軌道車輛軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展研究

賈洪龍 尹振坤 梁 云 楊集友 諶 亮 呂常秀 王一淞

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春 ∥ 第一作者，高級工程師)

軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架將軸箱、軸承、一系懸掛安裝在輪對內(nèi)側(cè)，由于構(gòu)架支撐點(diǎn)也處在輪對內(nèi)側(cè)，所以又稱作構(gòu)架內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架(以下簡稱“內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架”)，如圖1所示。在結(jié)構(gòu)上,通過減小一系懸掛的橫向跨距，減小了構(gòu)架、車軸等橫向尺寸，從而減小了轉(zhuǎn)向架整體的質(zhì)量(約減重30%)；通過減小一系懸掛的橫向跨距，有效降低了輪對的搖頭角剛度和轉(zhuǎn)向架的扭曲剛度，便于通過小半徑曲線。內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架具有通過曲線能力強(qiáng)、輪軌磨耗小、噪聲低、適應(yīng)線路扭曲能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于運(yùn)行速度不高、線路曲線半徑小、坡度和順坡率較大的軌道車輛。

圖1 內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架和外置式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)對比示意圖

內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的缺點(diǎn)也非常明顯。由于構(gòu)架內(nèi)置，轉(zhuǎn)向架內(nèi)部空間大大減小，在設(shè)計(jì)驅(qū)動裝置部件(電機(jī)、齒輪箱)時，布置空間非常有限；軸承設(shè)置在車輪內(nèi)側(cè)，定期維護(hù)時，必須拆卸車輪；目前內(nèi)置轉(zhuǎn)向架尚未制定適用的設(shè)計(jì)、制造系列標(biāo)準(zhǔn)。因此，內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用并不廣泛，主要集中在英國市場。國內(nèi)只有少量的低地板輕軌車輛或直線電機(jī)地鐵車輛采用了內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架，運(yùn)營速度在100 km/h左右。

隨著電力驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步、軌道車輛輕量化的需求以及對產(chǎn)品全壽命周期成本管理意識的日益增長，內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架以其質(zhì)量小、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)越來越受到國內(nèi)外軌道車輛制造商和運(yùn)營單位的青睞。2018年，西門子發(fā)布了研發(fā)5年之久的新型高速列車Velaro Novo，最高速度可達(dá)360 km/h，列車的質(zhì)量減輕了15%，能耗降低了30%，預(yù)計(jì)在2023年正式投入運(yùn)營。公開資料顯示，該列車就采用了內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架。文獻(xiàn)[4]預(yù)測內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架將會成為我國下一代高速列車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)方向之一。目前，中國中車集團(tuán)旗下各主機(jī)廠也均在進(jìn)行內(nèi)置式高速轉(zhuǎn)向架的技術(shù)研究和試制。筆者將重點(diǎn)介紹國內(nèi)外的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展情況以及幾種典型的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。

1 國外內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展情況

國外內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)運(yùn)用的較早，但最能代表現(xiàn)代內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展的是龐巴迪在20世紀(jì)80年代基于英國鐵路開發(fā)的B5000轉(zhuǎn)向架。與相應(yīng)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，B5000轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量減少了30%～35%，簧下質(zhì)量減少了30%～40%。在B5000轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，2001年龐巴迪研制的B5005轉(zhuǎn)向架代表了現(xiàn)代內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的第一個典型應(yīng)用，使用在英國的Voyager、Meridian和Turbostar城際列車上，其良好的軌道友好性和較低的維護(hù)費(fèi)用深受英國運(yùn)營公司喜愛。同年，龐巴迪公司在B5000系列轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上還為德國國鐵(DB)ICE2試驗(yàn)車開發(fā)和研制了應(yīng)用于拖車的TR400拖車轉(zhuǎn)向架，試驗(yàn)速度最高達(dá)到了392 km/h，顯示了內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的廣泛應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上，龐巴迪又開發(fā)了Flexx Eco系列的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架，其中Flexx Eco 501x動車轉(zhuǎn)向架運(yùn)用于英國的Aventra城際列車動車，F(xiàn)lexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架運(yùn)用于德國國鐵新一代ICE4拖車轉(zhuǎn)向架。

西門子在2016年為英國專門設(shè)計(jì)了Desiro City城際列車，運(yùn)營在Thameslink線上，運(yùn)營速度最高為160 km/h。該列車采用了西門子SF7000型內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架(包括動車、拖車兩種類型)，代表了西門子最典型的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)應(yīng)用。

日立公司(Hitachi)在2017年針對蘇格蘭的Falkirk線(連接愛丁堡和格拉斯哥)研發(fā)了AT-200/300型高速城際列車，最高運(yùn)營速度可達(dá)到200 km/h，在部分拖車上也采用了內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架。

1.1 龐巴迪B5005動車轉(zhuǎn)向架

龐巴迪B5005動車轉(zhuǎn)向架(見圖2～3)構(gòu)架為 H 型焊接構(gòu)架。一系懸掛采用橡膠彈簧，提供了足夠大的阻尼，因此不需要再設(shè)置垂向減振器。二系懸掛采用空氣彈簧，附加空氣室安裝在車體上。二系懸掛還設(shè)置有橫向和垂向減振器、抗蛇行減振器。牽引裝置采用單拉桿牽引方式。轉(zhuǎn)向架配備有4個輪裝制動盤，并設(shè)置了彈簧停放制動單元。電機(jī)采用體懸式安裝方式，安裝在車體下方。龐巴迪B5005動車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 龐巴迪B5005動車轉(zhuǎn)向架

圖3 龐巴迪B5005動車轉(zhuǎn)向架二維視圖

表1 龐巴迪B5005轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

1.2 龐巴迪TR400拖車轉(zhuǎn)向架

龐巴迪TR400拖車轉(zhuǎn)向架(見圖4)構(gòu)架為 H 型焊接構(gòu)架。一系懸掛由橡膠疊簧和垂向減振器組成，采用拉桿式定位方式。二系懸掛采用空氣彈簧。該轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)采用了半主動垂向減振和主動橫向懸掛特殊技術(shù)，設(shè)置了一個主動橫向和一個半主動垂向減振系統(tǒng)，以提高列車高速運(yùn)行下的舒適性；每側(cè)有2個抗蛇行減振器，并設(shè)置了抗側(cè)滾扭桿；車體和二系懸掛之間設(shè)置有過渡的聯(lián)系枕梁，同時作為空氣彈簧的附加氣室。該轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置包括4個輪裝制動盤、每軸1個斜對稱的軸裝制動盤，以及磁軌制動器或渦流制動器。龐巴迪TR400拖車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖4 龐巴迪TR400拖車轉(zhuǎn)向架

表2 龐巴迪TR400拖車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

1.3 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架

龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架(見圖5)構(gòu)架(見圖6)為焊接結(jié)構(gòu)，包括2根縱梁，通過箱型橫梁相連，呈H 型形狀。一系懸掛由金屬橡膠彈簧組成。由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的軸頸間距較小，一系懸掛在垂直方向上剛度的設(shè)計(jì)相對比較硬，可防止側(cè)滾。輪對每側(cè)設(shè)置一個含有金屬橡膠節(jié)點(diǎn)的定位拉桿，拉桿的定位剛度較小，使得輪對在曲線上可以良好地徑向通過。二系懸掛系統(tǒng)由安裝在轉(zhuǎn)向架縱梁中心的空氣彈簧和橡膠彈簧串聯(lián)組成，空氣彈簧內(nèi)部還集成了緊急錐形彈簧。該轉(zhuǎn)向架還設(shè)置了安裝在構(gòu)架上的抗側(cè)滾扭桿，由于轉(zhuǎn)向架內(nèi)部缺少設(shè)計(jì)空間，扭桿設(shè)計(jì)成中間為弓型的彎桿。該轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置采用電空緊湊型制動單元，輪裝制動的制動夾鉗還配備了彈簧停放制動單元。除了空氣制動外，還安裝了磁軌制動器，在緊急制動時使用。龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表3。

圖5 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架

圖6 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

表3 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

1.4 西門子SF7000型轉(zhuǎn)向架

西門子SF7000型轉(zhuǎn)向架(見圖7～8)包括動、拖兩個版本，是在原有SF5000型轉(zhuǎn)向架(軸箱外置)基礎(chǔ)上的升級產(chǎn)品，保持了原SF5000型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)主體。該轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用鞍形疊層橡膠彈簧，類似轉(zhuǎn)臂式的定位方式，配置有空氣彈簧、垂向減振器、抗蛇行減振器、抗側(cè)滾扭桿等。動車和拖車轉(zhuǎn)向架之間的主要差異在于制動系統(tǒng)，動車轉(zhuǎn)向架在每個輪上安裝有踏面制動，但動車轉(zhuǎn)向架主要利用再生制動；拖車轉(zhuǎn)向架每個輪對有2個軸裝制動盤。西門子SF7000型轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表4。

圖7 西門子SF7000型動車轉(zhuǎn)向架

圖8 西門子SF7000型拖車轉(zhuǎn)向架

表4 西門子SF7000型轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2 國內(nèi)內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展情況

國內(nèi)內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展起步較晚，目前還沒有城際列車采用軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架，因此缺少相關(guān)技術(shù)研究和積累。2014年，中車長春軌道客車股份有限公司中標(biāo)美國波士頓地鐵項(xiàng)目，依托該項(xiàng)目要求，自主研制了軸箱內(nèi)置式地鐵轉(zhuǎn)向架，最高試驗(yàn)速度為112 km/h。針對潛在的英、德等國家的城際列車市場，中車長春軌道客車股份有限公司開發(fā)了速度等級為200 km/h以上的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架作為技術(shù)儲備，同時也已著手進(jìn)行300 km/h以上速度等級的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的研究和開發(fā)。

2.1 美國波士頓地鐵項(xiàng)目軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架

美國波士頓地鐵項(xiàng)目軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架(見圖9)為軸箱內(nèi)置式帶搖枕結(jié)構(gòu)，采用整體鑄造構(gòu)架和鑄造搖枕；二系懸掛采用雙曲囊空氣彈簧，控制模式采用三點(diǎn)控制方式；一系懸掛采用人字形橡膠彈簧，每根車軸都由1套驅(qū)動裝置驅(qū)動; 每個轉(zhuǎn)向架上裝有4套踏面制動單元，其中每車一位轉(zhuǎn)向架安裝2套帶停放功能的制動單元；采用第三軌受流方式；一位轉(zhuǎn)向架上還裝有信號天線、輪緣潤滑、三軌冰雪刮刀及緊急停車觸發(fā)裝置。美國波士頓地鐵項(xiàng)目軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表5。

圖9 美國波士頓地鐵項(xiàng)目軸箱內(nèi)置式動車轉(zhuǎn)向架

表5 波士頓地鐵項(xiàng)目軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

2.2 速度等級為200 km/h的軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架

速度等級為200 km/h的軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架(見圖10)采用H型焊接構(gòu)架，橫梁采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，抗蛇行減振器座安裝座采用模塊化設(shè)計(jì)，螺栓安裝方式便于螺栓的拆裝和更換；一系懸掛采用2個縱向布置的橡膠圓錐彈簧，垂向承載能力強(qiáng)，同時單個彈簧的直徑較小、橫向空間占用少；軸箱采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拆卸上、下箱體之間的連接螺栓即可實(shí)現(xiàn)輪對的快速更換；一系定位采用單個軸箱拉桿定位方式，軸箱拉桿安裝座位于軸箱中部。牽引和制動時，軸箱拉桿作用力直接作用于車軸中心，不會對軸箱產(chǎn)生附加力矩。軸箱拉桿的兩端為橡膠節(jié)點(diǎn)，橡膠節(jié)點(diǎn)的縱向剛度可調(diào)，可以滿足高速動車組轉(zhuǎn)向架輪對縱向定位剛度較大的要求。中央牽引裝置采用一組牽引橡膠堆，與傳統(tǒng)的Z型牽引拉桿、單拉桿以及兩組橡膠堆設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)橫向和縱向空間占用小，且結(jié)構(gòu)簡單，即中心銷直接與縱向布置的牽引橡膠堆接觸，傳遞牽引力和制動力，接觸表面采用低摩擦涂層。牽引電機(jī)通過3個橡膠節(jié)點(diǎn)吊裝在構(gòu)架橫梁上，減少了構(gòu)架橫梁振動。齒輪箱吊桿的安裝座位于構(gòu)架側(cè)梁，減少了構(gòu)架橫梁的受力。采用輪裝制動盤，輪盤制動夾鉗位于構(gòu)架側(cè)梁的端部，相對于輪盤制動夾鉗位于構(gòu)架中部，這種布置形式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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的緊湊設(shè)計(jì)。速度等級為200 km/h的軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表 6。

圖10 速度等級為200 km/h的軸箱內(nèi)置式動車轉(zhuǎn)向架

表6 速度等級為200 km/h的軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

3 內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的發(fā)展前景展望

新一代高速列車將明顯提升結(jié)構(gòu)可靠性、系統(tǒng)安全性、維修經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，這就要求設(shè)計(jì)人員通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，有效降低輪軌作用力，提高載客量的同時改善列車的綜合性能指標(biāo)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架在降低基礎(chǔ)設(shè)施投入、降低線路維護(hù)費(fèi)用、降低車輪質(zhì)量、降低輪軌作用力等方面具有明顯的優(yōu)勢，而且?guī)缀蹩梢院w所有應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合目前永磁電機(jī)、碳纖維等技術(shù)的發(fā)展，新型的、更高速的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)將會得到蓬勃發(fā)展。