低地板車輛轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)特點

■ 鐘敏 金偉 楚永萍

低地板車輛因其綠色環(huán)保、方便快捷的特點在歐洲得到廣泛應用。隨著我國城市化進程的推進，其又以投資小、見效快，越來越受到國內(nèi)城市的關(guān)注，并逐漸進入快速發(fā)展時期。但我國低地板車輛核心技術(shù)的發(fā)展相對薄弱，許多關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，特別是轉(zhuǎn)向架這一核心技術(shù)，還有待于行業(yè)內(nèi)深入研究。從低地板車輛編組及轉(zhuǎn)向架各主要部件結(jié)構(gòu)特點方面進行剖析，闡述低地板車輛轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)特點。

1 低地板車輛編組形式

車輛編組是軌道車輛非常重要的技術(shù)參數(shù)，需要考慮車輛服役的環(huán)境、線路及客流量等因素，決定了轉(zhuǎn)向架與車體間的接口及運動關(guān)系，直接影響轉(zhuǎn)向架總體方案和結(jié)構(gòu)設計。因此確定轉(zhuǎn)向架方案之前，應確定車輛的編組形式。由于低地板車輛經(jīng)常穿梭在城市中心的大街小巷，線路曲線非常小，最小平面曲線半徑可小至25 m，豎曲線半徑可小至幾百米。因此，低地板車輛一般不采用傳統(tǒng)地鐵車輛的編組形式，而是采用鉸接車體的編組形式，曲線通過主要依靠相鄰車體間的鉸接機構(gòu)的轉(zhuǎn)動自由度來完成。目前主流的低地板車輛編組形式有3種。

1.1 6軸3車體70％低地板車輛編組形式

如圖1所示，編組中有3個車體，兩端為長車體，中間為短車體，每個車體下設有一個轉(zhuǎn)向架。兩端為動車轉(zhuǎn)向架，由于電機和齒輪箱傳動裝置空間原因，轉(zhuǎn)向架上部地板面為高地板區(qū)域，其余區(qū)域均為低地板（拖車轉(zhuǎn)向架上方過道為低地板區(qū)域，其余區(qū)域布置座椅）區(qū)域，低地板區(qū)域面積占車輛客室內(nèi)總面積的比率可達70％左右（70％低地板因此得名）。

按這種方式編組的車輛通過曲線時，動車轉(zhuǎn)向架與車體有較大轉(zhuǎn)角，一般采用搖枕結(jié)構(gòu)，且需采用旁承承載以保證車輛穩(wěn)定性；中間拖車轉(zhuǎn)向架與短車體無相對轉(zhuǎn)角，通過車端鉸接的引導，和短車體一起自動趨于徑向位置。

1.2 6軸5車體100％低地板車輛編組形式

如圖2所示，在這種形式的車輛編組中，有5個車體，分3種模塊，兩端為司機室模塊，中間2個長車體為懸浮模塊，中間一個短車體為轉(zhuǎn)向架模塊。司機室模塊和轉(zhuǎn)向架模塊各有一個轉(zhuǎn)向架支撐，過曲線時，車體和轉(zhuǎn)向架之間無轉(zhuǎn)角。

這種編組方式應用最為廣泛，龐巴迪、阿爾斯通100％低地板車輛均采用這種編組方式。優(yōu)點是車內(nèi)空間非常寬敞，且轉(zhuǎn)向架數(shù)量較少，有利于成本控制；不足是車體質(zhì)量由鉸接機構(gòu)承擔，工況惡劣，應特別關(guān)注鉸接機構(gòu)和車體端墻強度。

1.3 “2+2”100％低地板車輛編組形式

如圖3所示，這種編組方式每個車體中間都有一個轉(zhuǎn)向架，一般以2個車體為基本編組單元，可方便擴編為4車體、6車體甚至是8車體。西門子100％低地板車輛一般采用這種編組方式。

這種編組方式的優(yōu)點是由于沒有懸浮車體，車體質(zhì)量靠轉(zhuǎn)向架承擔，鉸接機構(gòu)不承受額外的垂向載荷，鉸接機構(gòu)和車體端墻應力小，壽命長；車體模塊少，擴編方便。不足是車體內(nèi)部空間不夠?qū)挸?，車輛包絡線較大，車體寬度受到一定限制。

2 低地板車輛車體鉸接結(jié)構(gòu)

鉸接機構(gòu)是低地板車輛的關(guān)鍵技術(shù)，與車輛動力學性能優(yōu)劣有直接關(guān)系。鉸接裝置主要分為3種：固定鉸、轉(zhuǎn)動鉸和自由鉸。

2.1 固定鉸

固定鉸可以提供3個方向轉(zhuǎn)動自由，限制3個方向的平動自由度，因此可以承受垂向、縱向和橫向載荷，一般用做下鉸（見圖4）。

2.2 轉(zhuǎn)動鉸

轉(zhuǎn)動鉸只提供繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動自由度，其余方向自由度均被約束，一般用做上鉸（見圖5）。

2.3 自由鉸

自由鉸一般為一根兩端帶關(guān)節(jié)的拉桿，既可以提供繞 Z 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度，又可以提供Y 軸方向的平動自由度，一般用做上鉸（見圖6）。

2.4 鉸接裝置的配置

圖7所示為應用最為廣泛的6軸5車體編組鉸接裝置布置之一。下鉸均采用固定鉸，上鉸有轉(zhuǎn)動鉸和自由鉸。采用固定鉸和轉(zhuǎn)動鉸組合的車體之間因有搖頭自由度而能夠順利通過半徑很小的水平曲線，采用固定鉸和自由鉸組合的車體之間因有點頭自由度而能夠順利通過半徑較小的豎曲線。由于車體間具有較大的搖頭自由度，車輛穩(wěn)定性較差，為了保證車輛具有足夠的穩(wěn)定性，因此，一般低地板車輛相鄰車體之間安裝了車端減振器以增加車體搖頭方向的阻尼。

3 低地板車輛輪對結(jié)構(gòu)形式

輪對的結(jié)構(gòu)形式是實現(xiàn)低地板的關(guān)鍵所在。一般來講，處于低地板區(qū)域的轉(zhuǎn)向架都采用獨立輪對（見圖8），獨立輪對就是左右兩個車輪之間不用車軸連接，而是采用U形軸橋連接，車輪可以繞著軸橋自由旋轉(zhuǎn)，而軸橋保持不動，軸橋上方則可以實現(xiàn)低地板。

獨立輪對雖然很好解決了車輛低地板面的問題，但同時也帶來了新的問題。由于左右車輪解耦，可以獨立自由旋轉(zhuǎn)，不能像傳統(tǒng)帶軸輪對一樣具有縱向蠕滑力，沒有自導向能力，當輪對偏離軌道中心時，一側(cè)車輪輪緣會貼靠在軌道上，無法自動回中，容易產(chǎn)生偏磨，而且脫軌風險較大。因此需要采取一些控制手段對獨立輪對進行控制。

目前獨立輪對控制手段各不相同，但其根本原理都是一樣，都是采用其他手段使獨立輪對左右車輪同步，重新獲得縱向蠕滑力，實現(xiàn)自導向功能。

3.1 機械控制方式

采用機械控制方式，通過機械傳動機構(gòu)將左右車輪相連，達到同步的目的。這種方式的代表有阿爾斯通的CITADIS和安薩爾多的SIRIO系列低地板車輛轉(zhuǎn)向架（見圖9）。阿爾斯通在軸橋內(nèi)安裝了一根傳動軸，通過齒輪傳動機構(gòu)將左右車輪耦合在一起，達到左右車輪同步；安薩爾多轉(zhuǎn)向架原理也一樣，但傳動軸是外置的，且在此基礎上增加了一套帶離合器的差速機構(gòu)，在直線上差速器不工作，左右輪對完全同步運行，當?shù)搅撕苄〉那€左右車輪間的扭矩不斷增加到一定值時，離合器會自動打開，差速器開始工作，左右車輪轉(zhuǎn)速不同步。采用機械控制方式也可以稱為橫向耦合控制，左右車輪同步效果好，接近于傳統(tǒng)輪對性能，但結(jié)構(gòu)較復雜。

3.2 電子控制方式

采用電子控制方法的主要代表有西門子、斯柯達等。這種控制方式主要依賴電子控制技術(shù)，不斷調(diào)整各電機轉(zhuǎn)速，使其盡量一致，間接使車輪轉(zhuǎn)速一樣。西門子 COM BINO轉(zhuǎn)向架（見圖10）是采用一個電機控制一側(cè)輪對的方式，稱為縱向耦合，而其他公司一般采用一個電機控制一個車輪的方式，其中有的采用輪轂電機。電子控制方式優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)簡單，但電氣控制系統(tǒng)較復雜，且最精確的控制系統(tǒng)也無法使左右車輪轉(zhuǎn)速完全相同，轉(zhuǎn)向架自導向能力較機械控制方式稍有不及。

3.3 獨立輪對轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架比較

3.3.1 車輪安全性比較

傳統(tǒng)輪對左右車輪角速度相等，當輪對出現(xiàn)橫向位移時，左右輪速度不同，形成縱向蠕滑，而獨立輪對左右車輪獨立旋轉(zhuǎn)，左右輪角速度可以不同，因此不產(chǎn)生縱向蠕滑力，但車輪偏轉(zhuǎn)后，同樣可以產(chǎn)生橫向蠕滑力。

在較大曲線半徑（一般指大于50 m）和直線上，傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架的安全性明顯比獨立輪對高。這是因為縱向蠕滑力形成的力矩使得輪對利于通過曲線；而獨立輪對轉(zhuǎn)向架由于沒有縱向蠕滑力矩的導向作用，不能在曲線上自動趨于徑向位置，因而沖角大，容易發(fā)生輪緣貼靠，加之在大半徑曲線和直線上車輛運行速度較快，脫軌風險增大。因此，從理論上講獨立輪對更容易發(fā)生脫軌事故。

當然，要解決左右車輪的速度差，使其盡可能一致，可以通過采用機械或電子控制方式，其轉(zhuǎn)向架性能可以得到一定改善，但其結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架復雜，且自導向能力還是難以與傳統(tǒng)輪對相比，如機械傳動機構(gòu)齒輪比誤差和傳動軸的小剛度均會損失部分縱向蠕滑力；而采用電子控制系統(tǒng)，由于電機轉(zhuǎn)速與負載有關(guān)，而車輪負載是一直變化的，特別是在曲線上，左右車輪負載不一致，左右車輪轉(zhuǎn)速難以保持一致，自導向能力非常有限。

而在極小曲線上（一般指小于50 m），獨立輪對轉(zhuǎn)向架的安全性會較好。這是因為傳統(tǒng)車輪在通過小半徑曲線時，縱向蠕滑力形成的力矩反而不利于曲線通過；獨立輪對各自沒有約束，左右車輪沒有縱向蠕滑力矩，相對更不容易發(fā)生脫軌。

3.3.2 車輪磨耗比較

由于獨立車輪運行中各自獨立，缺少導向性，一旦輪緣貼靠很難自動調(diào)節(jié)，在直線上會發(fā)生一側(cè)輪緣會與鋼軌一直接觸，造成輪緣磨耗嚴重；傳統(tǒng)輪對具有導向性，在直線上輪緣不會一直貼靠鋼軌，運行中主要磨耗的是踏面。從磨耗后的鏇修來看，輪緣磨耗相比踏面磨耗會成倍縮短車輪的使用壽命。

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通過以上分析可以看出：在直線和曲線半徑較大的線路上，傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架有著較高的安全性和較低的磨耗，而獨立輪對轉(zhuǎn)向架僅在極小半徑曲線上會有相對較好的通過性能。因此，選擇傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架還是獨立輪對轉(zhuǎn)向架，需要考慮車輛服役線路的情況。由于國內(nèi)低地板線路基本都屬于新建，線路條件較好，極小半徑曲線所占整個線路的比例非常小，如蘇州有軌電車1號線，半徑小于50 m的曲線長度不到整個線路長度的4％，因此傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架比獨立輪對轉(zhuǎn)向架更適合。

4 低地板車輛轉(zhuǎn)向架車輪結(jié)構(gòu)特點

4.1 彈性車輪結(jié)構(gòu)

低地板車輛一般在鬧市區(qū)，對噪聲的要求較高，因此為了降低輪軌噪聲，幾乎所有低地板車輛轉(zhuǎn)向架均采用彈性車輪（見圖11），彈性車輪依靠內(nèi)部橡膠塊起到減振降噪的作用。

4.2 槽型軌

低地板車輛采用與大鐵路完全不同的槽型軌，使用較為廣泛的2種槽型軌為59Ri2和60Ri2（見圖12），這2種槽型軌軌頂有一個1∶40的斜度，類似普通60 kg/m鋼軌軌底坡的作用，利于輪軌之間的匹配。

4.3 輪軌匹配關(guān)系

由于采用槽型軌，輪軌間的配合就較復雜，需綜合考慮軌距、槽寬及道岔情況，才能完成車輪踏面及輪緣的設計。首先應根據(jù)軌距及槽寬，確定輪對內(nèi)側(cè)距；然后根據(jù)道岔形式及軌槽形狀確定輪輞寬度、輪緣厚度、輪緣間隙、輪背間隙、輪緣高度、輪緣角和輪背角等參數(shù)；最后通過整車動力學仿真對踏面進行優(yōu)化。

對于采用標準軌距的59Ri2槽型軌，輪對內(nèi)側(cè)距約為1 380 mm，對于采用獨立輪對的低地板車輛轉(zhuǎn)向架，由于沒有縱向蠕滑力不能自動對中，輪對偏離軌道中心時，只能通過重力來復原，因此輪軌接觸角應盡量大；對于傳統(tǒng)輪對，由于存在蛇形運動，等效錐度應盡量小，不然容易導致失穩(wěn)；如既有傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架，又有獨立輪對轉(zhuǎn)向架（如70％低地板車輛），為了共用踏面，接觸角應盡量大，等效錐度應盡量小。

5 低地板車輛轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)

低地板車輛轉(zhuǎn)向架和地鐵車輛轉(zhuǎn)向架一樣，均采用兩級懸掛系統(tǒng)：一系懸掛和二系懸掛，不過其空間結(jié)構(gòu)尺寸較小。但阿爾斯通的CITADIS低地板車輛轉(zhuǎn)向架沒有一系懸掛，采用徑向剛度很小的彈性車輪代替一系懸掛。

低地板車輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用空間結(jié)構(gòu)尺寸較小的錐形橡膠彈簧和人字形橡膠彈簧結(jié)構(gòu)，也有的轉(zhuǎn)向架采用尺寸更小的液壓彈簧，但成本較高。由于空間尺寸較大，鋼簧轉(zhuǎn)臂定位和鋼簧導柱定位形式在低地板車輛轉(zhuǎn)向架上基本不用。二系懸掛主要采用鋼彈簧和沙漏橡膠彈簧。

5.1 錐形橡膠彈簧

錐形橡膠彈簧（見圖13）懸掛方式結(jié)構(gòu)簡單、高度調(diào)整方便，在低地板車輛轉(zhuǎn)向架中運用十分廣泛。不足之處在于難以達到縱向和橫向剛度的最優(yōu)匹配，因為一般的錐形橡膠彈簧橫向剛度和縱向剛度一樣，這與低地板車輛轉(zhuǎn)向架需要低的橫向剛度便于過曲線、高的縱向剛度保證穩(wěn)定性的要求有矛盾，不過可以在橡膠內(nèi)部開缺口，使橫、縱向剛度不同，但會對橡膠彈簧的壽命有一定影響。錐形橡膠堆非常適合于獨立輪對轉(zhuǎn)向架，橫向剛度較小，縱向剛度的不足可以通過軸橋拉桿來彌補。

5.2 人字形橡膠彈

人字形橡膠彈簧優(yōu)點是橫、縱向剛度匹配較容易，但結(jié)構(gòu)較復雜，蠕變后高度調(diào)整不便。從結(jié)構(gòu)上講，人字形橡膠堆比較適合用于帶端梁的轉(zhuǎn)向架，如采用牽引傳動裝置全懸掛的70％低地板車輛轉(zhuǎn)向架（見圖14）。

5.3 沙漏橡膠彈簧

對于地鐵和客車轉(zhuǎn)向架的二系懸掛，主要有2種選擇：空氣彈簧和鋼彈簧。空氣彈簧因優(yōu)越的綜合性能是地鐵、動車組等無搖枕轉(zhuǎn)向架的首選，但對于低地板轉(zhuǎn)向架來說，空氣彈簧不是很合適，原因主要有兩點：第一是空氣彈簧需要風源，而低地板車輛一般沒有；第二是空氣彈簧橫向尺寸較大，影響低地板車輛過道寬度。鋼彈簧在低地板轉(zhuǎn)向架上應用比較廣泛，但其高度較大，不利于轉(zhuǎn)向架上方座椅的布置。

近年來，低地板轉(zhuǎn)向架逐漸開始采用一種叫沙漏橡膠彈簧的新型橡膠彈簧作為二系懸掛，這種橡膠彈簧在空間尺寸上結(jié)合空氣彈簧和鋼彈簧的優(yōu)點，性能上卻幾乎可以和空氣彈簧媲美，是一種專門為低地板轉(zhuǎn)向架二系懸掛開發(fā)的橡膠彈簧（見圖15）。

這種沙漏橡膠彈簧直徑約為300 m m，和鋼彈簧尺寸相當，載荷高約260 mm，和空氣彈簧工作高差不多，單個沙漏橡膠簧的橫向剛度可以做到低于100 N/mm，垂向剛度能做到400 N/m m甚至更小，完全能夠滿足低地板轉(zhuǎn)向架對剛度的要求。目前這種沙漏橡膠彈簧在低地板車輛轉(zhuǎn)向架中使用越來越廣泛。

6 低地板車輛轉(zhuǎn)向架基礎制動

低地板車輛由于需要和其他交通工具混合路權(quán)運營，因此對制動性能要求很高：緊急制動減速度要求2.8 m/s2以上。因此，低地板車輛一般具備3種制動：電制動、液壓制動和磁軌制動。電制動依靠牽引電機實現(xiàn)；液壓制動通過液壓制動夾鉗和制動盤實現(xiàn)，液壓制動夾鉗按安裝方式可分為浮動式和固定式2種；磁軌制動通過與鋼軌間的摩擦力實現(xiàn)，是一種非黏著制動方式。

6.1 浮動式液壓制動夾鉗

浮動式液壓制動夾鉗一般應用在采用傳統(tǒng)輪對的100％低地板車輛轉(zhuǎn)向架上，夾鉗安裝在構(gòu)架上，制動盤安裝在軸上（見圖16）。浮動式液壓制動夾鉗通過一個彈性球鉸和一根拉桿與構(gòu)架相連，能夠適應一系懸掛的運動。

6.2 固定式液壓制動夾鉗

固定式液壓制動夾鉗一般應用在牽引傳動裝置全懸掛的70％低地板動車轉(zhuǎn)向架和獨立輪對轉(zhuǎn)向架上，其和制動盤之間安裝位置相對固定（見圖17），（a）圖中夾鉗和制動盤是安裝在70％低地板動車轉(zhuǎn)向架齒輪箱上，（b）圖中的夾鉗和制動盤安裝在獨立輪對軸端上。由于不需要拉桿，固定式液壓制動夾鉗比浮動式結(jié)構(gòu)更緊湊。

6.3 磁軌制動器

磁軌制動器（見圖18）通過懸掛裝置彈性吊掛在構(gòu)架或軸箱上，距離軌面有一定的間隙要求（一般安裝在軸箱上時為7 mm，安裝在構(gòu)架上時因考慮一系懸掛裝置的位移，會適當增大到十 幾毫米），當列車施加緊急制動時，磁軌制動器通電，其內(nèi)部線圈產(chǎn)生強大磁力迅速吸附在鋼軌上，與鋼軌產(chǎn)生滑動摩擦，形成制動效果。該制動力通過與構(gòu)架間的止擋直接傳遞給構(gòu)架，不需通過車輪，因此其制動力不受輪軌間的黏著限制。

磁軌制動距離軌面的間隙非常重要，如果超過允許范圍，磁軌制動器有可能無法吸附到鋼軌上，因此磁軌制動都帶有高度調(diào)整功能，車輛運行過程中應及時調(diào)整制動裝置距離軌面的距離，保證其在允許范圍內(nèi)。

7 結(jié)束語

目前國內(nèi)外低地板車輛轉(zhuǎn)向架種類繁多，各種轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不一，設計理念不同，各有優(yōu)缺，應以安全可靠為前提，全面綜合分析和評估利弊，揚長避短。

[1] 王歡，戴煥云，池茂儒．國外100％低地板輕軌車動力轉(zhuǎn)向架縱覽[J]．內(nèi)燃機車，2007(12)：1-6．

[2] 王軍．城市輕軌車輛及轉(zhuǎn)向架[J]．鐵道車輛，2000，38(增刊)：102-105，109．

[3] 中國北方機車車輛工業(yè)集團公司科學技術(shù)協(xié)會，長春客車廠老年科技工作者協(xié)會．城軌車輛技術(shù)與應用[M]．北京：中國鐵道出版社，2005．