懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)組成

文/楊雨 王伯銘 楊俊杰

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，懸掛式單軌交通以其占地面積少、建設(shè)成本和運營成本低、編組靈活、環(huán)境友好以及良好的爬坡能力和曲線通過能力等優(yōu)點，逐漸得到城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)者的青睞與關(guān)注。鑒于懸掛式單軌車輛有別于其他城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)向架設(shè)計對于懸掛式單軌車輛有其特殊意義，本文以某懸掛式單軌交通系統(tǒng)車輛為例，說明懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)組成。

1 懸掛式單軌車輛總體規(guī)格參數(shù)

懸掛式單軌列車總體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

2 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架

如圖1所示，懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架為兩軸動力轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架由走行輪1、走行輪安全輪2、構(gòu)架3、空氣彈簧4、懸吊裝置5、枕梁6、橫向拉桿7、齒輪箱8、基礎(chǔ)制動裝置9、導(dǎo)向輪10、導(dǎo)向輪安全輪11和牽引電機12等組成。

表1 懸掛式單軌列車總體規(guī)格參數(shù)

圖1 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

走行輪和導(dǎo)向輪均采用充氣橡膠輪胎，不僅有良好的緩沖減振效果，同時還降低了噪音污染；采用梯形車體懸吊裝置，其上端通過中心銷連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，中心銷通過尼龍?zhí)着c構(gòu)架內(nèi)板接觸傳遞列車的牽引力和制動力，下端通過車體安裝座連接車體，這樣不僅實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架三個力的傳遞，同時滿足了車體和轉(zhuǎn)向架之間的相對運動；轉(zhuǎn)向架在構(gòu)架前后兩側(cè)安裝有尼龍制的走行輪安全輪，可以保證車輛在橡膠輪胎破裂時低速行駛至安全位置；采用差速器結(jié)構(gòu)，在車輛通過曲線時實現(xiàn)內(nèi)外側(cè)車輪以不同的速度轉(zhuǎn)動，從而提高車輛的曲線通過性能，減少橡膠輪胎的磨損。

2.1 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架的傳力原理

垂向力（即重力）的傳力走向為：車體→懸吊裝置→中心銷→枕梁→空氣彈簧→構(gòu)架→走行輪→走行軌。

橫向力包括離心力等。當橫向力較小時傳力走向為：導(dǎo)向輪→構(gòu)架→空氣彈簧+橫向拉桿→枕梁→中心銷→懸吊裝置→車體；當橫向力較大時傳力走向為：導(dǎo)向輪→構(gòu)架→彈性橫向止擋→中心銷→懸吊裝置→車體。

縱向力（即牽引力或制動力）的傳力走向為：走行輪→構(gòu)架→中央牽引座→中心銷→懸吊裝置→車體。

2.2 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架主要組成部分

2.2.1 二系懸掛元件

二系懸掛元件是以空氣彈簧為主的結(jié)構(gòu)。車輛運行工況下，空氣彈簧垂向剛度對導(dǎo)向輪最大導(dǎo)向力、走行輪最大垂向力的影響不明顯，但對直線狀態(tài)下車輛平穩(wěn)性指標和曲線通過性能有影響。垂向剛度選擇0.35MN/m；考慮走行輪的使用壽命，選取空氣彈簧的縱/橫向剛度為0.1MN/m。

2.2.2 走行輪與空心軸

空心軸為聯(lián)系車輪與構(gòu)架的互動關(guān)節(jié)，起著傳遞載荷、固定軸距的作用。走行輪輪輞與輪轂為螺栓連接，走行輪的驅(qū)動半軸穿過焊接在構(gòu)架側(cè)面的空心軸與齒輪箱的從動齒輪連接，齒輪與驅(qū)動軸的連接方式為鍵連接?？招妮S部分的密封主要利用后蓋和密封圈來完成。走行輪要嚴格控制空心軸的軸向定位，以實現(xiàn)走行輪輪距的準確給定。本文采用軸肩和軸承端蓋配合使用的方法來解決軸上零件的軸向定位問題，由于走行輪為懸臂布置，在空心軸上采用一對軸承進行支承。

在垂向方向上，懸掛式單軌車輛上唯一與走行軌接觸的部分即為走行輪。由于走行輪經(jīng)常會由于磨損而更換或維修，為了便于走行輪在空心軸上的裝拆，將空心軸做成了階梯形，軸的直徑由外向內(nèi)逐漸增大；各軸段端部應(yīng)有倒角過渡，裝配時從外側(cè)端部裝入，拆卸順序與裝配順序相反。

2.2.3 牽引驅(qū)動裝置

在每個轉(zhuǎn)向架的首尾兩端各有一個牽引電機，其額定功率為65kW，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。列車的牽引力通過電機軸輸出端安裝的聯(lián)軸節(jié)傳遞至轉(zhuǎn)向架差速齒輪組上，由差速齒輪軸通過走形輪上的驅(qū)動半軸將驅(qū)動力傳遞給走行輪。在聯(lián)軸節(jié)與齒輪之間，裝設(shè)有與汽車類似的差速器結(jié)構(gòu)，可以使內(nèi)外側(cè)走行輪以不同的速度運行，以保證車輛有較好的曲線通過性能。聯(lián)軸節(jié)與差速器安裝在構(gòu)架過渡部分和齒輪箱外殼內(nèi)部。懸掛式單軌車輛齒輪傳動結(jié)構(gòu)為單級錐齒輪傳動，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，易于維修。

2.2.4 基礎(chǔ)制動裝置

懸掛式單軌車輛的基礎(chǔ)制動主要包括兩部分：軸盤制動和駐車制動。

安裝在走行輪輪轂側(cè)的軸盤制動，在施行制動時，司機發(fā)出的制動信號首先傳遞給總風(fēng)缸和風(fēng)缸，然后通過空油轉(zhuǎn)換裝置將空氣壓力信號轉(zhuǎn)化為壓力油的壓力信號，再將壓力信號傳遞給制動盤上的夾鉗，推動其活塞進行動作，最終實現(xiàn)依靠夾鉗夾緊時與軸盤間產(chǎn)生的摩擦力使列車減速。

駐車制動的主要作用是使已經(jīng)停止的列車駐留原地不動。設(shè)備包括制動盤和單元制動器，安裝在轉(zhuǎn)向架前后兩個端部，制動盤與牽引電機軸直接相連，利用彈簧儲能器進行制動。

根據(jù)驅(qū)動半軸直徑的需要，結(jié)合懸掛式單軌車輛的軌距、走行輪輪寬實際尺寸，確定空心軸的內(nèi)徑為65mm，最小外徑為78mm，并且分為四段：第一段為空心軸直徑最小的部分，有套筒安裝在此段并與輪轂有間隙配合；第二段直徑稍大，有軸承安裝在此處；第三段直徑較第二段更大，兩處軸承在此處與輪轂凸臺共同形成軸向定位；最后一段在輪轂內(nèi)側(cè)利用后蓋和密封圈進行密封。確定空心軸總長度為285mm；自軸承寬的中心處，兩中心軸線距離100mm。

2.2.5 懸掛式單軌車輛構(gòu)架

（1）構(gòu)架設(shè)計原則

根據(jù)懸掛式單軌車輛的設(shè)計要求，構(gòu)架需要承擔以下部件的安裝和載荷：為車輛運行提供動力的牽引電機兩組，分別安裝在構(gòu)架的兩端；走行輪4組；對走行輪直接提供轉(zhuǎn)矩的齒輪箱兩組；為提高車輛曲線通過性能而設(shè)置的差速器和差速器保護結(jié)構(gòu)以及聯(lián)軸節(jié)；起緩沖減振作用的空氣彈簧和設(shè)置防側(cè)滾的橫向拉桿及與其配合的枕梁結(jié)構(gòu)。

在進行懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計時，需要遵循以下設(shè)計原則：全面考慮構(gòu)架與各零部件的相互位置，合理布置結(jié)構(gòu)；應(yīng)盡可能將構(gòu)架各梁設(shè)計成等強度梁，以保證獲得最大強度和最小自重；構(gòu)架各梁的布置應(yīng)盡可能對稱，以簡化制造工藝；注意減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中；選擇合理的焊縫結(jié)構(gòu)尺寸和布置，消除焊接應(yīng)力。

（2）構(gòu)架結(jié)構(gòu)

如圖2所示，懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用鋼板焊接和螺栓聯(lián)接結(jié)合的整體承載結(jié)構(gòu)，按照構(gòu)架的功能性及連接部件類型劃分，構(gòu)架主要由牽引電機外殼1、構(gòu)架過渡部分2、齒輪箱外殼3、構(gòu)架中間部分4、走行輪空心軸5、走行輪安全輪安裝座6、導(dǎo)向輪安裝座7以及橫向拉桿安裝座8等組成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體呈圓通型結(jié)構(gòu)，設(shè)備基本對稱布置，整體轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，安全可靠。

圖2 懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

構(gòu)架各個組成部分主要為焊接結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)架中間部分4、齒輪箱外殼3和構(gòu)架過渡部分2等結(jié)構(gòu)部分。齒輪箱外殼3與構(gòu)架中間部分4組焊為一個整體，走行輪安全輪安裝座6焊接在構(gòu)架過渡部分2的下方，構(gòu)架過渡部分2與齒輪箱外殼部分3采用螺栓聯(lián)接。導(dǎo)向輪安裝座7焊接在牽引電機外殼3兩側(cè)，橫向拉桿安裝座8焊接在構(gòu)架中間部分4上，走行輪空心軸5懸臂焊接在齒輪箱外殼3側(cè)面，牽引電機通過牽引電機外殼3采用螺栓聯(lián)接在構(gòu)架過渡部分2及走行輪安全輪安裝座6的整體焊接結(jié)構(gòu)上。

（3）構(gòu)架設(shè)計方案

懸掛式單軌車輛的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計為整體長圓筒形全對稱結(jié)構(gòu)。為避免長細型結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生較大的焊接變形，構(gòu)架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)和螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。按照結(jié)構(gòu)組成形式，將懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架分成主構(gòu)架（包含圖2中的件號3、4、5、8）、副構(gòu)架（包含圖2中的件號2和件號6）和牽引電機外殼（包含圖2中的件號1和件號7）等三部分。主、副構(gòu)架采用Q345E全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，厚度為8mm，法蘭盤厚度為16mm；空心軸采用20Cr材質(zhì)，與齒輪箱側(cè)板采用周圈角焊的形式焊接在一起；牽引電機外殼采用球墨鑄鐵材料。上述各部分之間采用螺栓聯(lián)接而成整體，副構(gòu)架與主構(gòu)架之間通過14個8.8級M24×50 螺栓聯(lián)接，牽引電機外殼與副構(gòu)架之間通過14個8.8級M20×40螺栓聯(lián)接。由圖2可知，副構(gòu)架和牽引電機外殼各有兩組，沿構(gòu)架縱向關(guān)于主構(gòu)架對稱分布。主構(gòu)架、副構(gòu)架三維結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。

牽引電機外殼部分安裝牽引電機和駐車制動盤，主要包括靠近中部的散熱孔軸段（與副構(gòu)架螺栓連接）、牽引電機外殼段以及外殼端蓋三部分。駐車制動的制動盤通過螺栓安裝在電機外殼端蓋上，導(dǎo)向輪安裝座直接對稱焊接在圓柱外側(cè)。散熱段與牽引電機外殼段合并鑄造成一體；端蓋單獨鑄造，兩部分通過焊接方法連接起來，制動盤安裝對稱分布于構(gòu)架的兩端，中央有一通孔，有一軸由電機輸出端引出。牽引電機外殼結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 懸掛式單軌車輛主構(gòu)架三維結(jié)構(gòu)

圖4 懸掛式單軌車輛副構(gòu)架三維結(jié)構(gòu)

圖5 懸掛式單軌車輛牽引電機外殼三維結(jié)構(gòu)

（4）構(gòu)架強度計算

本文采用有限元法對懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了靜強度分析。載荷工況按照UIC 615-4及DIN EN 13749：2011-06中有關(guān)BIII及BIV 型車相關(guān)要求確定。構(gòu)架有限元模型選用solid 95單元，單元數(shù)453095，節(jié)點數(shù)850014。構(gòu)架有限元模型以及構(gòu)架應(yīng)力模型分別如圖6、7所示。

在各載荷工況下，構(gòu)架上各節(jié)點的von_Mises 最大等效應(yīng)力不得超過材料屈服強度σs和安全系數(shù)的比值。參照國際鐵路聯(lián)盟試驗研究報告ERRI B12/RP17推薦構(gòu)架母材區(qū)域安全系數(shù)取1.0，焊縫區(qū)域安全系數(shù)取1.1，相應(yīng)Q345E鋼板許用應(yīng)力[σ]=345（母材）或313N/mm2（焊縫）。

計算結(jié)果表明，在所有工況中，最大的應(yīng)力值為188.473MPa，與材料母材的許用應(yīng)力相比，安全系數(shù)達到1.8，焊接構(gòu)架的強度滿足設(shè)計要求。

圖6 懸掛式單軌車輛構(gòu)架有限元模型

圖7 懸掛式單軌車輛構(gòu)架應(yīng)力模型

3 結(jié)束語

本文主要基于懸掛式單軌車輛系統(tǒng)主要規(guī)格參數(shù)，分析了懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架傳力路徑；提出了懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計原理，詳細說明了轉(zhuǎn)向架總體結(jié)構(gòu)及各主要部分組成、作用和材料選擇以及載荷情況；重點說明了構(gòu)架靜強度計算的方法和流程，并對結(jié)果進行評估。