摘 要 根據(jù)香港城市軌道交通系統(tǒng)的基本特點(diǎn)和要求, 提出了一種適用于香港雙層有軌電車的轉(zhuǎn)向架方案, 詳細(xì)描述了該轉(zhuǎn)向架方案的主要技術(shù)參數(shù)、基本原理和主要特征, 并對(duì)轉(zhuǎn)向架主要部件的結(jié)構(gòu)和懸掛方式進(jìn)行了說(shuō)明。關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)向架, 有軌電車, 方案設(shè)計(jì), 彈性車輪, 噪聲
1 前言
香港有軌電車運(yùn)行于人口密集的商業(yè)中心和居民區(qū)等地區(qū), 是香港市內(nèi)軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分之一。該車由于具有環(huán)境污染小和方便市民生活等特點(diǎn), 多年來(lái)為香港的城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
香港目前使用的有軌電車是英國(guó)制造的雙層車, 由于使用年代已久及限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件, 轉(zhuǎn)向架性能已難以滿足當(dāng)前的運(yùn)用要求。設(shè)計(jì)一種新型的、性能良好的轉(zhuǎn)向架以改善有軌電車的舒適性和運(yùn)行安全性已勢(shì)在必行。
轉(zhuǎn)向架是車輛的重要組成部分之一, 對(duì)車輛的運(yùn)行性能起著決定性的作用。香港城市軌道交通系統(tǒng)的道路條件較差, 線路坡度大、曲線半徑小, 故在這些線路上運(yùn)行的車輛對(duì)其轉(zhuǎn)向架的要求較高。在設(shè)計(jì)香港城市有軌電車轉(zhuǎn)向架時(shí), 應(yīng)充分考慮現(xiàn)有線路狀況和運(yùn)行條件, 特別是要考慮到該車在城市內(nèi)運(yùn)行的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)一種運(yùn)行性能優(yōu)良、對(duì)環(huán)境污染小的有軌電車轉(zhuǎn)向架。
2 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)和要求
2.1 轉(zhuǎn)向架基本設(shè)計(jì)要求及主要技術(shù)措施
有軌電車是香港城市內(nèi)的主要交通工具, 由于其啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁, 對(duì)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能、運(yùn)行性能和環(huán)保性能有嚴(yán)格的要求。因此, 轉(zhuǎn)向架應(yīng)具有噪聲小、適應(yīng)小半徑曲線及質(zhì)量輕等特點(diǎn)。噪聲的大小對(duì)城軌車輛是至關(guān)重要的, 因?yàn)槌擒壾囕v主要在人口稠密的居民區(qū)、商業(yè)文化中心等地區(qū)運(yùn)行, 車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)給沿線居民的生活造成影響, 對(duì)環(huán)境造成污染。因此城軌車輛轉(zhuǎn)向架因充分考慮到噪聲的影響, 采取措施盡量降低轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行噪聲。轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行噪聲主要來(lái)源于輪軌之間沖擊振動(dòng)及相對(duì)滑動(dòng)、各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、制動(dòng)和牽引等, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在這幾方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮, 采取相應(yīng)措施進(jìn)行降噪處理。為了降低轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行噪聲, 在轉(zhuǎn)向架方案中將采取彈性車輪、橡膠懸掛元件及軸盤(pán)制動(dòng)等技術(shù)措施。
城市有軌電車由于采用無(wú)道渣路基, 故其剛度較大, 采用彈性車輪可有效地衰減輪軌間的高頻振動(dòng), 從而降低由此產(chǎn)生的噪聲。由于橡膠具有吸振降噪的功能, 故在轉(zhuǎn)向架的軸箱懸掛采用錐形橡膠彈簧、中央懸掛采用空氣彈簧等橡膠元件, 同時(shí)也避免了鋼彈簧在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲。與踏面制動(dòng)相比, 軸盤(pán)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置具有磨耗小、制動(dòng)效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn), 故可減少由于制動(dòng)裝置磨損及噪聲對(duì)環(huán)境的污染, 對(duì)于城市軌道車輛是十分重要的。由于城市軌道系統(tǒng)在市區(qū)運(yùn)行, 市區(qū)內(nèi)建筑物多、道路縱橫交錯(cuò), 因此線路的坡度大、曲線多、曲線半徑很小, 因此要求城軌車輛轉(zhuǎn)向架具有較好的適應(yīng)小半徑曲線的能力。此外, 城市軌道一般線路等級(jí)較低, 軌重較小, 因此對(duì)城軌車輛的軸重有嚴(yán)格的限制。雙層有軌電車車體自重較大, 載客量較多, 應(yīng)從嚴(yán)控制轉(zhuǎn)向架的自重, 對(duì)主要部件(如構(gòu)架、動(dòng)力裝置等) 的輕量化提出了很高的要求。
2.2 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)香港有軌電車設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求, 該轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)列于表1 中。
表1 轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)
3 轉(zhuǎn)向架的方案選型
綜觀國(guó)內(nèi)外城軌車輛轉(zhuǎn)向架主要有兩種基本型式。一種是傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架, 另一種是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架, 兩種轉(zhuǎn)向架各有特點(diǎn)。
傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、牽引及制動(dòng)裝置容易布置、對(duì)中性能好的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)輪對(duì)具有易出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)、通過(guò)曲線時(shí)由于輪對(duì)沖角大及相對(duì)滑動(dòng)大而導(dǎo)致磨耗嚴(yán)重, 以及不適合低地板城市軌道車輛等不足之處。
與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比, 獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架由于同一輪對(duì)的左右兩個(gè)車輪可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn), 通過(guò)曲線時(shí)左右車輪的轉(zhuǎn)速可以不同, 曲線通過(guò)時(shí)輪軌之間的滑動(dòng)較小。此外, 獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架還消除了輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng), 不會(huì)出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)和由于相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的嘯叫聲。獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架由于沒(méi)有車軸, 因此它廣泛應(yīng)用于低地板的城市軌道交通車輛上。但獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架也存在對(duì)中性能差、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置復(fù)雜、技術(shù)要求和制造成本高的缺點(diǎn)。
根據(jù)香港雙層有軌電車的技術(shù)要求, 并考慮使用部門(mén)在長(zhǎng)期運(yùn)用、檢修過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn), 在香港雙層有軌電車轉(zhuǎn)向架方案中將采用傳統(tǒng)輪對(duì)的模式。
4 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向架的傳動(dòng)裝置采用電傳動(dòng)的模式, 懸掛裝置采用兩系懸掛。其基本結(jié)構(gòu)由焊接構(gòu)架、搖枕、中央懸掛裝置、輪對(duì)軸箱定位裝置、動(dòng)力裝置及盤(pán)形基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成, 結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示。
4.1 構(gòu)架
構(gòu)架是連接搖枕和輪對(duì)的重要部件, 它不僅傳遞車輛的縱向、橫向和垂向作用力, 還為安裝彈簧、減振器、制動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置和抗側(cè)滾裝置等提供安裝座或吊座, 是轉(zhuǎn)向架中受力最復(fù)雜的部件。
構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁和端梁組成。側(cè)梁由上蓋板、下蓋板和雙腹板組成U 型梁箱形結(jié)構(gòu), 在側(cè)梁內(nèi)腔焊有隔板, 同時(shí)側(cè)梁也作為空氣彈簧的附加空氣室使用。在側(cè)梁上蓋板中部加寬, 作為空氣彈簧座, 在側(cè)梁上蓋板加寬部位與腹板間焊三角形加強(qiáng)筋。側(cè)梁的上下蓋板均為整體沖壓成型, 避免了在側(cè)梁上、下蓋板上出現(xiàn)橫向焊縫而影響整體強(qiáng)度, 也為構(gòu)架的輕量化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
在兩側(cè)梁中部焊有橫梁, 橫梁由上、下蓋板和腹板組成箱形結(jié)構(gòu)。在橫梁上焊接電機(jī)及齒輪箱吊座、橫向減振器安裝座和橫向彈性止擋座。為了安裝單元制動(dòng)吊座, 在兩側(cè)梁的端部焊接有端梁。412 輪對(duì)、軸箱及其定位裝置輪對(duì)軸頸中心距1 638 mm , 車輪踏面采用UIC 標(biāo)準(zhǔn)踏面S1002 。在軸身上加制一個(gè)制動(dòng)盤(pán)安裝座和齒輪安裝座。
為降低車輛運(yùn)行噪聲, 減小對(duì)環(huán)境的污染, 車輪采用彈性車輪。彈性車輪在輪芯和輪轂之間加裝橡膠彈性元件, 一方面可降低簧下質(zhì)量, 減輕輪軌之間的沖擊以及由此而產(chǎn)生的噪聲, 橡膠本身也具有隔振和吸聲能力。此外, 由于彈性車輪在橫向、縱向和垂向均具有彈性, 可改善輪軌磨耗, 延長(zhǎng)車輪的使用壽命和減輕環(huán)境污染。
國(guó)外有關(guān)試驗(yàn)和運(yùn)用表明〔1〕, 輕軌車輛采用彈性車輪可降低車外噪聲315～4 dB (A) , 車內(nèi)噪聲可降低3 dB (A) , 提高輪軌壽命30 % 左右。
彈性車輪的種類較多, 按彈性元件的受力特點(diǎn)主要有3 類: 承剪型、承壓型和剪壓復(fù)合型, 如圖2 所示。3 種彈性車輪彈性元件結(jié)構(gòu)不同, 承載方式也不一樣。承壓型難以解決軸向和徑向剛度的合理匹配, 實(shí)際應(yīng)用較少。承剪型由于可獲得較大的徑向彈性和較小的軸向彈性, 在垂直載荷和沖擊載荷作用下的減振性能較好, 一度得以廣泛使用。然而, 只有呈V 字形的剪壓復(fù)合型綜合了前兩種彈性元件的優(yōu)點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)徑向和軸向彈性的合理匹配, 目前應(yīng)用也最多, 故本方案采用剪壓復(fù)合型彈性車輪。
軸箱懸掛采用軸箱兩側(cè)對(duì)稱布置的圓錐形橡膠彈簧懸掛。采用這種軸箱定位裝置能實(shí)現(xiàn)需要的三向定位剛度和無(wú)磨耗, 可充分利用橡膠彈簧的非線形特性滿足城軌車輛載客量大的特點(diǎn), 使車輛地板面高度變化較小。此外, 橡膠的阻尼特性可起到減振作用, 對(duì)提高構(gòu)架的疲勞壽命、減少運(yùn)行噪聲有益。
4.3 中央懸掛裝置
中央懸掛裝置位于搖枕和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間。為盡可能減少由于輪軌間產(chǎn)生的沖擊傳到車體, 中央主懸掛采用空氣彈簧。空氣彈簧系統(tǒng)由空氣彈簧裝置、高
圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案圖
圖2 彈性車輪結(jié)構(gòu)示意圖1-輪箍; 2-T 型環(huán); 3-環(huán)狀橡膠; 4-外輪芯; 5-橡膠體; 6-輪芯。度控制閥、差壓閥、附加空氣室及相應(yīng)的管道系統(tǒng)組成。空氣彈簧設(shè)有節(jié)流孔, 可起到中央垂直減振器的作用。在搖枕和構(gòu)架之間安裝高度控制閥, 控制車體載荷變化時(shí)空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力, 使空氣彈簧的高度保持基本不變, 確?？罩剀嚽闆r下車輛地板面的高度在容許的變化范圍之內(nèi)。用差壓閥將轉(zhuǎn)向架左右兩個(gè)空氣彈簧聯(lián)系在一起, 使兩組空氣彈簧的壓差控制在允許范圍之內(nèi)。
為了改善車輛在直線上運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和曲線通過(guò)的安全性, 在構(gòu)架橫梁和搖枕之間對(duì)稱布置橫向彈性止擋; 斜對(duì)稱布置的橫向減振器可確保轉(zhuǎn)向架具有良好的橫向性能。在搖枕和構(gòu)架之間安裝抗側(cè)滾扭桿裝置, 以減小車體相對(duì)構(gòu)架的側(cè)滾角位移。
在搖枕和構(gòu)架之間采用對(duì)稱布置的雙牽引拉桿牽引方式, 以傳遞牽引力和制動(dòng)力。牽引拉桿一端同搖枕端部相連, 另一端連于構(gòu)架的側(cè)梁上。這種方式可避免兩根牽引拉桿同時(shí)受壓, 提高了牽引拉桿裝置的穩(wěn)定性。
4.4搖枕
為了使轉(zhuǎn)向架能順利地通過(guò)小半徑曲線, 轉(zhuǎn)向架采用有搖枕結(jié)構(gòu)。搖枕直接坐落在空氣彈簧上, 在搖枕中部安裝平面心盤(pán), 在搖枕端部安裝旁承。當(dāng)車輛通過(guò)小半徑曲線時(shí)搖枕可繞車體枕梁回轉(zhuǎn), 這種結(jié)構(gòu)可有效改善車輛通過(guò)曲線時(shí)空氣彈簧的受力狀況, 提高曲線通過(guò)能力。此外, 橫向減振器、橫向彈性止擋、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿、高度控制閥等部件直接與搖枕相連, 方便落車和啟車。
為避免車體側(cè)滾時(shí)出現(xiàn)剛性沖擊, 轉(zhuǎn)向架上設(shè)置常接觸彈性旁承。由于有軌電車運(yùn)行速度低, 對(duì)曲線通過(guò)性能要求高, 彈性旁承的回轉(zhuǎn)力矩取較小值。
4.5基礎(chǔ)制動(dòng)裝置
城軌交通站間距離短、制動(dòng)距離要求高, 制動(dòng)頻繁, 故要求有較高的制動(dòng)減速度。其制動(dòng)裝置除了滿足安全可靠、操作靈活、檢修方便外, 還應(yīng)具有節(jié)能和環(huán)境污染小的特點(diǎn)。因此, 在設(shè)計(jì)方案中選用摩擦制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用的制動(dòng)模式。
車輛在制動(dòng)工況時(shí), 牽引電機(jī)將轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī), 將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋到電網(wǎng)上, 從而達(dá)到制動(dòng)目的。對(duì)城市有軌電車而言, 動(dòng)力制動(dòng)是一種理想的制動(dòng)方式, 一方面它可以節(jié)約能源, 同時(shí)也能減少環(huán)境污染, 節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。
