低地板有軌電車獨立輪對設計

李志遠

（智道鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

引言

低地板有軌電車是近年在國內興起的一種新型軌道交通車輛，作為一種中等運量的軌道交通車輛，其具有地鐵和公共汽車無法比擬的優勢。低地板有軌電車屬于中等運量運輸系統，只需對城市現有道路稍加改造即可滿足其運行需求，具有建造成本低、周期短等特點，是國內中型城市發展軌道交通、滿足居民出行的最優選擇，在國內具有非常廣闊的發展前景。

作為低地板有軌電車走行機構的關鍵零部件，獨立輪對需要在滿足其走行、承載功能的基礎上，實現大幅降低車廂地板面高度的目標。目前，國內零部件廠家尚不具備單元整體設計供貨能力，該獨立輪對的設計開發，能夠及時滿足車輛廠國產化和模塊化組裝需求。

1 低地板有軌電車輪對發展概況

低地板有軌電車是區別于傳統有軌電車的新型城軌車輛，其車廂的部分或全部地板面距地面高度應不超過0.4 m，而傳統有軌電車地板距地面高度普遍在1 m左右。在其近40年的發展歷程中，低地板有軌電車的發展共經歷了三個階段。

1.1 第一代低地板有軌電車輪對

20世紀80年代，隨著城市交通的不斷發展，第一代低地板有軌電車應運而生，當時的城軌車輛仍然只能使用鋼輪加鋼軸的傳統結構，受結構限制，輪對上方的車廂地板面距地面最小為0.8 m，由于車輛需和汽車共用城市道路，無法在道路上建設如此高的站臺，為此，比利時BN公司將車輛分成了有輪對支撐的車廂和無輪對支撐的車廂，將無輪對車廂的地板面降低至0.35 m，兩種車廂之間由臺階過渡（如圖1所示），將車門設置在無輪對車廂兩側。這種設計潛在問題較多，如噪音大、車廂內落差高存在安全隱患等，因此只在Amsterdam等幾個城市實現了運行。

圖1 第一代低地板有軌電車輪對及低地板實現方式

1.2 第二代低地板有軌電車輪對

第二代低地板有軌電車輪對仍然采用直軸輪對的結構，但使用彈性車輪取代了鋼輪，從而能夠在減少振動的同時降低車輛運行噪音，同時將齒輪傳動系統從輪對中間轉移至輪對兩側，實現了車廂地板面高度的有效降低（如圖2所示）。雖然高度依然無法徹底滿足要求，但通過設置小角度斜坡，基本能夠滿足車輛在市內運行乘客上下車的需求。最先使用這種設計的有Bombadier公司的Flexity2、Alstom公司的Citadis X04、PESA公司的Swing等。

圖2 第二代低地板有軌電車輪對及低地板實現方式

1.3 第三代低地板有軌電車輪對

隨著人們生活水平的不斷提高，對于車輛的舒適性要求也越來越高，國內外車輛制造廠家陸續推出了第三代低地板有軌電車，其所使用的輪對不再是傳統的直軸結構，而是將車軸設計為中間向下凹的曲軸結構，同時保留第二代低地板輪對在輪對兩側牽引傳動的結構，從而徹底實現車廂地板面全部為統一高度且低于0.4 m（如下頁圖3所示）。車輪采用改進后的彈性車輪，在保證減震降噪的基礎上提升了安全性，第三代低地板有軌電車輪對有效地提升了乘客的舒適度。

圖3 第三代低地板有軌電車輪對及低地板實現方式

與前兩代低地板輪對相比，第三代低地板輪對的車輪不再與車軸共同轉動，而是實現了獨立轉動，因此我們也將其稱作獨立輪對。目前，國際上幾款有名的低地板轉向架，如Variobahn轉向架、Citadis轉向架、Combino轉向架等，均采用了獨立輪對作為其走行部件。國內中車長客、中車唐山、中車青島四方等主機廠新開發的低地板車也均采用獨立輪對作為走行部件。由于現有的國內廠家只能單輪或單軸供貨，無法滿足主機廠的模塊化采購、模塊化組裝需求，因此，大部分的獨立輪對仍需進口。

2 低地板有軌電車獨立輪對方案研究

第三代低地板有軌電車軸重一般在11 t左右，最高設計時速為80 km/s，2動2拖共4節車廂為一個編組，車廂全部地板面高度均應小于0.4 m。以最小車輪直徑Φ0.6 m、軸身直徑Φ0.13 m為例，軸身頂部距地面高度已接近0.4 m，再考慮到限界、減震系統安裝、地板面厚度等因素，直軸輪對顯然無法滿足用戶需求。因此，將軸身下凹、采用獨立輪對是實現100%低地板的唯一解決方案。

獨立輪對與直軸輪對相比，首先需要解決的就是將輪對兩側車輪的旋轉自由度解耦，通過將輪軸壓裝改為輪軸之間安裝軸承，實現車輪獨立旋轉，車軸方可由直軸改為中部下凹的“U”形結構，我們將這種車軸稱為軸橋。同時，傳統輪對的軸箱結構、電流接地、傳動制動接口以及信息自動采集等功能也都需要轉移至輪對兩側的有限空間，為此，我們需克服如下難點：

1）由于軸承被安裝在彈性車輪輪箍孔內，受空間限制，傳統的大直徑雙列圓錐滾子軸承或雙列圓柱滾子軸承無法被繼續使用，但軸重及使用壽命等要求必須得到滿足。

2）軸承被安裝在彈性車輪內部，這就意味著傳統軸箱不復存在，但傳統軸箱所承擔的一系減震彈簧載體功能仍需由獨立輪對來實現。

3）從受電弓到車廂再到車軸、車輪、軸承直至鐵軌，構成一個完整的電流傳導回路，需在保證接地效果的同時，采取有效措施，避免因軸承滾子電蝕而影響車輛運行安全。

4）牽引傳動、輪盤制動、走行承載、信息自動采集等多種功能在獨立輪對兩側有限空間的高度集成。

3 低地板有軌電車獨立輪對總體結構

針對研究過程中識別出的設計難點，我們在方案中進行了如下設計：

1）創新設計車輪內部的軸箱傳動結構，將傳統的雙列軸承改為背靠背安裝的一大一小圓錐滾子軸承，通過布局優化，使得大直徑軸承作為主要承載軸承，以滿足車輛軸重要求，同時，將小直徑軸承布置在靠近輪對外側的車輪內部，從而最大限度地為輪對其他功能集成讓出空間。同時，為軸承系統設計密封、潤滑循環等結構。

2）在軸橋兩側靠近車輪的位置設置兩側伸出的承重梁結構，用于對接一系減震彈簧，與車輪內部的軸箱結構一起，完整替代傳統軸箱功能。

3）輪對兩側設計接地裝置，直接連接車輪與車軸，以將軸承組短路，從而避免電流腐蝕導致軸承滾子受損，危害車輛運行安全。

4）將輪對按照動力輪對和非動力輪對分別進行設計，對動力輪對預留牽引傳動接口，并滿足聯軸節限界要求，將制動盤轉移至齒輪箱外側，對非動力輪對預留輪盤制動接口，并整合測速系統等。

設計的獨立輪對結構如圖4所示，設計參數如表1所示。

圖4 低地板有軌電車獨立輪對

表1 獨立輪對設計參數

4 結論

1）獨立輪對的結構設計難點主要在于內置式軸箱結構以及多種功能在輪對兩側狹小的集成，本設計能夠有效解決上述難題，且具有維修方便等特點。

2）經過有限元仿真計算，以及多項試驗測試，該獨立輪對能夠完全滿足用戶在軸重、使用維護周期、減震降噪等方面的要求，具有很好的市場應用前景。