兼具防滑與信號監(jiān)測功能的軌道交通車輛用軸箱

□ 徐希鵬 □ 金 偉 □ 鄭天銳 □ 周 青 □ 成軍強(qiáng)

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 設(shè)計(jì)背景

軌道車輛轉(zhuǎn)向架輪對軸箱系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向架非常重要的系統(tǒng)部件,它承擔(dān)著車輛全部的質(zhì)量,并保證車輛沿著軌道高速運(yùn)行,同時(shí)承受車體和鋼軌傳遞的各種靜、動作用力,受力非常復(fù)雜。輪對軸箱系統(tǒng)由輪對和軸箱裝置組成,軸箱裝置承擔(dān)著采集和傳遞轉(zhuǎn)向架運(yùn)行情況數(shù)據(jù)的重任,因此輪對軸箱系統(tǒng)是影響車輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵部件之一。軸箱結(jié)構(gòu)是A型、B型軌道車輛轉(zhuǎn)向架輪對軸箱系統(tǒng)中的重要部件,作用是為軸承提供良好的密封、定位,并配合制動系統(tǒng)和信號系統(tǒng)完成相關(guān)功能,軌道車輛軸端布置如圖1所示,不同軸端結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

現(xiàn)有軸箱蓋按照安裝設(shè)備的接口不同分普通軸箱蓋、防滑軸箱蓋、信號軸箱蓋三種,主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)圖1軸端布置可知,未來車輛對走行部安全監(jiān)測的要求越來越高,軸端的功能性越來越強(qiáng),對于既有防滑設(shè)備又有信號監(jiān)測設(shè)備的軸端來講,單接口的軸箱蓋已不能滿足技術(shù)需要。此外,信號監(jiān)測設(shè)備不兼容一般的測速齒輪。

2 技術(shù)方案

針對目前的現(xiàn)狀,結(jié)合用戶日益增長的需求,筆者設(shè)計(jì)了一款兼具防滑、信號監(jiān)測功能的軸箱結(jié)構(gòu),在保證現(xiàn)有軸箱結(jié)構(gòu)接口尺寸以及強(qiáng)度不變的前提下,通過共用齒輪,實(shí)現(xiàn)防滑、監(jiān)測兼容的功能。

圖1 軌道車輛軸端布置

圖2 不同軸端結(jié)構(gòu)形式

筆者采用的技術(shù)方案是保持軸箱蓋迷宮槽與軸箱體配合部位尺寸不變,將防滑設(shè)備用凸臺接口及信號監(jiān)測設(shè)備用凸臺接口調(diào)整至同一蓋子上,同時(shí)保持原有凸臺的角度與大小,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)軸箱蓋上可以同時(shí)安裝防滑設(shè)備及信號監(jiān)測設(shè)備的目的,新軸箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 現(xiàn)有軸箱蓋主要結(jié)構(gòu)

圖4 新軸箱結(jié)構(gòu)

3 安裝結(jié)構(gòu)

3.1 新軸箱結(jié)構(gòu)

新軸箱結(jié)構(gòu)圖中,軸箱體、防塵擋、軸承通過軸箱后蓋、密封墊、軸端壓蓋、測速齒輪、緊固件等部件相互定位,并連接在一起。軸箱體、軸承通過軸端壓蓋和防塵擋壓緊在車軸上,而防滑、信號軸箱蓋安裝在軸箱體前端,并用密封圈、緊固件壓緊。信號傳感器、速度傳感器伸入防滑、信號軸箱蓋上接口孔內(nèi),根據(jù)信號測速齒輪的轉(zhuǎn)動從而獲得相關(guān)數(shù)據(jù),通過信號傳感器、速度傳感器反饋至處理器顯示面板上,供工作人員使用,以實(shí)現(xiàn)防滑、監(jiān)測的功能。同時(shí)打開螺堵通過觀察信號傳感器、速度傳感器與信號測速齒輪的距離以調(diào)整至最佳狀態(tài)。

由圖4可以看出,軸箱體外端固定有防滑、信號監(jiān)測軸箱蓋,該軸箱蓋設(shè)置有遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架中心的速度傳感器線纜固定接口及靠近轉(zhuǎn)向架中心的信號傳感器線纜安裝接口。從車軸端看,速度傳感器線纜走向的中心線與水平線呈向下的角度a,a的取值范圍為7°～11°。信號傳感器線纜走向的中心線與水平線呈向下的角度b,b的取值范圍為8.5°～11.5°。筆者的技術(shù)方案中,a和b均取10°。軸箱體遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架中心的一側(cè)設(shè)置有用于固定速度傳感器線纜的第一支架,構(gòu)架的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置有用于固定信號傳感器線纜的第二支架。速度傳感器線纜、信號傳感器線纜分別通過這兩個(gè)支架固定,配合a和b的角度,使得線纜在車輛運(yùn)行中折彎較小,確保在車輛正常運(yùn)行的軸端振動過程中,線束處于安全狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)有軸箱蓋結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有軸箱蓋結(jié)構(gòu)主要有三種:普通軸箱蓋、防滑軸箱蓋、信號軸箱蓋。普通軸箱蓋只適用于普通軸端,即既不需要安裝接地裝置、也不需要安裝信號裝置的軸端。防滑軸箱蓋只適用于防滑軸端,每根軸上均需布置防滑軸端,防滑設(shè)備一般為齒式結(jié)構(gòu),包含一個(gè)測速齒輪和一個(gè)傳感器。測速齒輪與傳感器之間間隙一般要求為0.9±0.5 mm,因此軸箱蓋上應(yīng)設(shè)有觀察孔,以檢查間隙。信號軸箱蓋只適用于信號軸端,一般列車安裝兩套信號軸端布置,軸箱蓋上也設(shè)有觀察孔,常規(guī)的軸端布置同圖1。

由圖4可以看出,防滑設(shè)備和信號監(jiān)測設(shè)備完全可以共用一個(gè)齒輪結(jié)構(gòu),對于既有防滑設(shè)備又有信號監(jiān)測設(shè)備的軸端來講,單接口的軸箱蓋已不能滿足技術(shù)需要。

3.3 新軸箱蓋結(jié)構(gòu)

兼具防滑、信號監(jiān)測功能的新軸箱蓋結(jié)構(gòu)如圖5所示,在保證原軸箱蓋的主要接口尺寸D、d1、d2、H及鑄造件強(qiáng)度性能不變的情況下,主要優(yōu)化如下:與現(xiàn)有軸箱蓋結(jié)構(gòu)相比,將信號監(jiān)測設(shè)備接口與防滑設(shè)備接口設(shè)計(jì)在同一個(gè)軸箱蓋上,其中信號監(jiān)測設(shè)備接口保證接口尺寸L3、L4、W2和角度a,防滑設(shè)備接口保證接口尺寸L1、L2、W1和角度b,從而滿足圖4中防滑設(shè)備和信號監(jiān)測設(shè)備共用一個(gè)軸端的情形。

在保證軸箱蓋的接口尺寸之后,通過對信號測速齒輪統(tǒng)一齒數(shù)為100,模數(shù)為1.5 mm,使防滑設(shè)備和信號監(jiān)測設(shè)備獲得理想的采集條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動系統(tǒng)的防滑功能與信號監(jiān)測系統(tǒng)對車速的監(jiān)測功能。

4 新軸箱蓋材料選擇

軸箱蓋一般采用熔模鑄造的鑄鋼件,原軸箱蓋材質(zhì)采用法國標(biāo)準(zhǔn)NF A 32-054中的GE230牌號或EN 10293中GE300牌號,新軸箱蓋采用EN 10213中的G20Mn5牌號,材料的主要機(jī)械性能對照見表1。可以看出,新軸箱蓋選用的G20Mn5材料適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖5 新軸箱蓋結(jié)構(gòu)

表1 材料主要機(jī)械性能

作為軸端結(jié)構(gòu)的一部分,軸箱蓋為非承載件,在緊固件不變和材料性能不降低的條件下,新軸箱蓋完全能滿足運(yùn)營要求。此外,隨著軌道交通領(lǐng)域新材料研究的不斷深入,未來選用鑄鋁件、碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn),能進(jìn)一步降低簧下質(zhì)量,在實(shí)現(xiàn)多功能的同時(shí),安全可靠性更高。

5 小結(jié)

保持軸箱蓋迷宮槽與軸箱體配合部位尺寸不變,將防滑設(shè)備用凸臺接口及信號監(jiān)測設(shè)備用凸臺接口調(diào)整在同一蓋子上,同時(shí)保持原有凸臺的角度與大小,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)軸箱蓋上可以同時(shí)安裝防滑設(shè)備和信號監(jiān)測設(shè)備的目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)分析表明,兼具防滑、信號監(jiān)測功能的新軸箱蓋,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能覆蓋甚至優(yōu)于現(xiàn)有軸箱蓋,滿足運(yùn)用技術(shù)要求。

在保證現(xiàn)有軸箱結(jié)構(gòu)接口尺寸以及強(qiáng)度不變的前提下,通過共用齒輪,實(shí)現(xiàn)防滑、信號監(jiān)測兼容的功能,這種兼具防滑、信號監(jiān)測功能的軸箱結(jié)構(gòu)已在南京寧溧等城際項(xiàng)目批量裝車運(yùn)用,反響良好。

6 結(jié)束語

輪對軸箱系統(tǒng)是影響車輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵部件之一,而軸箱結(jié)構(gòu)又是輪對軸箱系統(tǒng)中的重要部件,不僅為軸承提供良好的密封、定位,同時(shí)也需配合制動系統(tǒng)及信號系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)采集、信號監(jiān)測功能。“十三五”期間我國城市軌道交通獲得了快速發(fā)展,截至2020年底,共有45個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路,運(yùn)營路線總長度7 969.7 km,新增運(yùn)營路線36條,新增運(yùn)營線路長度1 233.5 km,發(fā)展迅速。未來地鐵車輛智能化程度越來越高,對走行部安全監(jiān)測的要求也越來越嚴(yán)格,每輛車均配有八個(gè)軸端,軸端設(shè)備布置也是多種多樣,作為兼具防滑、信號監(jiān)測功能的新軸箱結(jié)構(gòu),在未來更加注重安全的大環(huán)境下,應(yīng)用市場巨大。