城市軌道車輛典型轉向架綜述

□張云飛 □李 軍

重慶交通大學機電與車輛工程學院 重慶 400074

城市軌道交通具有運量大、能耗低、效率高、污染小、準點率高及景觀性好等特點，已成為現代城市交通的主動脈[1]。轉向架可以起到牽引、制動、導向、支承及隔振等作用，是城市軌道車輛的核心裝置，決定了車輛牽引制動特性、輪軌壽命及運行品質[2]。

1 鋼輪-鋼軌系統轉向架

鋼輪-鋼軌系統包括地鐵和輕軌兩種制式，按車型分A、B、C型車，其轉向架結構大同小異[3-4]，基本結構如圖1所示。

圖1 鋼輪-鋼軌系統轉向架

1.1 構架

鋼輪-鋼軌系統轉向架的構架由側梁和中間橫梁構成，無搖枕，俯視圖呈H形。結構上均為中空梁，材質為合金結構鋼，制造工藝涉及焊接和表面處理。中間橫梁布置齒輪箱、制動裝置及驅動電機等，側梁為魚腹形，即兩邊高中間低，以便放置空氣彈簧。

1.2 輪對

拖車與動車輪對的相同點在于車輪與車軸壓裝制造，同時均選用磨耗型車輪踏面，材料為車軸鋼。不同之處在于車軸結構有差異，拖車車軸既沒有齒輪箱吊掛座，也沒有驅動齒輪[5]。

1.3 中央懸掛

一系懸掛用于緩沖輪對垂向運動，垂向載荷由一系螺旋彈簧、軸箱、輪對依次傳遞，最終到達鋼軌。當從軌道上起吊轉向架時，一系垂向減振器可以保證在不脫離構架前提下承擔輪對部分載荷，還可選用轉臂定位以應對高速運行。

二系懸掛既可以提高城市軌道車輛的運行品質，又可以減弱垂向振動所帶來的影響，主要設備包括二系垂向減振器、空氣彈簧等。墊片可調節車輛地板高度，緊急彈簧可將高度降低值限定在一定范圍內，空氣彈簧可以支持車體，傳遞較小的橫向載荷和較大的垂向載荷。緊急彈簧與氣囊為串聯狀態，如果氣囊內欠壓或過壓，面板會落到緊急彈簧上，此時緊急彈簧將替代空氣彈簧實現系統功能[6]。

1.4 驅動制動單元

驅動單元依靠聯軸節、齒輪箱及電機實現扭矩傳遞，同時，為預防懸掛螺栓出現損壞，齒輪箱上通常設有安全托。牽引電機彈性吊掛于構架上，橫向布置并設有安全卡槽。

1.5 制動單元

軌道車輛復合制動第三階段是選用輪盤制動的基礎制動，即機械制動。為保證制動閘瓦與踏面間隙保持在最佳范圍內，對于基礎制動裝置，常設有閘瓦-踏面間隙自調系統，同時軌道車輛每根車軸都配有駐車制動裝置。

1.6 軸箱

除圓錐滾子軸承、軸圈外，密封端蓋及軸箱體等也是鋼輪-鋼軌系統轉向架軸箱的核心部件，其中軸箱殼體材料選用C級鑄鋼。

1.7 抗側滾裝置

軌道車輛的懸掛系統允許輕微側傾狀態，如通過曲線段時，車輛由于橫風或離心力引起側傾。為將側傾限制在安全行駛界限內，在底架下方設有不影響二系懸掛垂向及橫向彈性特性的抗側滾裝置[7]。

2 跨座式單軌轉向架

跨座式單軌轉向架基本結構如圖2所示，除列車兩端外，跨座式單軌轉向架均為動力轉向架，此外，走行輪明顯區別于地鐵或輕軌的整體碾制鋼輪。單軌車輛通過4個導向輪從側面穩穩抱住軌道梁，從而實現自動對中導向。每個轉向架均有穩定輪、導向輪及走行輪，共10個橡膠輪胎。同時，所有膠輪為防止失氣，都備有輔助車輪，走行輪還安裝胎壓監測儀[8]。

圖2 跨座式單軌轉向架

2.1 走行輪

走行輪在驅動軸轉矩的作用下將車輪的旋轉運動轉變為車輛沿軌道方向行駛的運動。走行輪為鋼絲圈膠胎，同時充氮氣，無內胎，設置胎壓監測儀，胎壓控制在880 kPa。一旦膠輪失氣，輔助實心輪將臨時代替走行輪實現系統功能[9-10]。此外，轉向架還設計有壓力表，每軸2個[11]。

2.2 平行輪總成

平行輪總成包括導向輪和穩定輪，導向輪和穩定輪除輪輞及輔助輪安裝位置不同外，其余相同。平行輪總成主要組成有橡膠輪胎、輪芯、輪輞、立式車軸和圓錐滾柱軸承。橡膠輪胎直徑為730 mm，充入氮氣，尼龍斜裁帶，有內胎。為確保失氣狀態下車輛安全返回基地檢修，裝有輔助實心輪備用。

在單軌軌道梁兩側設置有導向輪，導向輪下側則是穩定輪。由于2個走行輪的間距只有400 mm，屬隨遇不穩定[12]，因此通常會設計兩個穩定輪從側面抱住軌道梁，產生一個橫向力，從而形成一個附加力矩，使得隨遇不穩定模式變為隨遇穩定模式，以保證單軌車輛的行駛穩定性。

2.3 目字構架

除牽引制動裝置、導向輪、穩定輪及走行輪外，車體懸掛、受流器及接地裝置等是跨座式單軌轉向架構架的關鍵部件。目字構架由側梁、橫梁、端梁、導向輪支架、電機吊座構成，俯視呈目字形，并由合金結構鋼板焊接而成。

2.4 二系懸掛

單軌車輛通常由橡膠輪胎充當一系懸掛，車體直接裝在空氣彈簧上，與轉向架之間采用二系懸掛，即通過中央懸掛裝置傳遞牽引力和橫向力，以實現輕量化，提高舒適性，并配置有高度調節閥和防過充裝置[13]。

3 懸掛式單軌轉向架

懸掛式單軌轉向架基本結構如圖3所示。懸掛式單軌車輛以吊掛形式行駛在軌道上，車體在梁下，而轉向架位于車體上方，軌道梁為下開口箱型梁。每輛車有2個轉向架，靠走行輪承擔下部車體所有重力，并提供驅動力使列車沿軌道行駛。導向輪起導向和平衡作用[14]。

圖3 懸掛式單軌轉向架

3.1 構架

懸掛式單軌轉向架是由構架本體和部件支座構成的焊接結構，材料為鋼板和方鋼，構架上設置各部件安裝座，不同位置導向輪受力不同，可為構架提供力矩，防止側傾失穩。牽引懸掛裝置可實現車體與構架的相對運動，同時還可以傳遞兩者間的作用力。驅動裝置選用三相異步牽引電機，電機通過螺栓直接固定在齒輪箱上。

3.2 走行輪與導向輪

懸掛式單軌轉向架共有16個導向輪和4個走行輪，材料均為實心橡膠胎。為實現轉向架的自導向，構架端角位置安裝有8個導向輪。走行輪直接安裝在齒輪箱輸出軸上，傳遞列車與軌道之間的縱向力和垂向力。

懸掛式單軌轉向架中，無論是導向輪還是走行輪，均稱為平行輪。轉向架每軸有2個走行輪，走行輪由車輪和輪胎兩部分構成，較之鋼輪-鋼軌系統，膠輪運行噪聲小，運行更平穩，且黏著系數高。導向輪通過與箱型軌道梁內壁的導向輪走行軌面配合，實現對應于傳統軌道交通車輛的輪對自對中和導向作用[15]。

3.3 中央懸掛

一系懸掛系統由轉臂、走行輪、差速器齒輪箱與一系彈簧轉臂式定位系統構成。轉臂以橡膠節點方式連接構架安裝座，另一端與輪對齒輪箱體固定連接。車輛在通過曲線段時，車體通過牽引懸掛裝置繞中心銷一點轉動，通過車體重力沿水平方向的分力平衡離心力。中心銷與搖枕為關鍵承載部件，傳遞構架與車體之間各個方向的力。

通常選用牽引懸掛裝置來連接轉向架與車體，同時傳遞兩者的載荷和相對運動。懸掛式單軌轉向架為動力轉向架，轉向架上2套驅動裝置縱向布置，基礎制動裝置通過夾鉗與軌道間產生的摩擦阻力實現制動。懸掛式單軌轉向架齒輪箱與傳統軌道交通車輛齒輪箱的不同之處在于其懸掛方式，懸掛式單軌轉向架齒輪箱設置了轉臂定位關節安裝孔和齒輪箱懸掛安裝座。

4 有軌電車轉向架

有軌電車轉向架有些特別，常選用獨立旋轉車輪結構，且幾乎都選用低位橫軸，兩側車輪橫向耦合，最終完成自動導向及對中。為保證高可靠性、安全性與舒適性，通常選用傳統輪對，避免使用耦合輪對。有軌電車轉向架可實現低地板化，同時能夠以無滑動無摩擦狀態高速通過曲線段，輪軌間磨損、振動及噪聲小。有軌電車轉向架基本結構如圖4所示。

圖4 有軌電車轉向架

有軌電車轉向架優點如下：短軸距，選用小直徑獨立旋轉車輪；齒輪箱定制，設計合理，布置考究；構架結構簡單，形式多樣；輪對結構為軸箱內置，且選用彈性車輪結構。有軌電車制動方式通常為非黏著制動與黏著制動相結合[16]，易脫軌的缺點較明顯。此外，因曲線自導向及直線自動對中性能較差，有軌電車轉向架只能依靠輪緣導向，造成輪緣磨損較為嚴重[17-18]。

5 直線電機車輛轉向架

直線電機車輛轉向架起承載、牽引、緩沖、轉向、制動等作用，關鍵技術包括電機氣隙調節、直線感應電機懸掛、牽引力傳遞等。除構架、輪對外，中央懸掛、驅動及制動裝置等也是關鍵部件。直線電機輪對軸箱裝置與普通軌道車輛非動力轉向架輪對在結構上相似，輪徑較小且不傳遞牽引力，不同之處則在于直線電機車輛轉向架可以選用外軸箱式轉向架[19]。直線電機車輛轉向架基本結構如圖5所示。

圖5 直線電機車輛轉向架

直線電機車輛轉向架通過將側梁設置在車輪內側減小結構尺寸。為減弱由構架沉浮降低所造成的電機氣隙變化，一系懸掛在選用構架懸掛以設置直線電機時，通常選用大垂向剛度，二系懸掛則通常設置有搖枕，并選用空氣彈簧。可設置抗側滾裝置，用于防止車輛傾覆。直線電機車輛轉向架基礎制動為液壓傳動盤制動[20]。

6 結束語

不同軌道制式對于轉向架結構的設計有不同要求，雖然種類繁多，但城市軌道車輛轉向架大都由構架、輪對、中央懸掛、制動單元、驅動單元、軸箱等組成，且都追求良好的曲線通過能力，要求低磨損、低噪聲、靈活、可靠且便于維護。跨座式單軌轉向架沒有一系懸掛，由橡膠輪胎代為實現這一功能。鋼輪-鋼軌系統轉向架通常為H形構架，而跨座式單軌轉向架則為目字構架。

城市軌道車輛轉向架正向輕量化技術發展，采用整體碾鋼小輪徑車輪、空心車軸、輕金屬軸箱體、輕量化軸箱軸承、輕量化焊接鋼結構，同時采用新的懸掛技術，合理匹配一系懸掛縱橫剛度，并采用驅動電機懸掛。驅動技術方面，采用交流驅動、高速齒輪系統傳動。制動技術方面，采用聯合制動，以再生或電阻制動為主，以空氣制動為輔，同時電子限滑、軸盤或輪盤制動。

轉向架是軌道車輛的關鍵子系統，直接影響車輛行駛的安全舒適性，可以有效解決車輛行駛穩定性與曲線通過性之間的矛盾。在轉向架自身質量減小的同時，牽引力減小，輪軌沖擊減輕，可以避免車輪嚴重磨損，對于車輛維修與保養至關重要。

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