輪對(duì)軸箱裝置輕量化設(shè)計(jì)探討

董 磊

（中國(guó)北車集團(tuán)長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,長(zhǎng)春 130000）

輪對(duì)軸箱裝置輕量化設(shè)計(jì)探討

董 磊

（中國(guó)北車集團(tuán)長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,長(zhǎng)春 130000）

具有輕量化的轉(zhuǎn)向架輪對(duì)軸箱裝置，對(duì)車輛來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而要達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化，在選用材料和合理化設(shè)計(jì)方面是值得研究的課題，本文對(duì)降低簧下質(zhì)量的方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)現(xiàn)有車輛輪對(duì)軸箱裝置的輕量化進(jìn)行了論述。

輪對(duì)；軸箱裝置；輕量化；設(shè)計(jì)

鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，降低簧下質(zhì)量意味著輪軌間的沖擊能量就會(huì)減小，對(duì)改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和減小輪軌間動(dòng)作用力具有重要影響。簧下質(zhì)量是指輪對(duì)軸箱裝置的重量，主要包括車軸、車輪、軸箱、軸承、壓板、前蓋等。簧下質(zhì)量輕量化主要需對(duì)這些部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。總體上來(lái)看，實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑主要有兩個(gè)，一是合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是采用新材料。

1 輕量化設(shè)計(jì)的意義

1.1 減小列車的阻力

減少列車的阻力，主要是運(yùn)行阻力。運(yùn)行阻力一般表達(dá)式為（a+b.v）.W+c.v2(其中a,b,c是對(duì)應(yīng)于車輛的常數(shù)，v為速度，W是車輛重量)，故輕量化能使運(yùn)行阻力下降。

1.2 節(jié)約牽引能

能量的節(jié)約主要是由于減小了列車阻力，使加減速及高速運(yùn)行時(shí)所需要的牽引力減小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，京津高速鐵路平均每人耗電7.5度（全長(zhǎng)120公里，CRH3，350公里、小時(shí)，29分鐘）

1.3 減少制動(dòng)的能耗

輕量化對(duì)減輕制動(dòng)的負(fù)擔(dān)有很大的效果。

1.4 環(huán)境保護(hù)-減輕噪聲和振動(dòng)

日本300系列高速列車，在車速270公里/小時(shí)，25米遠(yuǎn)處噪聲為25dB。

1.5 降低了線路的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用

自身重量降低，給線路帶來(lái)的壓力越小，從而降低了線路的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

1.6 提高了車輛運(yùn)行平穩(wěn)性

由于輕量化對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)的輪重、橫壓有所減輕，是軸重變化范圍小以及橫壓減少，從而改善了高速時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 輪對(duì)軸箱裝置的輕量化設(shè)計(jì)

2.1 車軸

車軸是轉(zhuǎn)向架輪對(duì)軸箱裝置中重要的部件之一，直接影響車輛運(yùn)行的安全性，又是轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量的主要組成部分，根據(jù)承載重量的不同，客車車軸分為B、C、D型車軸，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足承載要求的前提下，合理確定車軸的型號(hào)。為了降低車軸質(zhì)量，出現(xiàn)了空心車軸， 我國(guó)200km/h先鋒號(hào)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架車軸所采用的是軸徑150mm、重360kg的空心車軸。80km/h城軌客車轉(zhuǎn)向架所選用的是軸徑120mm、重352kg的實(shí)心車軸；120km/h和160km/h鐵路客車轉(zhuǎn)向架采用的是軸頸130mm，重量是418kg的實(shí)心車軸。空心軸比實(shí)心軸可減輕20%～40%的質(zhì)量，一般可減輕重60～100kg，甚至更多。而由于車軸主要承受橫向彎矩作用，而最大彎矩應(yīng)力與其抗彎斷面模數(shù)成反比，故截面中心部分應(yīng)力很小，制成空心后，對(duì)車軸強(qiáng)度影響很小。空心車軸減重效果明顯，對(duì)于高速車輛來(lái)說(shuō)，降低簧下部分質(zhì)量對(duì)改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和減少輪軌動(dòng)力作用有重要影響。另外，還可以從車軸內(nèi)孔處對(duì)車軸進(jìn)行超聲波探傷，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化檢查的要求，目前引進(jìn)的200km/h、300 km/h動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架動(dòng)車和拖車均采用空心車軸。

2.2 車輪

車輪質(zhì)量的大小直接影響著轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量。輪徑小，可以降低車輛重心，增大車體容積，減小車輛簧下質(zhì)量，縮小轉(zhuǎn)向架固定軸距；但軸承轉(zhuǎn)速增加，阻力增加，輪軌接觸應(yīng)力增大，踏面磨耗加快，同時(shí)，小直徑車輪通過(guò)軌道凹陷和接縫處對(duì)車輛振動(dòng)的影響也較大。我國(guó)目前城軌車輛使用的車輪輪徑為840mm、860mm，鐵路客車采用的車輪輪徑為915mm。出口車輛采用過(guò)輪徑為860mm、920mm的車輪。車輪直徑的選取需與整車的要求相一致，又要與轉(zhuǎn)向架相適合，而國(guó)內(nèi)干線鐵路車輛車輪直徑在選用上已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，很難再進(jìn)一步降低輪重。

從新材料的角度來(lái)看，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始研制玻璃鋼輪心，車輪由鋼質(zhì)車箍、玻璃鋼輪心和鋼質(zhì)輪轂三部分組成，車輪質(zhì)量至少降低20%(100kg左右)。但目前也只是停留在試驗(yàn)研究階段，距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

2.3 軸箱和軸承

減小軸箱、軸承部分的質(zhì)量是降低簧下重量的重要措施。城軌客車轉(zhuǎn)向架從北京國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目開(kāi)始采用精密鑄件軸箱和短軸承。北京城鐵軸箱組成中，軸承采用的是內(nèi)徑210外徑240寬為160的分體式非自密封軸承，軸承重量為35Kg。而北京國(guó)產(chǎn)化、天津地鐵及北京地鐵5號(hào)線均選用的是SKF公司生產(chǎn)的內(nèi)徑120外徑215寬為146的整體自密封小直徑軸箱軸承，軸承重量為22.1 Kg。該軸承具有尺寸更小，重量更輕，密封性好，維修周期更長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，減少了維護(hù)的工作量和費(fèi)用。自密封小直徑軸承比非自密封大直徑軸承輕13.4Kg。軸承外徑的減小帶來(lái)軸箱孔徑的減小，由于采用小直徑軸承，相應(yīng)地縮小了軸箱的尺寸，相應(yīng)軸端前蓋的重量也由11.23 Kg降低到7.8 Kg，降低了簧下質(zhì)量，提高了運(yùn)行品質(zhì)；同時(shí)增大了軸箱與軸箱簧之間的安全間隙。高速車輛采用的自密封雙列圓錐軸承或圓柱軸承對(duì)于軸承質(zhì)量的降低也是有利的。

城軌客車轉(zhuǎn)向架從北京國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目開(kāi)始采用精密鑄件軸箱，短軸承和車軸、小直徑860mm車輪和短軸距的轉(zhuǎn)向架，其質(zhì)量比一般轉(zhuǎn)向架輕。對(duì)于高速車而言，CRH2型車的軸箱采用鋁合金制作，鋁合金軸箱的重量只有原來(lái)的50%左右，能夠更加有效的降低簧下質(zhì)量。由此可見(jiàn)，降低軸箱組成的重量是輪對(duì)軸箱組成輕量化的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

簧下質(zhì)量的降低不僅對(duì)改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和減小輪軌間動(dòng)力作用具有重要影響，也有利于節(jié)約成本。由于質(zhì)量的減輕，改進(jìn)了車輛的自重系數(shù)，有助于補(bǔ)償重載車輛的運(yùn)營(yíng)而帶來(lái)的線路維修費(fèi)用的增加。通過(guò)減輕轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量和每輛車的自重，可使車輛多承載乘客而仍保持總重不變。在列車運(yùn)營(yíng)中，可使用較少的列車往返行程而運(yùn)載同樣凈重的乘客。在線路維修、車輛投資和保養(yǎng)、燃料和乘務(wù)員花費(fèi)等方面都可節(jié)約費(fèi)用。

[1]劉仁民.轉(zhuǎn)向架輕量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料選擇和制造工藝問(wèn)題的探討[J].鐵道車輛.

[2]周春平.基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的高速動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架輕量化的研究[J].西南交通大學(xué).