鉸接式列車鉸接裝置結構特點與應用研究

馬德瑞，戴煥云

(西南交通大學 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，展示了其先進的性能。TGV鉸接式高速列車(圖1)的成功運用，證明了轉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

與傳統車鉤連接列車相比，鉸接式列車在車輛總體布置和轉向架結構上有較大不同，主要的結構變化及其影響為：

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

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

輪對數的減少，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。同時列車對軸質量的利用更充分，在滿足17t軸質量的前提下，整列車軸數減少，對軌道的損害自然減少[2]。

由于轉向架布置在車體最外側，鉸接式列車比傳統列車更容易實現低地板。車體中段地板高度降低后，車體質心下移，也會增強橫向穩定性[3](圖2)。

圖2 鉸接式低地板列車示意圖

b)取消了車鉤，使用鉸接裝置承擔其功能。

鉸接式列車各節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，在應對脫軌事故時比傳統列車有更好的表現[4]。

法國TGV系列鉸接式高速列車曾多次發生脫軌事故(圖3)，速度較高的兩起事故分別發生于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可以歸結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，防止各節車輛扭動折疊，抑制更多轉向架的脫軌進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，發生故障時維修難度大。

2 鉸接裝置的結構形式

為滿足不同的使用條件和設計需求，各型鉸接式列車所使用的鉸接裝置的結構形式并不統一。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，無論結構形式如何改變，各種鉸接裝置都需要代替車鉤緩沖器實現連接、回轉、緩沖等功能。不同結構形式實現了相同的功能，具有一定共性。同時作為鉸接式轉向架的一部分，轉向架的承載方式也會對鉸接裝置的形式產生影響。因此，本文選擇從鉸接式轉向架的承載方式和鉸接裝置的回轉方式兩方面進行一般性的分類總結，介紹鉸接式列車鉸接裝置的結構形式。

2.1 承載方式

鉸接式轉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向架采用一對空氣彈簧支撐車體質量，其回轉裝置安裝在搖枕上，通過搖枕連接轉向架。該承載方式結構簡單，與傳統轉向架相比結構變化較少，然而安裝在搖枕上的回轉裝置同樣需要傳遞垂向載荷，增加了回轉裝置的設計難度(圖4)。

1—構架；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—基礎制動夾鉗；14—回轉支撐。

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構進行修改，增加部分車端結構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構不同，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滾能力[5]。和有搖枕兩點承載方式一樣，其回轉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向架。采用該承載方式的鉸接式車輛，車體兩端結構相同，所有車體均為四點支撐，與傳統車輛相比變化較少。因空氣彈簧數量上的變化，需要重新考慮車輛地板的高度控制方案，可以將一個轉向架上的4個空氣彈簧聯通并設置一個高度調節閥來進行控制[6]。另外，為了防止空簧故障失氣引起的車輪載質量不均，除了像傳統轉向架那樣用差動中繼閥連接左右空氣彈簧外，還應使前后兩排空氣彈簧相互連通。當轉向架上的一個空氣彈簧失氣時，相關轉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 回轉方式

鉸接裝置的回轉方式常見有3種：轉盤式、橡膠關節式、橡膠球心盤式。

轉盤式回轉裝置使用三環回轉支承實現車體間的相對轉動?；剞D支承分為內中外三環，中間環固定于搖枕上，相鄰車體中一車體通過A節車連接臂與支承盤外環相連，另一車體通過B節車連接臂與支承環內環相連。通過曲線時，相鄰兩車通過轉盤軸承的轉動實現相對轉動。回轉支承需要承擔列車運行時車體自質量和乘客質量帶來的垂向載荷、側風和通過曲線時離心力產生的橫向載荷、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生的傾覆力矩。為保證列車的轉向穩定性，回轉支承必須轉動靈活無卡滯并有一定摩擦力矩，能夠承受高溫、暴雨、腐蝕等環境影響[6](圖7)。

圖7 轉盤式示意圖

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

圖8 橡膠關節式示意圖

橡膠球心盤式回轉裝置結構如圖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，通過銷軸實現連接和定位。兩球盤間設有錐形橡膠堆，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相鄰車體間的相對轉動。

圖9 橡膠球心盤式示意圖

轉向架承載方式和鉸接裝置回轉方式相互組合構成鉸接式轉向架，實現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盤式回轉裝置、無搖枕兩點承載搭配橡膠球心盤式或橡膠關節式回轉裝置、無搖枕四點承載搭配橡膠關節式回轉裝置。

3 國內外應用情況

鉸接式列車在歐洲應用較多，其中多數為區域通勤車輛，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裝置。隨著法國高速鐵路的建造共發展出五代[8]。第一代運行于巴黎與里昂之間的東南線，采用Y231型轉向架，使用直流電機。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，抗側滾剛度大。第二代運行于大西洋線與北方線，采用Y237型轉向架，使用交流電機。一系定位方式為轉臂式定位，二系懸掛使用空氣彈簧并加裝抗側滾扭桿。第三代為雙層列車，采用改進自Y237的Y237-A型轉向架以適應增加的列車高度。第四代TGV-POS運營于法國東部線，于2007年以574.8km/h的速度創下輪軌車輛的最高速度紀錄。第五代為AGV列車，該系列突破了鉸接式動力轉向架技術為動力分散型列車。TGV系列鉸接式轉向架技術曾被出口，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(圖10)。

圖10 TGV鉸接式轉向架和車體連接結構

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

圖11 Talgo列車轉向架

Talgo列車可被認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，將載荷傳遞至轉向架。承載桿、旋轉支撐、水平桿組成的連桿機構保證了相鄰車體具有相對運動的自由度，高位空氣彈簧能夠實現車體傾擺。與常見的鉸接式轉向架不同的是Talgo列車使用牽引車鉤實現相鄰車體的連接、回轉(圖12)。

圖12 Talgo列車車體連接結構

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型轉向架和歐洲之星列車的鉸接裝置并應用于該型試驗列車，確定了以兩個端部模擬半車體、一個中部模擬車體、兩個鉸接式轉向架組成的最小鉸接連接結構單元為研究對象[9](圖13)。試驗列車進行了靜強度試驗、疲勞試驗、模態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 試驗型鉸接式轉向架及車體連接結構

近年來中國公司生產的多型鉸接式列車成功出口海外。2012年株洲電力機車公司生產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盤式回轉裝置[10]。2015年株洲電力機車公司生產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節式回轉裝置[11]。2018年長客股份公司出口至吉隆坡機場線和2020年株機公司出口墨西哥蒙特雷輕軌線的列車同樣應用了鉸接連接技術。

4 結語

鉸接式列車具有成本低、運行阻力小、曲線通過性好等優點，從歐洲的應用情況來看，被證明在城市、區域軌道交通領域有一定優勢。故研究應用與傳統車輛不同結構、類型的軌道車輛，能夠增加技術儲備，可使軌道車輛契合更多應用場景的需求。