軌道車輛軸箱內置式轉向架技術發展研究

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)

軸箱內置式轉向架將軸箱、軸承、一系懸掛安裝在輪對內側，由于構架支撐點也處在輪對內側，所以又稱作構架內置式轉向架(以下簡稱“內置式轉向架”)，如圖1所示。在結構上,通過減小一系懸掛的橫向跨距，減小了構架、車軸等橫向尺寸，從而減小了轉向架整體的質量(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向架的扭曲剛度，便于通過小半徑曲線。內置式轉向架具有通過曲線能力強、輪軌磨耗小、噪聲低、適應線路扭曲能力強的特點，適用于運行速度不高、線路曲線半徑小、坡度和順坡率較大的軌道車輛。

圖1 內置式轉向架和外置式轉向架結構對比示意圖

內置式轉向架的缺點也非常明顯。由于構架內置，轉向架內部空間大大減小，在設計驅動裝置部件(電機、齒輪箱)時，布置空間非常有限；軸承設置在車輪內側，定期維護時，必須拆卸車輪；目前內置轉向架尚未制定適用的設計、制造系列標準。因此，內置式轉向架的運用并不廣泛，主要集中在英國市場。國內只有少量的低地板輕軌車輛或直線電機地鐵車輛采用了內置式轉向架，運營速度在100 km/h左右。

隨著電力驅動技術的進步、軌道車輛輕量化的需求以及對產品全壽命周期成本管理意識的日益增長，內置式轉向架以其質量小、維護成本低等優點越來越受到國內外軌道車輛制造商和運營單位的青睞。2018年，西門子發布了研發5年之久的新型高速列車Velaro Novo，最高速度可達360 km/h，列車的質量減輕了15%，能耗降低了30%，預計在2023年正式投入運營。公開資料顯示，該列車就采用了內置式轉向架。文獻[4]預測內置式轉向架將會成為我國下一代高速列車發展的關鍵技術方向之一。目前，中國中車集團旗下各主機廠也均在進行內置式高速轉向架的技術研究和試制。筆者將重點介紹國內外的內置式轉向架技術發展情況以及幾種典型的內置式轉向架結構和技術參數。

1 國外內置式轉向架技術發展情況

國外內置式轉向架技術運用的較早，但最能代表現代內置式轉向架技術發展的是龐巴迪在20世紀80年代基于英國鐵路開發的B5000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%。在B5000轉向架的基礎上，2001年龐巴迪研制的B5005轉向架代表了現代內置式轉向架的第一個典型應用，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費用深受英國運營公司喜愛。同年，龐巴迪公司在B5000系列轉向架基礎上還為德國國鐵(DB)ICE2試驗車開發和研制了應用于拖車的TR400拖車轉向架，試驗速度最高達到了392 km/h，顯示了內置式轉向架的廣泛應用范圍。在此基礎上，龐巴迪又開發了Flexx Eco系列的內置式轉向架，其中Flexx Eco 501x動車轉向架運用于英國的Aventra城際列車動車，Flexx Eco 5101拖車轉向架運用于德國國鐵新一代ICE4拖車轉向架。

西門子在2016年為英國專門設計了Desiro City城際列車，運營在Thameslink線上，運營速度最高為160 km/h。該列車采用了西門子SF7000型內置式轉向架(包括動車、拖車兩種類型)，代表了西門子最典型的內置式轉向架技術應用。

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)研發了AT-200/300型高速城際列車，最高運營速度可達到200 km/h，在部分拖車上也采用了內置式轉向架。

1.1 龐巴迪B5005動車轉向架

龐巴迪B5005動車轉向架(見圖2～3)構架為 H 型焊接構架。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。轉向架配備有4個輪裝制動盤，并設置了彈簧停放制動單元。電機采用體懸式安裝方式，安裝在車體下方。龐巴迪B5005動車轉向架主要技術參數見表1。

圖2 龐巴迪B5005動車轉向架

圖3 龐巴迪B5005動車轉向架二維視圖

表1 龐巴迪B5005轉向架主要技術參數

1.2 龐巴迪TR400拖車轉向架

龐巴迪TR400拖車轉向架(見圖4)構架為 H 型焊接構架。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。該轉向架設計采用了半主動垂向減振和主動橫向懸掛特殊技術，設置了一個主動橫向和一個半主動垂向減振系統，以提高列車高速運行下的舒適性；每側有2個抗蛇行減振器，并設置了抗側滾扭桿；車體和二系懸掛之間設置有過渡的聯系枕梁，同時作為空氣彈簧的附加氣室。該轉向架基礎制動裝置包括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拖車轉向架主要技術參數見表2。

圖4 龐巴迪TR400拖車轉向架

表2 龐巴迪TR400拖車轉向架主要技術參數

1.3 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉向架

龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉向架(見圖5)構架(見圖6)為焊接結構，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。由于內置式轉向架的軸頸間距較小，一系懸掛在垂直方向上剛度的設計相對比較硬，可防止側滾。輪對每側設置一個含有金屬橡膠節點的定位拉桿，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。二系懸掛系統由安裝在轉向架縱梁中心的空氣彈簧和橡膠彈簧串聯組成，空氣彈簧內部還集成了緊急錐形彈簧。該轉向架還設置了安裝在構架上的抗側滾扭桿，由于轉向架內部缺少設計空間，扭桿設計成中間為弓型的彎桿。該轉向架基礎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拖車轉向架主要技術參數見表3。

圖5 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉向架

圖6 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉向架構架

表3 龐巴迪Flexx Eco 5101拖車轉向架主要技術參數

1.4 西門子SF7000型轉向架

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

圖7 西門子SF7000型動車轉向架

圖8 西門子SF7000型拖車轉向架

表4 西門子SF7000型轉向架主要技術參數

2 國內內置式轉向架技術發展情況

國內內置式轉向架技術發展起步較晚，目前還沒有城際列車采用軸箱內置式轉向架，因此缺少相關技術研究和積累。2014年，中車長春軌道客車股份有限公司中標美國波士頓地鐵項目，依托該項目要求，自主研制了軸箱內置式地鐵轉向架，最高試驗速度為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了速度等級為200 km/h以上的內置式轉向架作為技術儲備，同時也已著手進行300 km/h以上速度等級的內置式轉向架的研究和開發。

2.1 美國波士頓地鐵項目軸箱內置式轉向架

美國波士頓地鐵項目軸箱內置式轉向架(見圖9)為軸箱內置式帶搖枕結構，采用整體鑄造構架和鑄造搖枕；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套驅動裝置驅動; 每個轉向架上裝有4套踏面制動單元，其中每車一位轉向架安裝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裝置。美國波士頓地鐵項目軸箱內置式轉向架主要設計技術參數見表5。

圖9 美國波士頓地鐵項目軸箱內置式動車轉向架

表5 波士頓地鐵項目軸箱內置式轉向架主要技術參數

2.2 速度等級為200 km/h的軸箱內置式轉向架

速度等級為200 km/h的軸箱內置式轉向架(見圖10)采用H型焊接構架，橫梁采用鋼板焊接結構，抗蛇行減振器座安裝座采用模塊化設計，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，同時單個彈簧的直徑較小、橫向空間占用少；軸箱采用分體式結構設計，拆卸上、下箱體之間的連接螺栓即可實現輪對的快速更換；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，不會對軸箱產生附加力矩。軸箱拉桿的兩端為橡膠節點，橡膠節點的縱向剛度可調，可以滿足高速動車組轉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，與傳統的Z型牽引拉桿、單拉桿以及兩組橡膠堆設計結構相比，此結構橫向和縱向空間占用小，且結構簡單，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。牽引電機通過3個橡膠節點吊裝在構架橫梁上，減少了構架橫梁振動。齒輪箱吊桿的安裝座位于構架側梁，減少了構架橫梁的受力。采用輪裝制動盤，輪盤制動夾鉗位于構架側梁的端部，相對于輪盤制動夾鉗位于構架中部，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，實現轉向架的緊湊設計。速度等級為200 km/h的軸箱內置式轉向架主要設計技術參數見表 6。

圖10 速度等級為200 km/h的軸箱內置式動車轉向架

表6 速度等級為200 km/h的軸箱內置式轉向架主要技術參數

3 內置式轉向架的發展前景展望

新一代高速列車將明顯提升結構可靠性、系統安全性、維修經濟性等指標，這就要求設計人員通過結構設計創新，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。內置式轉向架在降低基礎設施投入、降低線路維護費用、降低車輪質量、降低輪軌作用力等方面具有明顯的優勢，而且幾乎可以涵蓋所有應用領域。結合目前永磁電機、碳纖維等技術的發展，新型的、更高速的內置式轉向架技術將會得到蓬勃發展。