低地板有軌電車獨(dú)立輪對設(shè)計

李志遠(yuǎn)

（智道鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

引言

低地板有軌電車是近年在國內(nèi)興起的一種新型軌道交通車輛，作為一種中等運(yùn)量的軌道交通車輛，其具有地鐵和公共汽車無法比擬的優(yōu)勢。低地板有軌電車屬于中等運(yùn)量運(yùn)輸系統(tǒng)，只需對城市現(xiàn)有道路稍加改造即可滿足其運(yùn)行需求，具有建造成本低、周期短等特點，是國內(nèi)中型城市發(fā)展軌道交通、滿足居民出行的最優(yōu)選擇，在國內(nèi)具有非常廣闊的發(fā)展前景。

作為低地板有軌電車走行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件，獨(dú)立輪對需要在滿足其走行、承載功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大幅降低車廂地板面高度的目標(biāo)。目前，國內(nèi)零部件廠家尚不具備單元整體設(shè)計供貨能力，該獨(dú)立輪對的設(shè)計開發(fā)，能夠及時滿足車輛廠國產(chǎn)化和模塊化組裝需求。

1 低地板有軌電車輪對發(fā)展概況

低地板有軌電車是區(qū)別于傳統(tǒng)有軌電車的新型城軌車輛，其車廂的部分或全部地板面距地面高度應(yīng)不超過0.4 m，而傳統(tǒng)有軌電車地板距地面高度普遍在1 m左右。在其近40年的發(fā)展歷程中，低地板有軌電車的發(fā)展共經(jīng)歷了三個階段。

1.1 第一代低地板有軌電車輪對

20世紀(jì)80年代，隨著城市交通的不斷發(fā)展，第一代低地板有軌電車應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)時的城軌車輛仍然只能使用鋼輪加鋼軸的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)限制，輪對上方的車廂地板面距地面最小為0.8 m，由于車輛需和汽車共用城市道路，無法在道路上建設(shè)如此高的站臺，為此，比利時BN公司將車輛分成了有輪對支撐的車廂和無輪對支撐的車廂，將無輪對車廂的地板面降低至0.35 m，兩種車廂之間由臺階過渡（如圖1所示），將車門設(shè)置在無輪對車廂兩側(cè)。這種設(shè)計潛在問題較多，如噪音大、車廂內(nèi)落差高存在安全隱患等，因此只在Amsterdam等幾個城市實現(xiàn)了運(yùn)行。

圖1 第一代低地板有軌電車輪對及低地板實現(xiàn)方式

1.2 第二代低地板有軌電車輪對

第二代低地板有軌電車輪對仍然采用直軸輪對的結(jié)構(gòu)，但使用彈性車輪取代了鋼輪，從而能夠在減少振動的同時降低車輛運(yùn)行噪音，同時將齒輪傳動系統(tǒng)從輪對中間轉(zhuǎn)移至輪對兩側(cè)，實現(xiàn)了車廂地板面高度的有效降低（如圖2所示）。雖然高度依然無法徹底滿足要求，但通過設(shè)置小角度斜坡，基本能夠滿足車輛在市內(nèi)運(yùn)行乘客上下車的需求。最先使用這種設(shè)計的有Bombadier公司的Flexity2、Alstom公司的Citadis X04、PESA公司的Swing等。

圖2 第二代低地板有軌電車輪對及低地板實現(xiàn)方式

1.3 第三代低地板有軌電車輪對

隨著人們生活水平的不斷提高，對于車輛的舒適性要求也越來越高，國內(nèi)外車輛制造廠家陸續(xù)推出了第三代低地板有軌電車，其所使用的輪對不再是傳統(tǒng)的直軸結(jié)構(gòu)，而是將車軸設(shè)計為中間向下凹的曲軸結(jié)構(gòu)，同時保留第二代低地板輪對在輪對兩側(cè)牽引傳動的結(jié)構(gòu)，從而徹底實現(xiàn)車廂地板面全部為統(tǒng)一高度且低于0.4 m（如下頁圖3所示）。車輪采用改進(jìn)后的彈性車輪，在保證減震降噪的基礎(chǔ)上提升了安全性，第三代低地板有軌電車輪對有效地提升了乘客的舒適度。

圖3 第三代低地板有軌電車輪對及低地板實現(xiàn)方式

與前兩代低地板輪對相比，第三代低地板輪對的車輪不再與車軸共同轉(zhuǎn)動，而是實現(xiàn)了獨(dú)立轉(zhuǎn)動，因此我們也將其稱作獨(dú)立輪對。目前，國際上幾款有名的低地板轉(zhuǎn)向架，如Variobahn轉(zhuǎn)向架、Citadis轉(zhuǎn)向架、Combino轉(zhuǎn)向架等，均采用了獨(dú)立輪對作為其走行部件。國內(nèi)中車長客、中車唐山、中車青島四方等主機(jī)廠新開發(fā)的低地板車也均采用獨(dú)立輪對作為走行部件。由于現(xiàn)有的國內(nèi)廠家只能單輪或單軸供貨，無法滿足主機(jī)廠的模塊化采購、模塊化組裝需求，因此，大部分的獨(dú)立輪對仍需進(jìn)口。

2 低地板有軌電車獨(dú)立輪對方案研究

第三代低地板有軌電車軸重一般在11 t左右，最高設(shè)計時速為80 km/s，2動2拖共4節(jié)車廂為一個編組，車廂全部地板面高度均應(yīng)小于0.4 m。以最小車輪直徑Φ0.6 m、軸身直徑Φ0.13 m為例，軸身頂部距地面高度已接近0.4 m，再考慮到限界、減震系統(tǒng)安裝、地板面厚度等因素，直軸輪對顯然無法滿足用戶需求。因此，將軸身下凹、采用獨(dú)立輪對是實現(xiàn)100%低地板的唯一解決方案。

獨(dú)立輪對與直軸輪對相比，首先需要解決的就是將輪對兩側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)自由度解耦，通過將輪軸壓裝改為輪軸之間安裝軸承，實現(xiàn)車輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，車軸方可由直軸改為中部下凹的“U”形結(jié)構(gòu)，我們將這種車軸稱為軸橋。同時，傳統(tǒng)輪對的軸箱結(jié)構(gòu)、電流接地、傳動制動接口以及信息自動采集等功能也都需要轉(zhuǎn)移至輪對兩側(cè)的有限空間，為此，我們需克服如下難點：

1）由于軸承被安裝在彈性車輪輪箍孔內(nèi)，受空間限制，傳統(tǒng)的大直徑雙列圓錐滾子軸承或雙列圓柱滾子軸承無法被繼續(xù)使用，但軸重及使用壽命等要求必須得到滿足。

2）軸承被安裝在彈性車輪內(nèi)部，這就意味著傳統(tǒng)軸箱不復(fù)存在，但傳統(tǒng)軸箱所承擔(dān)的一系減震彈簧載體功能仍需由獨(dú)立輪對來實現(xiàn)。

3）從受電弓到車廂再到車軸、車輪、軸承直至鐵軌，構(gòu)成一個完整的電流傳導(dǎo)回路，需在保證接地效果的同時，采取有效措施，避免因軸承滾子電蝕而影響車輛運(yùn)行安全。

4）牽引傳動、輪盤制動、走行承載、信息自動采集等多種功能在獨(dú)立輪對兩側(cè)有限空間的高度集成。

3 低地板有軌電車獨(dú)立輪對總體結(jié)構(gòu)

針對研究過程中識別出的設(shè)計難點，我們在方案中進(jìn)行了如下設(shè)計：

1）創(chuàng)新設(shè)計車輪內(nèi)部的軸箱傳動結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的雙列軸承改為背靠背安裝的一大一小圓錐滾子軸承，通過布局優(yōu)化，使得大直徑軸承作為主要承載軸承，以滿足車輛軸重要求，同時，將小直徑軸承布置在靠近輪對外側(cè)的車輪內(nèi)部，從而最大限度地為輪對其他功能集成讓出空間。同時，為軸承系統(tǒng)設(shè)計密封、潤滑循環(huán)等結(jié)構(gòu)。

2）在軸橋兩側(cè)靠近車輪的位置設(shè)置兩側(cè)伸出的承重梁結(jié)構(gòu)，用于對接一系減震彈簧，與車輪內(nèi)部的軸箱結(jié)構(gòu)一起，完整替代傳統(tǒng)軸箱功能。

3）輪對兩側(cè)設(shè)計接地裝置，直接連接車輪與車軸，以將軸承組短路，從而避免電流腐蝕導(dǎo)致軸承滾子受損，危害車輛運(yùn)行安全。

4）將輪對按照動力輪對和非動力輪對分別進(jìn)行設(shè)計，對動力輪對預(yù)留牽引傳動接口，并滿足聯(lián)軸節(jié)限界要求，將制動盤轉(zhuǎn)移至齒輪箱外側(cè)，對非動力輪對預(yù)留輪盤制動接口，并整合測速系統(tǒng)等。

設(shè)計的獨(dú)立輪對結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖4 低地板有軌電車獨(dú)立輪對

表1 獨(dú)立輪對設(shè)計參數(shù)

4 結(jié)論

1）獨(dú)立輪對的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點主要在于內(nèi)置式軸箱結(jié)構(gòu)以及多種功能在輪對兩側(cè)狹小的集成，本設(shè)計能夠有效解決上述難題，且具有維修方便等特點。

2）經(jīng)過有限元仿真計算，以及多項試驗測試，該獨(dú)立輪對能夠完全滿足用戶在軸重、使用維護(hù)周期、減震降噪等方面的要求，具有很好的市場應(yīng)用前景。