軸箱內置式鐵路貨車轉向架設計

李華宴 嚴志雄 陳 柳 王麗娜 宋 帆

（中車長江車輛有限公司，湖北 武漢 430212）

1 軸箱內置式轉向架發展現狀

轉向架是支撐車體并承受各種載荷及作用力、傳遞牽引力和制動力的支撐走行裝置，是鐵道車輛零部件中非常重要的部件。轉向架通常包括輪對、軸箱和構架等，軸箱連接構架和輪對，傳統轉向架軸箱位于輪對的車輪外側，屬于軸箱外置式，這類轉向架的寬度尺寸較大、自重大、轉向架簧下質量大、輪軌磨耗大以及運行維護成本高[1]。與軸箱外置轉向架相反，軸箱內置式轉向架具有寬度尺寸小、自重輕、通過曲線能力強、輪軌磨耗小以及噪聲低等優點，特別是地鐵車輛運行限界，可以減少限界寬度空間，降低車輛和線路建設成本。國外對于軸箱內置式轉向架技術的研究較早，20世紀80年代，英國鐵路開發了內燃動力車組B5000型軸箱內置式轉向架，與相應的傳統轉向架相比，B5000 轉向架的質量減少了30%～35%，簧下質量減少了30%～40%。2016年，西門子公司在英國的城際列車上應用SF7000 型內置式轉向架，實現了西門子內置式轉向架技術的典型應用[2]。國內對于軸箱內置式轉向架技術研究主要在中車主機廠和各高等院校中，涵蓋的領域包括地鐵、城際和高速動車組領域。

2 軸箱內置式鐵路貨車轉向架技術分析

國內外軸箱內置式轉向架主要應用于地鐵和輕軌客運車輛，為了提升舒適性，轉向架結構技術復雜，制造維護成本高，主要有以下幾個方面的技術特點：懸掛系統設計大多數是兩系懸掛，即一系內置軸箱采用錐形橡膠簧+二系空氣簧，并安裝抗側滾裝置；基礎制動主要采用鉗夾單元制動；設置液壓減振裝置。

2.1 軸箱內置式轉向架輪對軸箱技術分析

與傳統鐵路貨車轉向架相比，軸箱內置式轉向架車軸長度和輪座尺寸減少，實現車軸輕量化設計。除了車軸質量可以減輕外，由于受力部位內移（如圖1所示），因此其疲勞性能比傳統車軸更具優勢。由圖1 可知，對于左側傳統的軸箱外置式轉向架，車體載重對車軸產生的彎矩作用在車輪外側，車輛過曲線時輪軌橫向力對車軸產生的彎矩與車體載重對車軸產生的彎矩方向相同，對車軸產生的彎矩是疊加的，這會加劇車軸產生疲勞，而對于圖中右側軸箱內置式轉向架來說，車體載重對車軸產生的彎矩作用在車輪內側，當車輛過曲線時，輪軌橫向力對車軸產生的彎矩與車體載重對車軸產生的彎矩方向相反，因此會抵消一部分車體載重對車軸產生的彎矩，這樣會減輕車軸疲勞，延長車軸的使用壽命[3]。

圖1 傳統轉向架和軸箱內置式轉向架車軸受力示圖

從曲線通過性能分析可知，轉向架的輪對搖頭角剛度大小與鐵道車輛曲線通過性能密切相關，輪對搖頭角剛度可以用公式（1）表示。采用軸箱內置式轉向架，由于一系懸掛軸向跨距減少，輪對搖頭角剛度將減少，從而提高轉向架曲線通過性能。但是，轉向架輪對搖頭角剛度減少，提供的搖頭力矩會相應減少，抑制輪對搖頭和轉向架搖頭的能力也相應減弱，因此會降低車輛直線運行的蛇行運動穩定性。在保證車輛正常通過曲線情況下，可以適當提高一系列的縱向定位剛度，并提高直線運行時轉向架的臨界速度，如公式（1）所示。

式中：Kφ為輪對搖頭角剛度；Kpx為一系懸掛縱向剛度；bp為一系懸掛軸向跨距的一半。

從扭曲線路通過性能分析可知，轉向架的扭曲剛度直接影響車輛扭曲線路通過能力，轉向架的扭曲剛度可以用公式（2）表示。采用軸箱內置式轉向架，由于一系懸掛軸向跨距尺寸減少，轉向架扭曲剛度將減少，轉向架扭曲剛度下降使車輛系統的垂向力更均勻地分配到同一轉向架的4 個車輪上，從而保障車輛安全地通過扭曲線路。在扭曲剛度滿足要求的情況下，由于一系懸掛軸向跨距減少，因此可以適當增加一系軸箱垂向剛度，在滿足增載貨物的情況下，減少一系懸掛彈簧撓度，便于轉向架構架與軸箱、轉向架底部與限界結構間隙設計和增加抗側滾能力，如公式（2）所示。

式中：Kβ為轉向架扭曲剛度；KPZ為一系懸掛垂向剛度；bP為一系懸掛軸向跨距之半。

2.2 軸箱內置式轉向架基礎制動技術分析

基礎制動裝置的結構及性能直接影響鐵路車輛的行車安全。國內外現有客車轉向架基礎制動主要有鉗夾制動盤式制動和鉗夾輪腹盤式制動方案，鉗夾制動盤式制動方案是在輪對的兩個車輪之間的車軸上增加安裝制動盤，在轉向架構架或搖枕上安裝制動鉗夾裝置，利用安裝在制動鉗夾裝置上的閘片壓緊制動盤側面，產生摩擦制動力，實現制動減速或停車。鉗夾輪腹盤式制動方案如下：制動夾鉗位于構架側梁的端部，制動盤安裝于車輪腹板，通過安裝在側梁端部的制動鉗夾裝置上的閘片單側或雙側壓緊制動盤側面，產生制動作用，這種制動布置方案，可以在輪對的內側留出更多空間，特別適用帶動力的轉向架，同時也避免了輪盤制動夾鉗與軸箱定位拉桿的干涉問題，保證軸箱定位拉桿可以在軸箱中心水平放置，實現轉向架的緊湊設計。客車轉向架的這2 種制動方案均為非踏面制動，適用車輛運行過程中制動頻繁，制動距離短，制動效率高，但技術相對復雜，轉向架簧下質量和自重較高，制造及維護成本高。

傳統鐵路貨車三大件式轉向架基礎制動裝置一般采用單側輪瓦制動方案，制動梁兩端安裝在側架滑槽內，靠近其制動梁端頭的滑塊在側架的滑槽內，制動缸的作用力通過基礎制動各桿系放大，將作用力傳遞至制動梁，將制動梁連同閘瓦壓緊貼靠車輪，產生制動作用。當車輛制動或緩解時，梁端頭的滑塊沿側架滑槽方向移動，與側架滑槽產生摩擦阻力，對車輛的制動或緩解性能造成不利影響，另外，該類型基礎制動要求側架相對輪對垂向位移無變化或變化很小，以避免制動梁卡滯故障，閘瓦磨耗不均等問題。

在構架式鐵路貨車轉向架中，由于設置一系軸箱懸掛，空、重車工況下，構架相對輪對垂向位移較大，不適合在構架上設置滑槽結構、采用類似三大件式轉向架的基礎制動方案。為保證穩定的制動和緩解作用，構架式鐵路貨車轉向架可采用吊掛制動梁式輪瓦踏面制動方案，即制動梁兩端的閘瓦托上連接吊桿一端，吊桿另一端吊掛連接在構架上，制動缸的作用力通過制動杠桿傳遞至制動梁。制動梁、閘瓦托及吊桿之間通過鉸接連接，可靈活偏轉，可保證制動梁瓦托及閘瓦對車輪踏面產生均勻壓力。為保證制動梁與限界安全間隙，可在構架橫梁上安裝制動梁安全托。該類型基礎制動方案具有結構簡單、質量輕、制動及緩解效率高和維護便利等優點。

此外，分析轉向架技術結構的經濟性，客運軸箱內置式轉向架主要采用鉗夾式單元制動，還配置二系空氣彈簧懸掛、軸端接地裝置等，技術較復雜，制造和維護成本高，鐵路貨車轉向架運行速度相對較低，車輛制造和維護成本也較低，更側重于簡單、安全可靠的成熟技術結構，和低制造和維護成本，以提高經濟效益。因此，鐵路貨車軸箱內置式轉向架可以考慮傳統貨車制動梁輪瓦制動和心盤旁承承載結構方案。

3 主要尺寸及性能參數

根據一種出口鐵路工程平車技術規范要求以及借鑒國內外軸箱內置式轉向架設計經驗，設計滿足車輛運用需求的軸箱內置式轉向架，其主要尺寸及性能參數要求見表1。

表1 軸箱內置式轉向架主要尺寸及性能參數

4 轉向架結構方案設計

轉向架采用“H”形焊接構架式結構，心盤和旁承承載方案，心盤采用均載性較好的球面下心盤結構。轉向架結構主要由輪對組成、構架、軸箱懸掛裝置、基礎制動、稱重閥裝置、旁承稱重裝置以及下心盤等組成。分別對各部件結構進行研究。轉向架結構如圖2所示。

圖2 轉向架結構

4.1 輪對組成

輪對主要由車輪、車軸、軸承、軸承后擋、軸承前擋以及端蓋等組成。輪對內側距尺寸按車輛規范要求設計為（1359±1）mm，為了盡可能增加內置式軸箱的軸向跨距，保證車輛直線和曲線性能，在保證構架結構強度和車輪與構架合理間隙情況下，設計了較小的輞轂距結構的車輪，材質為EN13262 標準ER8 級鋼，踏面為“LM”形。

車軸設計制造符合EN13261 標準，材質EA1N 鋼，車軸的軸承安裝座內置設計，車軸結構強度符合EN 13103-2：2020標準《鐵路應用—輪對和轉向架第2 部分 內置軸頸車軸設計原理》。軸承采用BT2-7090A 型為帶密封無須現場潤滑的雙列圓錐滾子軸承，符合EN12080 標準，滿足14t 軸重使用要求。

4.2 構架組成

構架主要由兩件側梁、橫梁、彈簧座以及閥定位座等組焊構成。焊接符合EN15085 標準。構架板材主要采用Q345qE，鑄件為B+級鋼。側梁采用上、下蓋板和單腹板組焊結構，其中，同一側梁，下蓋板為整體設計，上蓋板與橫梁上蓋板拼接焊連接，側梁中部下凹設計，以降低心盤高度和車輛重心。側梁腹板內、外側，設計了加強筋板，同一輪位的2 個彈簧座設計為整體鑄造，與側梁下蓋板焊縫為環焊連接，可以避免側梁下蓋板單彈簧座軸向焊縫易裂紋的故障。每個轉向架安裝一套稱重閥，其中，一位側梁端部設計閥定位座和“U”形加強板。

橫梁為上、下蓋板與雙腹板組焊結構，上蓋板中部開設有供球面下心盤安裝的孔，內部有加強筋板。橫梁上蓋板兩端組焊有旁承盒。腹板兩側面對稱焊接安裝有制動梁吊座和制動梁安全托座。

4.3 軸箱懸掛裝置

軸箱懸掛裝置主要由軸箱體、錐形橡膠彈簧、軸箱體后檔以及吊桿等組成。軸箱體采用C 級鋼整體鑄造加工，內側設計軸箱體后擋和吊桿，通過螺栓與軸箱體連接，軸箱體兩側對稱設計有彈簧定位孔，錐形橡膠彈簧下部裝入軸箱體定位孔，底部安裝墊圈和端部螺栓防止脫出，彈簧上部結合面設計有凸出圓環擋結構，插入彈簧座內，為小間隙銷孔配合，彈簧上部通過4 個螺栓與彈簧座連接，以提高連接定位可靠性。安裝稱重閥下方的軸箱錐形橡膠簧上部無螺栓連接，但設計加高定位擋，實現彈簧上部在構架閥定位座內的水平方向定位軸箱體下部增加閥防脫座設計。

4.4 基礎制動

采用下拉桿式、單側輪瓦踏面制動方案。基礎制動主要由制動梁、固定杠桿支點、制動梁吊桿、制動梁安全托、制動杠桿、制動梁吊桿、下拉桿以及閘瓦等組成。制動梁為組合式制動梁，為適應較窄的構架空間，制動杠桿設計為豎直工作面，制動梁閘瓦托下穿過側梁，通過制動梁吊桿吊掛安裝在構架橫梁的吊座上。每件制動梁設置有兩件制動梁安全托，安全托通過螺栓安裝在橫梁腹板的安裝座上。閘瓦采用TB/T3104.1標準高摩合成閘瓦。

4.5 稱重裝置

稱重裝置主要由稱重閥、管卡和頂桿等組成。稱重閥安裝于側梁下蓋板下方，軸箱外側一錐形橡膠彈簧上方，彈簧有效承載載荷對稱重閥有直接比例效應。

4.6 旁承

采用常接觸彈簧旁承，由旁承體、調整墊板和縱向鎖緊斜鐵組成。

5 轉向架相關計算

5.1 車軸強度

車軸按照EN 13103-2：2020 標準，對車軸輪座、軸承座、軸身以及相關過渡部位的8 個位置截面進行強度計算，計算結果顯示，材質為EA1N 的車軸各計算截面應力均低于EN 13103-2：2020 標準中表7b 的規定，車軸強度滿足車輪使用要求。

5.2 構架強度

采用ANSYS 有限元軟件按照EN13749 標準對構架進行仿真分析，在超常載荷工況下，構架側梁下蓋板內側大圓弧部位最大應力274.8MPa，小于材料的許用應力345MPa，其余部位應力均低于200MPa，滿足標準設計要求。在標準規定的9 個主要運營載荷工況下，構架各焊縫接頭的動應力均未超出相應接頭Goodman 疲勞極限圖的界定范圍，疲勞強度滿足標準設計要求。構架靜強度及疲勞強度均滿足EN13749 標準要求。

5.3 轉向架運行性能

采用SIMPACK 軟件對安裝該轉向架的工程平車按照EN14363-2018 進行動力學仿真分析，當車輛通過扭曲線路時，最大輪重減載率和脫軌系數計算結果均低于標準允許限度；當速度為70km/h 時，車體最大橫向加速度、最大垂向加速度、車輪導向力之和最大值、車輪脫軌系數最大值、車輪導向力之和的均方根值和車輪最大垂向靜載荷計算結果均在標準規定限度內，車輛直線運行性能符合標準EN14363—2018 規定；當空車和重車通過曲線時，各項指標均在EN14363 標準規定限度內。對于安裝該轉向架的工程平車，由于重心較低，因此在無抗側滾裝置設置情況下，優化懸掛參數，對車輛側滾系數進行仿真計算，在重心高度1.7m 以內，側滾系數最大值為0.328，符合EN14363 標準≤0.4 的要求。通過車輛動力學仿真分析，表明安裝軸箱內置式轉向架的車輛運行性能滿足標準設計要求。

6 結語

軸箱內置式鐵路貨車轉向架是解決在某些特殊限界運行的工程車輛低成本的最佳技術方案，采用軸承內置的輪對、軸箱懸掛及基礎制動技術是實現輕量化、低成本設計的關鍵，內置式轉向架在減輕簧下質量和輪軌作用力，降低基礎設施投入和線路維護費用等方面具有明顯的優勢。本文結合一種地鐵工程平車規范要求，提供的一種軸箱內置式轉向架設計方案，通過相關計算分析，符合相關設計標準，可以滿足車輛使用要求，為研發同類型轉向架提供參考。