兼具防滑與信號監測功能的軌道交通車輛用軸箱

□ 徐希鵬 □ 金 偉 □ 鄭天銳 □ 周 青 □ 成軍強

中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 設計背景

軌道車輛轉向架輪對軸箱系統是轉向架非常重要的系統部件,它承擔著車輛全部的質量,并保證車輛沿著軌道高速運行,同時承受車體和鋼軌傳遞的各種靜、動作用力,受力非常復雜。輪對軸箱系統由輪對和軸箱裝置組成,軸箱裝置承擔著采集和傳遞轉向架運行情況數據的重任,因此輪對軸箱系統是影響車輛運行安全性的關鍵部件之一。軸箱結構是A型、B型軌道車輛轉向架輪對軸箱系統中的重要部件,作用是為軸承提供良好的密封、定位,并配合制動系統和信號系統完成相關功能,軌道車輛軸端布置如圖1所示,不同軸端結構形式如圖2所示。

現有軸箱蓋按照安裝設備的接口不同分普通軸箱蓋、防滑軸箱蓋、信號軸箱蓋三種,主要結構如圖3所示。根據圖1軸端布置可知,未來車輛對走行部安全監測的要求越來越高,軸端的功能性越來越強,對于既有防滑設備又有信號監測設備的軸端來講,單接口的軸箱蓋已不能滿足技術需要。此外,信號監測設備不兼容一般的測速齒輪。

2 技術方案

針對目前的現狀,結合用戶日益增長的需求,筆者設計了一款兼具防滑、信號監測功能的軸箱結構,在保證現有軸箱結構接口尺寸以及強度不變的前提下,通過共用齒輪,實現防滑、監測兼容的功能。

圖1 軌道車輛軸端布置

圖2 不同軸端結構形式

筆者采用的技術方案是保持軸箱蓋迷宮槽與軸箱體配合部位尺寸不變,將防滑設備用凸臺接口及信號監測設備用凸臺接口調整至同一蓋子上,同時保持原有凸臺的角度與大小,從而實現一個軸箱蓋上可以同時安裝防滑設備及信號監測設備的目的,新軸箱結構如圖4所示。

圖3 現有軸箱蓋主要結構

圖4 新軸箱結構

3 安裝結構

3.1 新軸箱結構

新軸箱結構圖中,軸箱體、防塵擋、軸承通過軸箱后蓋、密封墊、軸端壓蓋、測速齒輪、緊固件等部件相互定位,并連接在一起。軸箱體、軸承通過軸端壓蓋和防塵擋壓緊在車軸上,而防滑、信號軸箱蓋安裝在軸箱體前端,并用密封圈、緊固件壓緊。信號傳感器、速度傳感器伸入防滑、信號軸箱蓋上接口孔內,根據信號測速齒輪的轉動從而獲得相關數據,通過信號傳感器、速度傳感器反饋至處理器顯示面板上,供工作人員使用,以實現防滑、監測的功能。同時打開螺堵通過觀察信號傳感器、速度傳感器與信號測速齒輪的距離以調整至最佳狀態。

由圖4可以看出,軸箱體外端固定有防滑、信號監測軸箱蓋,該軸箱蓋設置有遠離轉向架中心的速度傳感器線纜固定接口及靠近轉向架中心的信號傳感器線纜安裝接口。從車軸端看,速度傳感器線纜走向的中心線與水平線呈向下的角度a,a的取值范圍為7°～11°。信號傳感器線纜走向的中心線與水平線呈向下的角度b,b的取值范圍為8.5°～11.5°。筆者的技術方案中,a和b均取10°。軸箱體遠離轉向架中心的一側設置有用于固定速度傳感器線纜的第一支架,構架的轉臂節點下方設置有用于固定信號傳感器線纜的第二支架。速度傳感器線纜、信號傳感器線纜分別通過這兩個支架固定,配合a和b的角度,使得線纜在車輛運行中折彎較小,確保在車輛正常運行的軸端振動過程中,線束處于安全狀態。

3.2 現有軸箱蓋結構

現有軸箱蓋結構主要有三種:普通軸箱蓋、防滑軸箱蓋、信號軸箱蓋。普通軸箱蓋只適用于普通軸端,即既不需要安裝接地裝置、也不需要安裝信號裝置的軸端。防滑軸箱蓋只適用于防滑軸端,每根軸上均需布置防滑軸端,防滑設備一般為齒式結構,包含一個測速齒輪和一個傳感器。測速齒輪與傳感器之間間隙一般要求為0.9±0.5 mm,因此軸箱蓋上應設有觀察孔,以檢查間隙。信號軸箱蓋只適用于信號軸端,一般列車安裝兩套信號軸端布置,軸箱蓋上也設有觀察孔,常規的軸端布置同圖1。

由圖4可以看出,防滑設備和信號監測設備完全可以共用一個齒輪結構,對于既有防滑設備又有信號監測設備的軸端來講,單接口的軸箱蓋已不能滿足技術需要。

3.3 新軸箱蓋結構

兼具防滑、信號監測功能的新軸箱蓋結構如圖5所示,在保證原軸箱蓋的主要接口尺寸D、d1、d2、H及鑄造件強度性能不變的情況下,主要優化如下:與現有軸箱蓋結構相比,將信號監測設備接口與防滑設備接口設計在同一個軸箱蓋上,其中信號監測設備接口保證接口尺寸L3、L4、W2和角度a,防滑設備接口保證接口尺寸L1、L2、W1和角度b,從而滿足圖4中防滑設備和信號監測設備共用一個軸端的情形。

在保證軸箱蓋的接口尺寸之后,通過對信號測速齒輪統一齒數為100,模數為1.5 mm,使防滑設備和信號監測設備獲得理想的采集條件,進而實現制動系統的防滑功能與信號監測系統對車速的監測功能。

4 新軸箱蓋材料選擇

軸箱蓋一般采用熔模鑄造的鑄鋼件,原軸箱蓋材質采用法國標準NF A 32-054中的GE230牌號或EN 10293中GE300牌號,新軸箱蓋采用EN 10213中的G20Mn5牌號,材料的主要機械性能對照見表1。可以看出,新軸箱蓋選用的G20Mn5材料適應性更強。

圖5 新軸箱蓋結構

表1 材料主要機械性能

作為軸端結構的一部分,軸箱蓋為非承載件,在緊固件不變和材料性能不降低的條件下,新軸箱蓋完全能滿足運營要求。此外,隨著軌道交通領域新材料研究的不斷深入,未來選用鑄鋁件、碳纖維復合材料生產,能進一步降低簧下質量,在實現多功能的同時,安全可靠性更高。

5 小結

保持軸箱蓋迷宮槽與軸箱體配合部位尺寸不變,將防滑設備用凸臺接口及信號監測設備用凸臺接口調整在同一蓋子上,同時保持原有凸臺的角度與大小,從而實現一個軸箱蓋上可以同時安裝防滑設備和信號監測設備的目標。

結構分析表明,兼具防滑、信號監測功能的新軸箱蓋,其結構強度性能覆蓋甚至優于現有軸箱蓋,滿足運用技術要求。

在保證現有軸箱結構接口尺寸以及強度不變的前提下,通過共用齒輪,實現防滑、信號監測兼容的功能,這種兼具防滑、信號監測功能的軸箱結構已在南京寧溧等城際項目批量裝車運用,反響良好。

6 結束語

輪對軸箱系統是影響車輛運行安全性的關鍵部件之一,而軸箱結構又是輪對軸箱系統中的重要部件,不僅為軸承提供良好的密封、定位,同時也需配合制動系統及信號系統實現相關數據采集、信號監測功能?！笆濉逼陂g我國城市軌道交通獲得了快速發展,截至2020年底,共有45個城市開通城市軌道交通運營線路,運營路線總長度7 969.7 km,新增運營路線36條,新增運營線路長度1 233.5 km,發展迅速。未來地鐵車輛智能化程度越來越高,對走行部安全監測的要求也越來越嚴格,每輛車均配有八個軸端,軸端設備布置也是多種多樣,作為兼具防滑、信號監測功能的新軸箱結構,在未來更加注重安全的大環境下,應用市場巨大。