葛方順，張會杰，周業(yè)明，任利惠

（1 同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804；2 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

低地板現(xiàn)代有軌電車以其便于登乘、乘坐舒適、環(huán)境友好、建設(shè)成本低等特點受人喜愛，已經(jīng)成為了一種新型城市軌道交通形式，在國內(nèi)外具有廣闊的發(fā)展前景[1?2]。目前我國新建的現(xiàn)代有軌電車均采用準(zhǔn)軌軌距，但在國外仍保留有許多米軌線路。為了利用既有的米軌線路，研制米軌現(xiàn)代有軌電車具有現(xiàn)實需求。輪軸裝置是實現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車客室低地板的關(guān)鍵，也是米軌現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架的核心裝置，因此設(shè)計適用于米軌線路、實現(xiàn)客室低地板的輪軸裝置是開發(fā)米軌現(xiàn)代有軌電車的關(guān)鍵之一。

1 概 述

1.1 準(zhǔn)軌現(xiàn)代有軌電車的典型輪軸結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)軌現(xiàn)代有軌電車的輪軸主要有兩種結(jié)構(gòu):小輪徑剛性輪對和獨立車輪輪對。

采用剛性輪對的低地板有軌電車轉(zhuǎn)向架大多采用軸箱內(nèi)置結(jié)構(gòu)，即軸箱結(jié)構(gòu)位于左右兩車輪之間，這種布置使得轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊，易于在車輪外側(cè)布置驅(qū)動裝置。軸箱內(nèi)置結(jié)構(gòu)通常由軸箱體、滾動軸承、軸箱前蓋、軸箱后蓋等組成，如圖1 所示[3]。滾動軸承一般采用圓錐滾珠軸承，既能承受徑向力，又能承受橫向力。

準(zhǔn)軌低地板有軌電車的獨立車輪輪對通常采用輪轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示[3]。車輪通過兩組半徑不同的圓錐滾珠軸承與車軸連接，因此不再需要設(shè)置軸箱體。一系懸掛通常直接安裝在軸橋上，而制動盤則設(shè)置在車輪的外側(cè)，與車輪固接。

1.2 國外米軌低地板有軌電車轉(zhuǎn)向架

圖1 準(zhǔn)軌剛性輪對的內(nèi)置軸箱結(jié)構(gòu)

圖2 準(zhǔn)軌獨立車輪輪對的輪軸結(jié)構(gòu)

Bombardier 公司Cityrunner 系列米軌低地板有軌電車采用的是S1000 型小輪徑剛性輪對轉(zhuǎn)向架。由于左右車輪之間的車體部位需要設(shè)置貫通道，受軌距限制，米軌轉(zhuǎn)向架需要采用構(gòu)架外置結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)低地板結(jié)構(gòu)。受車軸高度的制約，Cityrunner 系列米軌現(xiàn)代有軌電車轉(zhuǎn)向架上方客室高度在500 mm 左右，高于客室其他部位，使得客室只能采用斜坡過渡，轉(zhuǎn)向架如圖3所示。

圖3 S1000 米軌轉(zhuǎn)向架

Siemens 公司Combino 系列米軌轉(zhuǎn)向架采用的是縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架，同樣采用構(gòu)架外置結(jié)構(gòu)。為滿足低地板客室要求，Combino 米軌轉(zhuǎn)向架的軸橋設(shè)計成“C”字形，從車輪的外側(cè)繞過，如圖4 所示。

圖4 Combino 米軌拖車轉(zhuǎn)向架

Alstom 公司的Correge 動力轉(zhuǎn)向架采用的是獨立車輪轉(zhuǎn)向架。與其他有米軌轉(zhuǎn)向架類似，Correge 轉(zhuǎn)向架也采用了構(gòu)架外置和獨立車輪結(jié)構(gòu)，以保證客室過道的高度與客室其他位置一致。左右獨立車輪通過車輪外側(cè)的口字形軸橋連接。相比于Combino 的C 形輪軸結(jié)構(gòu)，口字形軸橋的受力條件更好，如圖5 所示。

1.3 米軌現(xiàn)代有軌電車設(shè)計分析

對于米軌有軌電車，采用小輪徑剛性輪對實現(xiàn)低地板的方案比較簡單，只要將軸箱移動到車輪外側(cè)，輪對、車軸與軸箱的結(jié)構(gòu)均不需要做大的改動。但使用小輪徑剛性輪對使得轉(zhuǎn)向架的部位的地板高度高于客室高度，并不是嚴(yán)格意義上的100%低地板車輛。采用獨立車輪轉(zhuǎn)向架可以保證客室內(nèi)的高度一致，借鑒國外米軌轉(zhuǎn)向架設(shè)計方案，獨立車輪轉(zhuǎn)向架輪軸系統(tǒng)也采用構(gòu)架外置的方案。相應(yīng)地，軸橋與輪對結(jié)構(gòu)都需要修改，無法直接借用準(zhǔn)軌獨立車輪轉(zhuǎn)向架的輪軸結(jié)構(gòu)。因此，米軌獨立車輪轉(zhuǎn)向架輪軸裝置的結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)軌轉(zhuǎn)向架輪軸系統(tǒng)區(qū)別較大。基于上述分析，提出了一種米軌獨立車輪轉(zhuǎn)向架輪軸裝置的設(shè)計方案，并對輪軸裝置的靜強度進行了校核。

圖5 Correge 動力轉(zhuǎn)向架

2 米軌輪軸裝置設(shè)計

2.1 輪軸總體方案

為了滿足有軌電車客室全部為低地板的要求，米軌轉(zhuǎn)向架的輪軸裝置采用獨立輪對系統(tǒng)，左右車輪在旋轉(zhuǎn)方向解耦，使得兩側(cè)車輪能夠以不同角速度旋轉(zhuǎn)，使用縱向耦合的方式驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)。車軸使用軸橋代替，起到安裝基礎(chǔ)與橫向固定的作用，普通的下凹式軸橋的軸承安裝在車輪內(nèi)側(cè)，無法滿足客室過道寬度的需求。將軸橋移到車輪的外側(cè)，同時將驅(qū)動裝置與制動裝置也全都移到構(gòu)架外側(cè)，驅(qū)動裝置與軸箱都移到構(gòu)架外側(cè)之后，不能繼續(xù)使用半軸連接軸橋，需要進行車軸輪芯一體化設(shè)計。輪軸裝置最終總體設(shè)計圖如圖6 所示。

圖6 米軌現(xiàn)代有軌電車輪軸系統(tǒng)設(shè)計方案

米軌獨立輪軸轉(zhuǎn)軸的主要參數(shù)如表1 所示。

2.2 車輪與軸箱

車輪與車軸采用一體化結(jié)構(gòu)，即將車軸與車輪的輪芯設(shè)計成一體，如圖7 所示。車軸（輪芯）呈階梯狀的結(jié)構(gòu)，從車輪向外延伸，通過軸承與軸橋配合，形成軸箱結(jié)構(gòu)。軸箱內(nèi)部設(shè)置一大一小兩個圓錐滾子軸承，大軸承靠近車輪，小軸承遠離車輪，軸承內(nèi)圈與車軸（輪芯）過盈配合，軸承外圈與軸橋上軸箱體過渡配合。大軸承選用 SKF 公司的 T4EE160/VB406，外徑 245 mm，內(nèi)徑160 mm，寬 度 61 mm。 小 軸 承 選 用 SKF 公 司 的32026X，外徑200 mm，內(nèi)徑130 mm，寬度45 mm。

表1 獨立輪軸系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

軸箱體與軸橋采用一體化設(shè)計。軸箱前蓋通過過盈配合安裝在軸箱體的內(nèi)端，與輪芯外端面形成迷宮式密封。軸箱后蓋通過螺栓安裝在軸箱體的外端，與法蘭盤形成迷宮式密封。軸端的法蘭盤通過螺栓與輪芯緊固連接。通過法蘭盤與制動盤或者驅(qū)動裝置的聯(lián)軸節(jié)相連，實現(xiàn)車輪的制動或者驅(qū)動。

車輪采用彈性車輪結(jié)構(gòu)，輪轂與橡膠元件過盈配合，橡膠元件與輪芯過盈配合，同時橡膠元件被輪芯與壓環(huán)夾住，再使用壓環(huán)螺栓固定。

在輪芯內(nèi)側(cè)開槽安裝接地裝置。接地裝置外圈與輪芯連接，內(nèi)圈與軸橋上伸出的安裝座連接，這樣車輪在旋轉(zhuǎn)的時候，接地裝置內(nèi)圈是與軸橋一起固定不旋轉(zhuǎn)的，接地電流通過接地裝置內(nèi)外圈之間的碳刷來傳遞。

軸箱的組裝過程如下:

圖7 車輪與軸箱剖面圖

（1）首先組裝彈性車輪，然后將大軸承壓裝到車輪輪芯；

（2）將軸箱前蓋壓入軸箱體；

（3）將軸箱體和軸箱前蓋與彈性車輪組裝；

（4）將小軸承壓裝到車輪輪芯；

（5）將軸箱后蓋組裝到軸箱體；

（6）法蘭盤通過螺栓緊固到輪芯端部。

軸箱拆卸工藝過程如下:

（1）拆卸法蘭盤和軸箱后蓋；

（2）高壓注油，將軸承與車輪輪芯分解；

（3）軸箱體與大小軸承分解；

（4）拆卸軸橋前蓋。

2.3 軸橋

軸橋采用一體化結(jié)構(gòu)，由軸箱體和軸身兩部分組成，呈封閉的“口”字形，如圖8 所示，在軸箱體的外側(cè)沿縱向設(shè)置一系橡膠彈簧的安裝座。軸橋結(jié)構(gòu)采用鑄焊結(jié)構(gòu)，軸箱體采用鑄造結(jié)構(gòu)，軸身采用鍛造結(jié)構(gòu)，兩者通過焊接連接，熱處理后整體加工。由于軸身部分主要承受彎曲載荷，為了減重將軸身斷面設(shè)計成了C 字形，這樣也使得軸身的鑄造更加方便。

圖8 軸橋結(jié)構(gòu)

2.4 輪緣內(nèi)側(cè)距校核

假設(shè)文中設(shè)計的轉(zhuǎn)向架用于單車體形式的有軌電車。單車體形式的有軌電車通過曲線時，車體與轉(zhuǎn)向架將產(chǎn)生較大的夾角。為了保證客室過道具有一定的寬度，必需要對輪緣內(nèi)側(cè)距進行校核。

其中，w為輪緣內(nèi)側(cè)距；S為軌距；Sp為輪軌游隙；d為新輪的輪緣厚度；d1為客室過道寬度；d2為車體結(jié)構(gòu)厚度；α為車體與轉(zhuǎn)向架最大夾角；D為軸距；rf為車輪最大半徑。

各參數(shù)的取值與計算值如表2 所示。

計算得到輪緣內(nèi)側(cè)距為950 mm，客室過道寬度為620 mm，即當(dāng)客室過道寬度設(shè)計為620 mm 時，滿足過曲線轉(zhuǎn)向架與車體夾角為最大時，車體不與輪緣接觸的要求。為了安全，設(shè)計車體與輪緣之間安全裕量為5 mm，這時客室過道寬度設(shè)計為615 mm。

表2 車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 軸橋靜強度校核

軸橋作為獨立輪對的關(guān)鍵部件，其強度直接關(guān)系到車輛的安全性，因此有必要對軸橋結(jié)構(gòu)強度進行計算分析。

3.1 有限元模型

為了更好的模擬軸橋的受力條件，建立了整個輪軸裝置的有限元模型。有限元模型中，所有零部件均采用四面體網(wǎng)格單元C3D10 單元。彈性車輪的所有零部件默認(rèn)采用直接固聯(lián)連接，軸承簡化為與輪芯同種材料。車輪的輪轂采用ER9 材料，輪芯與壓環(huán)采用30CrNi-Mo9 材料，軸橋使用 ZG310?570 材料。

橡膠是非線性材料，不能使用楊氏模量與泊松比表達它的性質(zhì)，這里使用簡化的兩參數(shù)Mooey?Rivlin模型

有限元分析中所需的常數(shù)C10和C01一般由試驗確定。設(shè)計階段在保證彈性車輪的剛度條件下，根據(jù)相關(guān)文獻[4]選擇硬度為75 HS 的橡膠，則有參數(shù)C01=2.9，C10=0.726。

3.2 計算載荷

軸橋是獨立車輪輪對特有的結(jié)構(gòu)，目前為止還沒有專門用來校核軸橋強度的標(biāo)準(zhǔn)[5?6]。依據(jù)構(gòu)架強度標(biāo)準(zhǔn)EN 13749 中的載荷，并根據(jù)力的傳遞性，計算軸橋上一系彈簧安裝座的載荷，對軸橋進行校核。

按照EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)，作用在車體上的縱向力、橫向力、垂向力和風(fēng)力分別為：

式（4）～式（7）中，車體總質(zhì)量

其中:Mv為 AW0 工況車體質(zhì)量；P1為載客質(zhì)量；nb為每個車體的轉(zhuǎn)向架個數(shù)；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量；Aw為車體單側(cè)面積；c是常數(shù)；q是風(fēng)載荷。

作用在構(gòu)架重心的縱向力、橫向力和垂向力分別為:

其中m2為轉(zhuǎn)向架簧上質(zhì)量

由于一系彈簧所受到的載荷是車體與轉(zhuǎn)向架簧上質(zhì)量的載荷代數(shù)和，所以將上面兩種載荷相加就可以得到軸橋一系彈簧安裝座上的載荷。根據(jù)EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)，車體與構(gòu)架的計算載荷參數(shù)的參考值如表3所示[7]。

表3 車體與構(gòu)架計算載荷參數(shù)的參考值表

代入相關(guān)數(shù)值之后可以得到載荷，如表4 所示。

在有限元模型中，縱向力和橫向力施加在一系彈簧安裝座的圓柱半面，垂向力施加在一系彈簧安裝座的上表面。按照列車運行的規(guī)律，在彈性車輪踏面與軌道接觸點施加垂向與縱向約束，在輪緣與軌道接觸點施加單向橫向約束。

3.3 靜強度校核結(jié)果

圖9 給出了軸橋在曲線通過和道岔通過計算工況中的Mises 應(yīng)力云圖，其中曲線通過時軸橋的最大應(yīng)力為201.4 MPa，道岔通過時最大應(yīng)力為149.87 MPa，兩種工況的最大應(yīng)力部位均位于大軸承安裝外表面與一系安裝座的過渡處邊緣；兩個工況下各零件Mises 等效應(yīng)力都小于材料屈服強度，并且靜強度安全系數(shù)大于1.5。

表4 計算載荷 kN

圖9 軸橋的應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種適用于米軌線路的現(xiàn)代有軌電車獨立車輪的輪軸裝置。該輪軸裝置采用車軸輪芯一體化結(jié)構(gòu)、軸箱外置和口字形軸橋，滿足了輪軸上方客室通道的低地板需求，并可根據(jù)需要安裝制動盤或驅(qū)動裝置的聯(lián)軸節(jié)。依據(jù)EN 13749 標(biāo)準(zhǔn)的載荷分析了軸橋的強度，有限元分析結(jié)果表明，軸橋的靜強度滿足要求。