低地板獨立旋轉車輪動力轉向架設計

張徐，黃運華，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031)

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低地板獨立旋轉車輪動力轉向架設計

張徐，黃運華，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031)

介紹了獨立旋轉車輪轉向架在城市軌道交通中實現低地板的優勢，提出了一種低地板獨立旋轉車輪動力轉向架的設計方案.并利用有限元軟件ANSYS根據UIC 615—4對轉向架構架進行靜強度分析.

低地板；獨立車輪轉向架；靜強度；轉向架構架

0 引言

當今世界，城市軌道技術越來越受到各個城市的青睞.一段時期來，城市軌道交通得到了大力發展，有力地緩解了能源緊張和環境污染的問題.但是傳統輕軌車輛上下車困難的問題一直難以解決，為了解決這一問題，新型低地板輕軌車輛隨之出現[1-2]，并得到廣泛的應用.

低地板輕軌列車的地板面距離軌面的高度一般要求在350 mm以下.獨立旋轉車輪轉向架由于取消了中間車軸，恰恰能夠滿足降低車輛地板面的要求.其在城市軌道交通上的應用也越來越廣泛，各種新型獨立旋轉車輪轉向架也得到了快速發展.

1 運用典型及其導向原理

獨立旋轉車輪轉向架主要運用在低地板車輛上，導向方式主要有四種：①德國西門子公司開發的Combino系列城軌車輛，其動力轉向架的導向方式采用縱向耦合[3].轉向架左右兩側各安裝一個電機，左右電機分別驅動左右側車輪.當前、后車輪的輪軌接觸點處滾動圓產生半徑差時，由于同側的前后兩個車輪具備相同的轉速，必然會發生輕微滑動，從而產生縱向蠕滑力進行導向;②法國阿爾斯通公司生產的Citadis系列低地板有軌電車，其Arpege動力轉向架[4]采用橫向耦合[5]，即通過軸橋將左右車輪耦合在一起，使之具備和傳統輪對相仿的導向能力;③Frederich教授研制的EEF轉向架[6].此轉向架為單軸轉向架，主要依靠車輪自身，一個由重力復原力和橫向蠕滑力繞輪軌接觸點外側的回轉中心而產生復原力矩，使輪對在曲線上自動地處于徑向位置，且在直線上不會產生輪緣貼靠鋼軌的現象;④SIC和ABB聯合研制的Cobra轉向架，采用鉸接式、模塊化設計[7].轉向架采用迫導向機構，使車輛具有良好的曲線通過性能.

2 轉向架總體方案設計

2.1 轉向架設計要求及參數

由于低地板車輛通常要求具有較強的小半徑曲線通過能力，而解耦后的獨立旋轉車輪轉向架在通過曲線時由于不具備縱向蠕滑力，不能使轉

圖1 轉向架總體三維模型

向架以貼近徑向位置的狀態通過曲線，因此在本次設計中加入了迫導向機構，當轉向架在通過曲線時，依靠車體與轉向架之間的轉動，帶動迫導向機構工作，使前后輪對以接近徑向位置的狀態通過曲線.此次設計的低地板動力轉向架的主要參數[8-9]如下：軌距1 435 mm，軸距1 800 mm，地板面高度300 mm，軸重10 t，自重6 t，運行速度80 km/h，輪徑660 mm，最小曲線半徑30 m，最小豎曲線半徑1 200 m.轉向架總體模型如圖1.

2.2 基本結構

構架為焊接箱形結構，消除了轉向架的菱形變形，實現了構架的輕量化要求.構架采用內側式懸掛構架(構架安裝在輪對內側)，相對于外側式懸掛構架，內側式懸掛構架的重量較輕，結構更加緊湊，可節省安裝空間.

輪對采用小直徑彈性車輪，降低了簧下質量，改善了輪軌間作用力.橫向采用“下凹”式軸橋進行定位，當通過曲線時，左右車輪可按不同轉速通過半徑不同的內外軌，來減輕輪軌間的沖擊和磨耗.軸箱采用疊層圓錐橡膠定位，疊層圓錐橡膠具有三向彈性特性.在垂直載荷作用下，橡膠主要受剪切變形.

二系懸掛裝置采用空氣彈簧，具有非線性特性，可以根據車輛振動性能的需要，設計成具有比較理想的彈性特性曲線.和高度控制閥并用時，保持車輛地板面距離軌面的高度不變.

橫向減振器采用液體粘滯阻力所做的負功來吸收振動產生的能量的油壓減振器.牽引拉桿使用單拉桿機構，將牽引拉桿的牽引座設在轉向架橫梁的中間位置，一端連接在車體的安裝座上，在轉向架和車體有效地傳遞牽引力和制動力.

迫導向機構由兩個四連桿機構組成，分別安裝于轉向架兩側.迫導向機構利用車輛通過曲線時轉向架相對車體所作的搖頭角位移，迫使輪對處于徑向位置.

轉向架在構架外側設有2套牽引傳動系統，包括牽引電動機、齒輪箱以及聯軸節.牽引電動機通過彈性懸掛節點完全吊掛在構架上.而齒輪箱一端與車軸壓裝在一起，另一端通過聯軸節與牽引電動機相連，其上也通過彈性懸掛節點與構架上的吊座相連.

3 構架靜強度分析

3.1 試驗標準

本節將根據UIC615—4《轉向架構架強度試驗》對低地板動力轉向架構架進行靜強度評定.限于篇幅，本文僅對超常載荷工況和模擬主要運營載荷工況下的靜強度結果進行討論.構架的材料為Q345E,側梁上下蓋板的厚度為12 mm，腹板的厚度為10 mm，加強筋的厚度為8 mm，空簧座處的小箱型結構的上下板厚為8 mm，腹板厚度為6 mm.

3.2 邊界條件

邊界條件是為了保證構架結構的靜定，此處，根據構架的實際情況，用彈簧單元Combin14代表轉向架的一系彈簧，使彈簧單元一端與構架的節點相連，另一端使用全約束進行固定.Solid45和Combin14兩種單元類型對應的單元數分別為213 730和240.彈簧單元的各個方向的剛度如下：一系懸掛垂向剛度為1 000 N/mm，一系懸掛橫向剛度和一系懸掛縱向剛度均為3 000 N/mm.

3.3 靜強度計算結果及分析

構架在超常載荷工況和模擬運營載荷工況[10]下的最大von_Mises應力見表1，在超常載荷2(最大超常載荷工況)和模擬運營工況13(最大運營載荷工況)下，構架的von_Mises應力分布如圖2所示.

表1 超常載荷工況的最大應力點和出現位置

表1 超常載荷工況的最大應力點和出現位置(續表)

(a)超常載荷工況2 (b)模擬運營載荷工況13

構架在超常載荷工況下最大von_Mises應力小于345 MPa，在模擬運營工況下最大von_Mises應力小于材料許用應力240 MPa.焊接構架的靜強度滿足設計要求.

4 結論

本文設計低地板獨立旋轉車輪動力轉向架，分析轉向架構架的結構特點，通過有限元仿真軟件ANSYS計算各工況下的應力.構架的靜強度雖然滿足要求，但是最大von_Mises應力出現在小箱型的下蓋板的內側圓角上或位于構架上蓋板與小箱型下蓋板的連接處，說明結構在內側圓角處出現應力集中，不利于延長構架的使用壽命，需進一步完善構架的結構，可以在構架和小箱型結構處施加加強桿，來減少最大應力值.

[1]HONDIUSH.The Development of Low Floor Trams[J].Joumal of Advanced Transportation,1993，27(1)：79-102.

[2]HARRY HONDIUS.LRV orders progress,but trams stall [R].Sutton UK:Railway Gazette International,2003.

[3]許明春,曾京.縱向耦合獨立車輪轉向架導向機理[J].交通運輸工程學報,2011,11:43-50.

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

[5]任利惠.獨立車輪導向技術研究[D]. 上海:同濟大學,2006.

[6]FREDERICH F.A bogie concept for the 1990s[J].Railway Gazette international，1988(9):583-585.

[7]HARRY HONDIUS.Low-floor development out of control[J].Railway Gazette international，1991(11):793-799.

[8]王忠杰,尹力明.“六軸五車體”100%低地板輕軌車輛技術方案[J].上海電氣技術,2011,12:4--52.

[9]金偉,鐘敏,門永林.準100%低地板車輛轉向架方案設計[J].鐵道車輛,2012(1):9-14.

[10]米彩盈.鐵道機車車輛結構強度[M].成都:西南交大出版社,2007.

Research on a Low-Floor Power Bogie Design with Independent Rotating Wheels

ZHANG Xu，HUANG Yunhua，LI Xiangxin，WANG Xujia，QUAN Kebo

(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Due to that bogie with independent rotating wheels has an advantage of realizing lower distance of the floor and the rail in urban rail transport,a program of designing the low-floor power bogie with independent rotating wheels is proposed.According to the standards of UIC615—4,static strength of the bogie frame is analyzed with analysis software ANSYS.

low-floor;independent wheel bogie;static strength;bogie frame

1673-9590(2015)03-0018-04

2014-07-24

張徐(1990-),男，碩士研究生，主要從事車輛工程的研究E-mail:1069938484@qq.com.

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