電車轉(zhuǎn)向架有些特別，常選用獨立旋轉(zhuǎn)車輪結(jié)構(gòu)，且?guī)缀醵歼x用低位橫軸，兩側(cè)車輪橫向耦合，最終完成自動導(dǎo)向及對中。為保證高可靠性、安全性與舒適性，通常選用傳統(tǒng)輪對，避免使用耦合輪對。有軌電車轉(zhuǎn)向架可實現(xiàn)低地板化，同時能夠以無滑動無摩擦狀態(tài)高速通過曲線段，輪軌間磨損、振動及噪聲小。有軌電車轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 有軌電車轉(zhuǎn)向架

有軌電車轉(zhuǎn)向架優(yōu)點如下：短軸距，選用小直徑獨立旋轉(zhuǎn)車輪；齒輪箱定制，設(shè)計合理，布置考究；構(gòu)架結(jié)構(gòu)簡單，形式多樣；輪對結(jié)構(gòu)為軸箱內(nèi)置，且選用彈性車輪結(jié)構(gòu)。有軌電車制動方式通常為非黏著制動與黏著制動相結(jié)合[16]，易脫軌的缺點較明顯。此外，因曲線自導(dǎo)向及直線自動對中性能較差，有軌電車轉(zhuǎn)向架只能依靠輪緣導(dǎo)向，造成輪緣磨損較為嚴(yán)重[17-18]。

5 直線電機車輛轉(zhuǎn)向架

直線電機車輛轉(zhuǎn)向架起承載、牽引、緩沖、轉(zhuǎn)向、制動等作用，關(guān)鍵技術(shù)包括電機氣隙調(diào)節(jié)、直線感應(yīng)電機懸掛、牽引力傳遞等。除構(gòu)架、輪對外，中央懸掛、驅(qū)動及制動裝置等也是關(guān)鍵部件。直線電機輪對軸箱裝置與普通軌道車輛非動力轉(zhuǎn)向架輪對在結(jié)構(gòu)上相似，輪徑較小且不傳遞牽引力，不同之處則在于直線電機車輛轉(zhuǎn)向架可以選用外軸箱式轉(zhuǎn)向架[19]。直線電機車輛轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 直線電機車輛轉(zhuǎn)向架

直線電機車輛轉(zhuǎn)向架通過將側(cè)梁設(shè)置在車輪內(nèi)側(cè)減小結(jié)構(gòu)尺寸。為減弱由構(gòu)架沉浮降低所造成的電機氣隙變化，一系懸掛在選用構(gòu)架懸掛以設(shè)置直線電機時，通常選用大垂向剛度，二系懸掛則通常設(shè)置有搖枕，并選用空氣彈簧?？稍O(shè)置抗側(cè)滾裝置，用于防止車輛傾覆。直線電機車輛轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動為液壓傳動盤制動[20]。

6 結(jié)束語

不同軌道制式對于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的設(shè)計有不同要求，雖然種類繁多，但城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架大都由構(gòu)架、輪對、中央懸掛、制動單元、驅(qū)動單元、軸箱等組成，且都追求良好的曲線通過能力，要求低磨損、低噪聲、靈活、可靠且便于維護?？缱絾诬夀D(zhuǎn)向架沒有一系懸掛，由橡膠輪胎代為實現(xiàn)這一功能。鋼輪-鋼軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架通常為H形構(gòu)架，而跨座式單軌轉(zhuǎn)向架則為目字構(gòu)架。

城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架正向輕量化技術(shù)發(fā)展，采用整體碾鋼小輪徑車輪、空心車軸、輕金屬軸箱體、輕量化軸箱軸承、輕量化焊接鋼結(jié)構(gòu)，同時采用新的懸掛技術(shù)，合理匹配一系懸掛縱橫剛度，并采用驅(qū)動電機懸掛。驅(qū)動技術(shù)方面，采用交流驅(qū)動、高速齒輪系統(tǒng)傳動。制動技術(shù)方面，采用聯(lián)合制動，以再生或電阻制動為主，以空氣制動為輔，同時電子限滑、軸盤或輪盤制動。

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)，直接影響車輛行駛的安全舒適性，可以有效解決車輛行駛穩(wěn)定性與曲線通過性之間的矛盾。在轉(zhuǎn)向架自身質(zhì)量減小的同時，牽引力減小，輪軌沖擊減輕，可以避免車輪嚴(yán)重磨損，對于車輛維修與保養(yǎng)至關(guān)重要。

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