米軌現代有軌電車的獨立車輪輪軸裝置設計

葛方順，張會杰，周業(yè)明，任利惠

（1 同濟大學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）

低地板現代有軌電車以其便于登乘、乘坐舒適、環(huán)境友好、建設成本低等特點受人喜愛，已經成為了一種新型城市軌道交通形式，在國內外具有廣闊的發(fā)展前景[1?2]。目前我國新建的現代有軌電車均采用準軌軌距，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，研制米軌現代有軌電車具有現實需求。輪軸裝置是實現現代有軌電車客室低地板的關鍵，也是米軌現代有軌電車轉向架的核心裝置，因此設計適用于米軌線路、實現客室低地板的輪軸裝置是開發(fā)米軌現代有軌電車的關鍵之一。

1 概 述

1.1 準軌現代有軌電車的典型輪軸結構

準軌現代有軌電車的輪軸主要有兩種結構: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向架大多采用軸箱內置結構，即軸箱結構位于左右兩車輪之間，這種布置使得轉向架結構緊湊，易于在車輪外側布置驅動裝置。軸箱內置結構通常由軸箱體、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。

準軌低地板有軌電車的獨立車輪輪對通常采用輪轉軸不轉結構，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，因此不再需要設置軸箱體。一系懸掛通常直接安裝在軸橋上，而制動盤則設置在車輪的外側，與車輪固接。

1.2 國外米軌低地板有軌電車轉向架

圖1 準軌剛性輪對的內置軸箱結構

圖2 準軌獨立車輪輪對的輪軸結構

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向架。由于左右車輪之間的車體部位需要設置貫通道，受軌距限制，米軌轉向架需要采用構架外置結構才能實現低地板結構。受車軸高度的制約，Cityrunner 系列米軌現代有軌電車轉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，轉向架如圖3所示。

圖3 S1000 米軌轉向架

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

圖4 Combino 米軌拖車轉向架

Alstom 公司的Correge 動力轉向架采用的是獨立車輪轉向架。與其他有米軌轉向架類似，Correge 轉向架也采用了構架外置和獨立車輪結構，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的口字形軸橋連接。相比于Combino 的C 形輪軸結構，口字形軸橋的受力條件更好，如圖5 所示。

1.3 米軌現代有軌電車設計分析

對于米軌有軌電車，采用小輪徑剛性輪對實現低地板的方案比較簡單，只要將軸箱移動到車輪外側，輪對、車軸與軸箱的結構均不需要做大的改動。但使用小輪徑剛性輪對使得轉向架的部位的地板高度高于客室高度，并不是嚴格意義上的100%低地板車輛。采用獨立車輪轉向架可以保證客室內的高度一致，借鑒國外米軌轉向架設計方案，獨立車輪轉向架輪軸系統(tǒng)也采用構架外置的方案。相應地，軸橋與輪對結構都需要修改，無法直接借用準軌獨立車輪轉向架的輪軸結構。因此，米軌獨立車輪轉向架輪軸裝置的結構與準軌轉向架輪軸系統(tǒng)區(qū)別較大?；谏鲜龇治觯岢隽艘环N米軌獨立車輪轉向架輪軸裝置的設計方案，并對輪軸裝置的靜強度進行了校核。

圖5 Correge 動力轉向架

2 米軌輪軸裝置設計

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，米軌轉向架的輪軸裝置采用獨立輪對系統(tǒng)，左右車輪在旋轉方向解耦，使得兩側車輪能夠以不同角速度旋轉，使用縱向耦合的方式驅動車輪旋轉。車軸使用軸橋代替，起到安裝基礎與橫向固定的作用，普通的下凹式軸橋的軸承安裝在車輪內側，無法滿足客室過道寬度的需求。將軸橋移到車輪的外側，同時將驅動裝置與制動裝置也全都移到構架外側，驅動裝置與軸箱都移到構架外側之后，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計。輪軸裝置最終總體設計圖如圖6 所示。

圖6 米軌現代有軌電車輪軸系統(tǒng)設計方案

米軌獨立輪軸轉軸的主要參數如表1 所示。

2.2 車輪與軸箱

車輪與車軸采用一體化結構，即將車軸與車輪的輪芯設計成一體，如圖7 所示。車軸（輪芯）呈階梯狀的結構，從車輪向外延伸，通過軸承與軸橋配合，形成軸箱結構。軸箱內部設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，內徑160 mm，寬 度 61 mm。 小 軸 承 選 用 SKF 公 司 的32026X，外徑200 mm，內徑130 mm，寬度45 mm。

表1 獨立輪軸系統(tǒng)技術參數表

軸箱體與軸橋采用一體化設計。軸箱前蓋通過過盈配合安裝在軸箱體的內端，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動裝置的聯軸節(jié)相連，實現車輪的制動或者驅動。

車輪采用彈性車輪結構，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。

在輪芯內側開槽安裝接地裝置。接地裝置外圈與輪芯連接，內圈與軸橋上伸出的安裝座連接，這樣車輪在旋轉的時候，接地裝置內圈是與軸橋一起固定不旋轉的，接地電流通過接地裝置內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

軸橋采用一體化結構，由軸箱體和軸身兩部分組成，呈封閉的“口”字形，如圖8 所示，在軸箱體的外側沿縱向設置一系橡膠彈簧的安裝座。軸橋結構采用鑄焊結構，軸箱體采用鑄造結構，軸身采用鍛造結構，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 軸橋結構

2.4 輪緣內側距校核

假設文中設計的轉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，車體與轉向架將產生較大的夾角。為了保證客室過道具有一定的寬度，必需要對輪緣內側距進行校核。

其中，w為輪緣內側距；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為車體結構厚度；α為車體與轉向架最大夾角；D為軸距；rf為車輪最大半徑。

各參數的取值與計算值如表2 所示。

計算得到輪緣內側距為950 mm，客室過道寬度為620 mm，即當客室過道寬度設計為620 mm 時，滿足過曲線轉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，設計車體與輪緣之間安全裕量為5 mm，這時客室過道寬度設計為615 mm。

表2 車輪結構參數表

3 軸橋靜強度校核

軸橋作為獨立輪對的關鍵部件，其強度直接關系到車輛的安全性，因此有必要對軸橋結構強度進行計算分析。

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格單元C3D10 單元。彈性車輪的所有零部件默認采用直接固聯連接，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，這里使用簡化的兩參數Mooey?Rivlin模型

有限元分析中所需的常數C10和C01一般由試驗確定。設計階段在保證彈性車輪的剛度條件下，根據相關文獻[4]選擇硬度為75 HS 的橡膠，則有參數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構，目前為止還沒有專門用來校核軸橋強度的標準[5?6]。依據構架強度標準EN 13749 中的載荷，并根據力的傳遞性，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 標準，作用在車體上的縱向力、橫向力、垂向力和風力分別為：

式（4）～式（7）中，車體總質量

其中:Mv為 AW0 工況車體質量；P1為載客質量；nb為每個車體的轉向架個數；m+為轉向架質量；Aw為車體單側面積；c是常數；q是風載荷。

作用在構架重心的縱向力、橫向力和垂向力分別為:

其中m2為轉向架簧上質量

由于一系彈簧所受到的載荷是車體與轉向架簧上質量的載荷代數和，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EN 13749 標準，車體與構架的計算載荷參數的參考值如表3所示[7]。

表3 車體與構架計算載荷參數的參考值表

代入相關數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 應力云圖，其中曲線通過時軸橋的最大應力為201.4 MPa，道岔通過時最大應力為149.87 MPa，兩種工況的最大應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 等效應力都小于材料屈服強度，并且靜強度安全系數大于1.5。

表4 計算載荷 kN

圖9 軸橋的應力云圖

4 結束語

設計了一種適用于米軌線路的現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構、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，并可根據需要安裝制動盤或驅動裝置的聯軸節(jié)。依據EN 13749 標準的載荷分析了軸橋的強度，有限元分析結果表明，軸橋的靜強度滿足要求。