鉸接式列車鉸接裝置結(jié)構(gòu)特點與應(yīng)用研究

馬德瑞，戴煥云

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

1981年法國TGV系列高速列車正式運營，這使該系列列車成為最早使用鉸接連接方式的高速客運列車。TGV系列高速列車曾于1972年、1980年、1990年、2007年4次刷新軌道車輛世界最高試驗速度，展示了其先進(jìn)的性能。TGV鉸接式高速列車(圖1)的成功運用，證明了轉(zhuǎn)向架鉸接這一形式是可用、實用的。在軌道車輛上，鉸接式列車仍具有運用價值。

圖1 鉸接式列車示意圖

1 鉸接式列車的主要特點

與傳統(tǒng)車鉤連接列車相比，鉸接式列車在車輛總體布置和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上有較大不同，主要的結(jié)構(gòu)變化及其影響為：

a)相鄰車體共用一個轉(zhuǎn)向架，減少了整列車轉(zhuǎn)向架的使用數(shù)量，減少了整列車的輪對數(shù)。

轉(zhuǎn)向架使用數(shù)量的減少，降低了制造成本，減輕了車輛自質(zhì)量，減少了來自轉(zhuǎn)向架的空氣阻力[1]，但單臺轉(zhuǎn)向架的承載能力、制動能力都要增加。

輪對數(shù)的減少，使整列車運行時的輪軌阻力減少，軌道激勵的輸入位置改變且輸入量減少，輪軌噪聲減少。同時列車對軸質(zhì)量的利用更充分，在滿足17t軸質(zhì)量的前提下，整列車軸數(shù)減少，對軌道的損害自然減少[2]。

由于轉(zhuǎn)向架布置在車體最外側(cè)，鉸接式列車比傳統(tǒng)列車更容易實現(xiàn)低地板。車體中段地板高度降低后，車體質(zhì)心下移，也會增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性[3](圖2)。

圖2 鉸接式低地板列車示意圖

b)取消了車鉤，使用鉸接裝置承擔(dān)其功能。

鉸接式列車各節(jié)車之間由鉸接裝置和多個橫向、縱向減振器相連。和車鉤連接相比，鉸接連接對車體間相對運動的約束更足，使列車整體性更好，提高了安全性，在應(yīng)對脫軌事故時比傳統(tǒng)列車有更好的表現(xiàn)[4]。

法國TGV系列鉸接式高速列車曾多次發(fā)生脫軌事故(圖3)，速度較高的兩起事故分別發(fā)生于1992年12月13日和1993年12月21日，時速分別為270km/h和294km/h。在這兩起脫軌事故中僅有1位車上乘客受輕傷，說明列車在時速接近300km/h時發(fā)生的脫軌事故中仍然能保持車廂的直立和完整。

圖3 法國TGV列車脫軌事故

在脫軌事故中，鉸接裝置的良好表現(xiàn)可以歸結(jié)為其對車體間相對運動的約束較為充足，具體原因是：

1)約束了車體間繞x軸的相對轉(zhuǎn)動，保證了車體直立不傾覆；

2)約束了車體間繞y軸的相對轉(zhuǎn)動，保證了列車制動時的縱向沖動沿線路方向傳遞，防止各節(jié)車輛扭動折疊，抑制更多轉(zhuǎn)向架的脫軌進(jìn)而破壞整列車的連接完整性；

使用鉸接裝置的缺點是列車不易解編，發(fā)生故障時維修難度大。

2 鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式

為滿足不同的使用條件和設(shè)計需求，各型鉸接式列車所使用的鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式并不統(tǒng)一。以往對鉸接裝置的介紹都是按具體型號一一列舉。但從功能上看，無論結(jié)構(gòu)形式如何改變，各種鉸接裝置都需要代替車鉤緩沖器實現(xiàn)連接、回轉(zhuǎn)、緩沖等功能。不同結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了相同的功能，具有一定共性。同時作為鉸接式轉(zhuǎn)向架的一部分，轉(zhuǎn)向架的承載方式也會對鉸接裝置的形式產(chǎn)生影響。因此，本文選擇從鉸接式轉(zhuǎn)向架的承載方式和鉸接裝置的回轉(zhuǎn)方式兩方面進(jìn)行一般性的分類總結(jié)，介紹鉸接式列車鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式。

2.1 承載方式

鉸接式轉(zhuǎn)向架的承載方式常見有3種：搖枕兩點承載、無搖枕兩點承載、無搖枕四點承載。

有搖枕兩點承載的轉(zhuǎn)向架采用一對空氣彈簧支撐車體質(zhì)量，其回轉(zhuǎn)裝置安裝在搖枕上，通過搖枕連接轉(zhuǎn)向架。該承載方式結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比結(jié)構(gòu)變化較少，然而安裝在搖枕上的回轉(zhuǎn)裝置同樣需要傳遞垂向載荷，增加了回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計難度(圖4)。

1—構(gòu)架；2—輪對軸箱組裝；3—整體起吊；4—牽引裝置；5—二系懸掛；6—搖枕；7—一系懸掛；8—車軸；9—車輪；10—A連接臂；11—B連接臂；12—制動盤；13—基礎(chǔ)制動夾鉗；14—回轉(zhuǎn)支撐。

與有搖枕兩點承載方式相比，無搖枕兩點承載同樣只使用一對空氣彈簧作為二系懸掛，但該方式需要對車體端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加部分車端結(jié)構(gòu)起到類似搖枕的功能，用于連接空氣彈簧。這造成車體前后兩端結(jié)構(gòu)不同，一端為支承端用于連接空氣彈簧，另一端為鉸接端用于連接相鄰車體。鉸接端與支承端相互交疊，鉸接端車體的垂向載荷先傳遞至支承端車體，支承端再將全部垂向載荷傳遞至空氣彈簧。此承載方式下車體為三點支撐：鉸接端一點支撐，支承端兩點支撐，因此需要提高車體的抗側(cè)滾能力[5]。和有搖枕兩點承載方式一樣，其回轉(zhuǎn)裝置也需要傳遞垂向載荷(圖5)。

圖5 無搖枕兩點承載示意圖

無搖枕四點承載方式采用兩對空氣彈簧分別連接相鄰車體，兩車體的垂向載荷獨立傳遞至共用的轉(zhuǎn)向架。采用該承載方式的鉸接式車輛，車體兩端結(jié)構(gòu)相同，所有車體均為四點支撐，與傳統(tǒng)車輛相比變化較少。因空氣彈簧數(shù)量上的變化，需要重新考慮車輛地板的高度控制方案，可以將一個轉(zhuǎn)向架上的4個空氣彈簧聯(lián)通并設(shè)置一個高度調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行控制[6]。另外，為了防止空簧故障失氣引起的車輪載質(zhì)量不均，除了像傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架那樣用差動中繼閥連接左右空氣彈簧外，還應(yīng)使前后兩排空氣彈簧相互連通。當(dāng)轉(zhuǎn)向架上的一個空氣彈簧失氣時，相關(guān)轉(zhuǎn)向架上的所有空氣彈簧都將被放氣(圖6)。

圖6 無搖枕四點承載示意圖

2.2 回轉(zhuǎn)方式

鉸接裝置的回轉(zhuǎn)方式常見有3種：轉(zhuǎn)盤式、橡膠關(guān)節(jié)式、橡膠球心盤式。

轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)裝置使用三環(huán)回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)車體間的相對轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)支承分為內(nèi)中外三環(huán)，中間環(huán)固定于搖枕上，相鄰車體中一車體通過A節(jié)車連接臂與支承盤外環(huán)相連，另一車體通過B節(jié)車連接臂與支承環(huán)內(nèi)環(huán)相連。通過曲線時，相鄰兩車通過轉(zhuǎn)盤軸承的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)支承需要承擔(dān)列車運行時車體自質(zhì)量和乘客質(zhì)量帶來的垂向載荷、側(cè)風(fēng)和通過曲線時離心力產(chǎn)生的橫向載荷、牽引力、制動力、沖擊等縱向載荷以及載荷分布不均和沖擊影響產(chǎn)生的傾覆力矩。為保證列車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，回轉(zhuǎn)支承必須轉(zhuǎn)動靈活無卡滯并有一定摩擦力矩，能夠承受高溫、暴雨、腐蝕等環(huán)境影響[6](圖7)。

圖7 轉(zhuǎn)盤式示意圖

橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，安裝座通過螺栓連接安裝在相鄰車體端部，橡膠關(guān)節(jié)穿過安裝座上的圓孔連接相鄰車體，利用關(guān)節(jié)中橡膠層的彈性變形提供相鄰車體相對運動的自由度。橡膠關(guān)節(jié)是該回轉(zhuǎn)裝置的核心部件，需要適應(yīng)相鄰車體偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等相對運動，因此其剛度的選擇非常重要。理想的橡膠關(guān)節(jié)垂向剛度、橫向剛度需要盡可能大，而在一節(jié)車體相對另一節(jié)車體發(fā)生左右扭轉(zhuǎn)或側(cè)滾時的剛度需要盡可能小[7]。由于橡膠關(guān)節(jié)承受的載荷較大，所以對橡膠關(guān)節(jié)的定位也十分關(guān)鍵。

圖8 橡膠關(guān)節(jié)式示意圖

橡膠球心盤式回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示。鉸接端車體的上心球盤搭接在支承端車體的下新球盤上，通過銷軸實現(xiàn)連接和定位。兩球盤間設(shè)有錐形橡膠堆，提供三向阻尼和剛度。車輛過曲線時，通過錐形橡膠堆的彈性變形實現(xiàn)相鄰車體間的相對轉(zhuǎn)動。

圖9 橡膠球心盤式示意圖

轉(zhuǎn)向架承載方式和鉸接裝置回轉(zhuǎn)方式相互組合構(gòu)成鉸接式轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)相鄰兩車體的鉸接連接，常見的組合形式為：有搖枕兩點承載搭配轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)裝置、無搖枕兩點承載搭配橡膠球心盤式或橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置、無搖枕四點承載搭配橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置。

3 國內(nèi)外應(yīng)用情況

鉸接式列車在歐洲應(yīng)用較多，其中多數(shù)為區(qū)域通勤車輛，較為典型的有瑞士Stadler鐵路車輛公司的FLIRT系列、法國阿爾斯通公司CORADIA LIREX系列、加拿大龐巴迪公司Talent系列，西班牙CAF公司Civity系列。在高速列車中，使用鉸接連接的車輛有法國TGV列車和西班牙Talgo列車。

TGV系列高速列車采用了無搖枕兩點承載和橡膠球心盤式回轉(zhuǎn)裝置。隨著法國高速鐵路的建造共發(fā)展出五代[8]。第一代運行于巴黎與里昂之間的東南線，采用Y231型轉(zhuǎn)向架，使用直流電機(jī)。一系定位方式為錐形橡膠堆定位，二系懸掛使用高柔鋼圓簧，抗側(cè)滾剛度大。第二代運行于大西洋線與北方線，采用Y237型轉(zhuǎn)向架，使用交流電機(jī)。一系定位方式為轉(zhuǎn)臂式定位，二系懸掛使用空氣彈簧并加裝抗側(cè)滾扭桿。第三代為雙層列車，采用改進(jìn)自Y237的Y237-A型轉(zhuǎn)向架以適應(yīng)增加的列車高度。第四代TGV-POS運營于法國東部線，于2007年以574.8km/h的速度創(chuàng)下輪軌車輛的最高速度紀(jì)錄。第五代為AGV列車，該系列突破了鉸接式動力轉(zhuǎn)向架技術(shù)為動力分散型列車。TGV系列鉸接式轉(zhuǎn)向架技術(shù)曾被出口，西班牙AVE型高速列車，韓國TGV-K型高速列車均使用了TGV系列的鉸接技術(shù)(圖10)。

圖10 TGV鉸接式轉(zhuǎn)向架和車體連接結(jié)構(gòu)

西班牙Talgo列車融合了單軸獨立旋轉(zhuǎn)車輪、鉸接連接、擺式列車、可變軌距等技術(shù)為一體，所采用的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)獨樹一幟，被稱為門架式轉(zhuǎn)向架(圖11)。

圖11 Talgo列車轉(zhuǎn)向架

Talgo列車可被認(rèn)為采用了無搖枕兩點承載方式，鉸接端車體通過承載桿懸掛在支承端車體承載桿鉸接座，支承端車體端墻上部裝有盆形支座用以連接高位空氣彈簧，將載荷傳遞至轉(zhuǎn)向架。承載桿、旋轉(zhuǎn)支撐、水平桿組成的連桿機(jī)構(gòu)保證了相鄰車體具有相對運動的自由度，高位空氣彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)車體傾擺。與常見的鉸接式轉(zhuǎn)向架不同的是Talgo列車使用牽引車鉤實現(xiàn)相鄰車體的連接、回轉(zhuǎn)(圖12)。

圖12 Talgo列車車體連接結(jié)構(gòu)

我國最早于1995年開始研制了試驗型鉸接式高速列車。研制過程中，仿制了第三代雙層TGV列車使用的Y237-A型轉(zhuǎn)向架和歐洲之星列車的鉸接裝置并應(yīng)用于該型試驗列車，確定了以兩個端部模擬半車體、一個中部模擬車體、兩個鉸接式轉(zhuǎn)向架組成的最小鉸接連接結(jié)構(gòu)單元為研究對象[9](圖13)。試驗列車進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗、疲勞試驗、模態(tài)試驗及滾動振動試驗，最高滾動試驗速度393.7km/h，最終于2002年通過了鐵道部驗收。

圖13 試驗型鉸接式轉(zhuǎn)向架及車體連接結(jié)構(gòu)

近年來中國公司生產(chǎn)的多型鉸接式列車成功出口海外。2012年株洲電力機(jī)車公司生產(chǎn)的鉸接式列車出口至土耳其伊茲密爾輕軌線，該列車采用有搖枕兩點承載方式和轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)裝置[10]。2015年株洲電力機(jī)車公司生產(chǎn)的鉸接式列車出口至馬其頓國家鐵路，該列車采用無搖枕四點承載方式和橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置[11]。2018年長客股份公司出口至吉隆坡機(jī)場線和2020年株機(jī)公司出口墨西哥蒙特雷輕軌線的列車同樣應(yīng)用了鉸接連接技術(shù)。

4 結(jié)語

鉸接式列車具有成本低、運行阻力小、曲線通過性好等優(yōu)點，從歐洲的應(yīng)用情況來看，被證明在城市、區(qū)域軌道交通領(lǐng)域有一定優(yōu)勢。故研究應(yīng)用與傳統(tǒng)車輛不同結(jié)構(gòu)、類型的軌道車輛，能夠增加技術(shù)儲備，可使軌道車輛契合更多應(yīng)用場景的需求。