鉸接式列車(chē)鉸接裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用研究

馬德瑞，戴煥云

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

1981年法國(guó)TGV系列高速列車(chē)正式運(yùn)營(yíng)，這使該系列列車(chē)成為最早使用鉸接連接方式的高速客運(yùn)列車(chē)。TGV系列高速列車(chē)曾于1972年、1980年、1990年、2007年4次刷新軌道車(chē)輛世界最高試驗(yàn)速度，展示了其先進(jìn)的性能。TGV鉸接式高速列車(chē)(圖1)的成功運(yùn)用，證明了轉(zhuǎn)向架鉸接這一形式是可用、實(shí)用的。在軌道車(chē)輛上，鉸接式列車(chē)仍具有運(yùn)用價(jià)值。

圖1 鉸接式列車(chē)示意圖

1 鉸接式列車(chē)的主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)車(chē)鉤連接列車(chē)相比，鉸接式列車(chē)在車(chē)輛總體布置和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上有較大不同，主要的結(jié)構(gòu)變化及其影響為：

a)相鄰車(chē)體共用一個(gè)轉(zhuǎn)向架，減少了整列車(chē)轉(zhuǎn)向架的使用數(shù)量，減少了整列車(chē)的輪對(duì)數(shù)。

轉(zhuǎn)向架使用數(shù)量的減少，降低了制造成本，減輕了車(chē)輛自質(zhì)量，減少了來(lái)自轉(zhuǎn)向架的空氣阻力[1]，但單臺(tái)轉(zhuǎn)向架的承載能力、制動(dòng)能力都要增加。

輪對(duì)數(shù)的減少，使整列車(chē)運(yùn)行時(shí)的輪軌阻力減少，軌道激勵(lì)的輸入位置改變且輸入量減少，輪軌噪聲減少。同時(shí)列車(chē)對(duì)軸質(zhì)量的利用更充分，在滿(mǎn)足17t軸質(zhì)量的前提下，整列車(chē)軸數(shù)減少，對(duì)軌道的損害自然減少[2]。

由于轉(zhuǎn)向架布置在車(chē)體最外側(cè)，鉸接式列車(chē)比傳統(tǒng)列車(chē)更容易實(shí)現(xiàn)低地板。車(chē)體中段地板高度降低后，車(chē)體質(zhì)心下移，也會(huì)增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性[3](圖2)。

圖2 鉸接式低地板列車(chē)示意圖

b)取消了車(chē)鉤，使用鉸接裝置承擔(dān)其功能。

鉸接式列車(chē)各節(jié)車(chē)之間由鉸接裝置和多個(gè)橫向、縱向減振器相連。和車(chē)鉤連接相比，鉸接連接對(duì)車(chē)體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的約束更足，使列車(chē)整體性更好，提高了安全性，在應(yīng)對(duì)脫軌事故時(shí)比傳統(tǒng)列車(chē)有更好的表現(xiàn)[4]。

法國(guó)TGV系列鉸接式高速列車(chē)曾多次發(fā)生脫軌事故(圖3)，速度較高的兩起事故分別發(fā)生于1992年12月13日和1993年12月21日，時(shí)速分別為270km/h和294km/h。在這兩起脫軌事故中僅有1位車(chē)上乘客受輕傷，說(shuō)明列車(chē)在時(shí)速接近300km/h時(shí)發(fā)生的脫軌事故中仍然能保持車(chē)廂的直立和完整。

圖3 法國(guó)TGV列車(chē)脫軌事故

在脫軌事故中，鉸接裝置的良好表現(xiàn)可以歸結(jié)為其對(duì)車(chē)體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的約束較為充足，具體原因是：

1)約束了車(chē)體間繞x軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了車(chē)體直立不傾覆；

2)約束了車(chē)體間繞y軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了列車(chē)制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)沿線(xiàn)路方向傳遞，防止各節(jié)車(chē)輛扭動(dòng)折疊，抑制更多轉(zhuǎn)向架的脫軌進(jìn)而破壞整列車(chē)的連接完整性；

使用鉸接裝置的缺點(diǎn)是列車(chē)不易解編，發(fā)生故障時(shí)維修難度大。

2 鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式

為滿(mǎn)足不同的使用條件和設(shè)計(jì)需求，各型鉸接式列車(chē)所使用的鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式并不統(tǒng)一。以往對(duì)鉸接裝置的介紹都是按具體型號(hào)一一列舉。但從功能上看，無(wú)論結(jié)構(gòu)形式如何改變，各種鉸接裝置都需要代替車(chē)鉤緩沖器實(shí)現(xiàn)連接、回轉(zhuǎn)、緩沖等功能。不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了相同的功能，具有一定共性。同時(shí)作為鉸接式轉(zhuǎn)向架的一部分，轉(zhuǎn)向架的承載方式也會(huì)對(duì)鉸接裝置的形式產(chǎn)生影響。因此，本文選擇從鉸接式轉(zhuǎn)向架的承載方式和鉸接裝置的回轉(zhuǎn)方式兩方面進(jìn)行一般性的分類(lèi)總結(jié)，介紹鉸接式列車(chē)鉸接裝置的結(jié)構(gòu)形式。

2.1 承載方式

鉸接式轉(zhuǎn)向架的承載方式常見(jiàn)有3種：搖枕兩點(diǎn)承載、無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載、無(wú)搖枕四點(diǎn)承載。

有搖枕兩點(diǎn)承載的轉(zhuǎn)向架采用一對(duì)空氣彈簧支撐車(chē)體質(zhì)量，其回轉(zhuǎn)裝置安裝在搖枕上，通過(guò)搖枕連接轉(zhuǎn)向架。該承載方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比結(jié)構(gòu)變化較少，然而安裝在搖枕上的回轉(zhuǎn)裝置同樣需要傳遞垂向載荷，增加了回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)難度(圖4)。

1—構(gòu)架；2—輪對(duì)軸箱組裝；3—整體起吊；4—牽引裝置；5—二系懸掛；6—搖枕；7—一系懸掛；8—車(chē)軸；9—車(chē)輪；10—A連接臂；11—B連接臂；12—制動(dòng)盤(pán)；13—基礎(chǔ)制動(dòng)夾鉗；14—回轉(zhuǎn)支撐。

與有搖枕兩點(diǎn)承載方式相比，無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載同樣只使用一對(duì)空氣彈簧作為二系懸掛，但該方式需要對(duì)車(chē)體端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加部分車(chē)端結(jié)構(gòu)起到類(lèi)似搖枕的功能，用于連接空氣彈簧。這造成車(chē)體前后兩端結(jié)構(gòu)不同，一端為支承端用于連接空氣彈簧，另一端為鉸接端用于連接相鄰車(chē)體。鉸接端與支承端相互交疊，鉸接端車(chē)體的垂向載荷先傳遞至支承端車(chē)體，支承端再將全部垂向載荷傳遞至空氣彈簧。此承載方式下車(chē)體為三點(diǎn)支撐：鉸接端一點(diǎn)支撐，支承端兩點(diǎn)支撐，因此需要提高車(chē)體的抗側(cè)滾能力[5]。和有搖枕兩點(diǎn)承載方式一樣，其回轉(zhuǎn)裝置也需要傳遞垂向載荷(圖5)。

圖5 無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載示意圖

無(wú)搖枕四點(diǎn)承載方式采用兩對(duì)空氣彈簧分別連接相鄰車(chē)體，兩車(chē)體的垂向載荷獨(dú)立傳遞至共用的轉(zhuǎn)向架。采用該承載方式的鉸接式車(chē)輛，車(chē)體兩端結(jié)構(gòu)相同，所有車(chē)體均為四點(diǎn)支撐，與傳統(tǒng)車(chē)輛相比變化較少。因空氣彈簧數(shù)量上的變化，需要重新考慮車(chē)輛地板的高度控制方案，可以將一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的4個(gè)空氣彈簧聯(lián)通并設(shè)置一個(gè)高度調(diào)節(jié)閥來(lái)進(jìn)行控制[6]。另外，為了防止空簧故障失氣引起的車(chē)輪載質(zhì)量不均，除了像傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架那樣用差動(dòng)中繼閥連接左右空氣彈簧外，還應(yīng)使前后兩排空氣彈簧相互連通。當(dāng)轉(zhuǎn)向架上的一個(gè)空氣彈簧失氣時(shí)，相關(guān)轉(zhuǎn)向架上的所有空氣彈簧都將被放氣(圖6)。

圖6 無(wú)搖枕四點(diǎn)承載示意圖

2.2 回轉(zhuǎn)方式

鉸接裝置的回轉(zhuǎn)方式常見(jiàn)有3種：轉(zhuǎn)盤(pán)式、橡膠關(guān)節(jié)式、橡膠球心盤(pán)式。

轉(zhuǎn)盤(pán)式回轉(zhuǎn)裝置使用三環(huán)回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)車(chē)體間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)支承分為內(nèi)中外三環(huán)，中間環(huán)固定于搖枕上，相鄰車(chē)體中一車(chē)體通過(guò)A節(jié)車(chē)連接臂與支承盤(pán)外環(huán)相連，另一車(chē)體通過(guò)B節(jié)車(chē)連接臂與支承環(huán)內(nèi)環(huán)相連。通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，相鄰兩車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)支承需要承擔(dān)列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)體自質(zhì)量和乘客質(zhì)量帶來(lái)的垂向載荷、側(cè)風(fēng)和通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)離心力產(chǎn)生的橫向載荷、牽引力、制動(dòng)力、沖擊等縱向載荷以及載荷分布不均和沖擊影響產(chǎn)生的傾覆力矩。為保證列車(chē)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，回轉(zhuǎn)支承必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)卡滯并有一定摩擦力矩，能夠承受高溫、暴雨、腐蝕等環(huán)境影響[6](圖7)。

圖7 轉(zhuǎn)盤(pán)式示意圖

橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，安裝座通過(guò)螺栓連接安裝在相鄰車(chē)體端部，橡膠關(guān)節(jié)穿過(guò)安裝座上的圓孔連接相鄰車(chē)體，利用關(guān)節(jié)中橡膠層的彈性變形提供相鄰車(chē)體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度。橡膠關(guān)節(jié)是該回轉(zhuǎn)裝置的核心部件，需要適應(yīng)相鄰車(chē)體偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此其剛度的選擇非常重要。理想的橡膠關(guān)節(jié)垂向剛度、橫向剛度需要盡可能大，而在一節(jié)車(chē)體相對(duì)另一節(jié)車(chē)體發(fā)生左右扭轉(zhuǎn)或側(cè)滾時(shí)的剛度需要盡可能小[7]。由于橡膠關(guān)節(jié)承受的載荷較大，所以對(duì)橡膠關(guān)節(jié)的定位也十分關(guān)鍵。

圖8 橡膠關(guān)節(jié)式示意圖

橡膠球心盤(pán)式回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示。鉸接端車(chē)體的上心球盤(pán)搭接在支承端車(chē)體的下新球盤(pán)上，通過(guò)銷(xiāo)軸實(shí)現(xiàn)連接和定位。兩球盤(pán)間設(shè)有錐形橡膠堆，提供三向阻尼和剛度。車(chē)輛過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，通過(guò)錐形橡膠堆的彈性變形實(shí)現(xiàn)相鄰車(chē)體間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9 橡膠球心盤(pán)式示意圖

轉(zhuǎn)向架承載方式和鉸接裝置回轉(zhuǎn)方式相互組合構(gòu)成鉸接式轉(zhuǎn)向架，實(shí)現(xiàn)相鄰兩車(chē)體的鉸接連接，常見(jiàn)的組合形式為：有搖枕兩點(diǎn)承載搭配轉(zhuǎn)盤(pán)式回轉(zhuǎn)裝置、無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載搭配橡膠球心盤(pán)式或橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置、無(wú)搖枕四點(diǎn)承載搭配橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置。

3 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

鉸接式列車(chē)在歐洲應(yīng)用較多，其中多數(shù)為區(qū)域通勤車(chē)輛，較為典型的有瑞士Stadler鐵路車(chē)輛公司的FLIRT系列、法國(guó)阿爾斯通公司CORADIA LIREX系列、加拿大龐巴迪公司Talent系列，西班牙CAF公司Civity系列。在高速列車(chē)中，使用鉸接連接的車(chē)輛有法國(guó)TGV列車(chē)和西班牙Talgo列車(chē)。

TGV系列高速列車(chē)采用了無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載和橡膠球心盤(pán)式回轉(zhuǎn)裝置。隨著法國(guó)高速鐵路的建造共發(fā)展出五代[8]。第一代運(yùn)行于巴黎與里昂之間的東南線(xiàn)，采用Y231型轉(zhuǎn)向架，使用直流電機(jī)。一系定位方式為錐形橡膠堆定位，二系懸掛使用高柔鋼圓簧，抗側(cè)滾剛度大。第二代運(yùn)行于大西洋線(xiàn)與北方線(xiàn)，采用Y237型轉(zhuǎn)向架，使用交流電機(jī)。一系定位方式為轉(zhuǎn)臂式定位，二系懸掛使用空氣彈簧并加裝抗側(cè)滾扭桿。第三代為雙層列車(chē)，采用改進(jìn)自Y237的Y237-A型轉(zhuǎn)向架以適應(yīng)增加的列車(chē)高度。第四代TGV-POS運(yùn)營(yíng)于法國(guó)東部線(xiàn)，于2007年以574.8km/h的速度創(chuàng)下輪軌車(chē)輛的最高速度紀(jì)錄。第五代為AGV列車(chē)，該系列突破了鉸接式動(dòng)力轉(zhuǎn)向架技術(shù)為動(dòng)力分散型列車(chē)。TGV系列鉸接式轉(zhuǎn)向架技術(shù)曾被出口，西班牙AVE型高速列車(chē)，韓國(guó)TGV-K型高速列車(chē)均使用了TGV系列的鉸接技術(shù)(圖10)。

圖10 TGV鉸接式轉(zhuǎn)向架和車(chē)體連接結(jié)構(gòu)

西班牙Talgo列車(chē)融合了單軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪、鉸接連接、擺式列車(chē)、可變軌距等技術(shù)為一體，所采用的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)獨(dú)樹(shù)一幟，被稱(chēng)為門(mén)架式轉(zhuǎn)向架(圖11)。

圖11 Talgo列車(chē)轉(zhuǎn)向架

Talgo列車(chē)可被認(rèn)為采用了無(wú)搖枕兩點(diǎn)承載方式，鉸接端車(chē)體通過(guò)承載桿懸掛在支承端車(chē)體承載桿鉸接座，支承端車(chē)體端墻上部裝有盆形支座用以連接高位空氣彈簧，將載荷傳遞至轉(zhuǎn)向架。承載桿、旋轉(zhuǎn)支撐、水平桿組成的連桿機(jī)構(gòu)保證了相鄰車(chē)體具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度，高位空氣彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)體傾擺。與常見(jiàn)的鉸接式轉(zhuǎn)向架不同的是Talgo列車(chē)使用牽引車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)相鄰車(chē)體的連接、回轉(zhuǎn)(圖12)。

圖12 Talgo列車(chē)車(chē)體連接結(jié)構(gòu)

我國(guó)最早于1995年開(kāi)始研制了試驗(yàn)型鉸接式高速列車(chē)。研制過(guò)程中，仿制了第三代雙層TGV列車(chē)使用的Y237-A型轉(zhuǎn)向架和歐洲之星列車(chē)的鉸接裝置并應(yīng)用于該型試驗(yàn)列車(chē)，確定了以?xún)蓚€(gè)端部模擬半車(chē)體、一個(gè)中部模擬車(chē)體、兩個(gè)鉸接式轉(zhuǎn)向架組成的最小鉸接連接結(jié)構(gòu)單元為研究對(duì)象[9](圖13)。試驗(yàn)列車(chē)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)及滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)，最高滾動(dòng)試驗(yàn)速度393.7km/h，最終于2002年通過(guò)了鐵道部驗(yàn)收。

圖13 試驗(yàn)型鉸接式轉(zhuǎn)向架及車(chē)體連接結(jié)構(gòu)

近年來(lái)中國(guó)公司生產(chǎn)的多型鉸接式列車(chē)成功出口海外。2012年株洲電力機(jī)車(chē)公司生產(chǎn)的鉸接式列車(chē)出口至土耳其伊茲密爾輕軌線(xiàn)，該列車(chē)采用有搖枕兩點(diǎn)承載方式和轉(zhuǎn)盤(pán)式回轉(zhuǎn)裝置[10]。2015年株洲電力機(jī)車(chē)公司生產(chǎn)的鉸接式列車(chē)出口至馬其頓國(guó)家鐵路，該列車(chē)采用無(wú)搖枕四點(diǎn)承載方式和橡膠關(guān)節(jié)式回轉(zhuǎn)裝置[11]。2018年長(zhǎng)客股份公司出口至吉隆坡機(jī)場(chǎng)線(xiàn)和2020年株機(jī)公司出口墨西哥蒙特雷輕軌線(xiàn)的列車(chē)同樣應(yīng)用了鉸接連接技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

鉸接式列車(chē)具有成本低、運(yùn)行阻力小、曲線(xiàn)通過(guò)性好等優(yōu)點(diǎn)，從歐洲的應(yīng)用情況來(lái)看，被證明在城市、區(qū)域軌道交通領(lǐng)域有一定優(yōu)勢(shì)。故研究應(yīng)用與傳統(tǒng)車(chē)輛不同結(jié)構(gòu)、類(lèi)型的軌道車(chē)輛，能夠增加技術(shù)儲(chǔ)備，可使軌道車(chē)輛契合更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。