內軸箱式輕軌轉向架設計研究pdf

1、城市輕軌車輛鐵道車輛 第 38卷增刊 2000年 12月文章編號: 1002-7602( 2000) S0-0113-04內軸箱式輕軌轉向架設計研究許小強,趙洪倫 ,沈 鋼(同濟大學機械工程學院 ,上海 200331)摘 要: 簡要分析了輕軌交通的特點及輕軌車輛轉向架的設計要求 ,介紹了國外用于城市軌道交通及鐵道干線車輛 中的幾種典型的內軸箱式轉向架的結構形式 ,在分析了內軸箱式轉向架各部分設計特點的基礎上 ,提出了一種適用于六 軸單鉸輕軌車輛的內軸箱式轉向架設計方案 ,并對該方案的垂向和橫向動力性能進行了計算機仿真。關鍵詞: 輕軌交通;內軸箱式轉向架 ;結構設計;動力學仿真中圖分類號: U

2、239. 5; U 270. 33 文獻標識碼: A在現(xiàn)有的多種軌道交通模式中 ,輕軌交通憑借其 造價低、占地少、運量靈活等優(yōu)點而倍受青睞。目前 ,上 海輕軌明珠線已初步建成 ,北京、武漢等城市也正積極 籌建輕軌線路。 輕軌交通將成為我國城市交通系統(tǒng)的 重要模式 ,因而 ,輕軌車輛轉向架的設計也日益受到關 注。1 輕軌轉向架的結構特點及性能要求輕軌線路通常穿行于城市中心地帶 ,受城市街道和建筑物的限制 ,其線路具有曲線地段多、曲線半徑小 的特點 ,因此 ,與傳統(tǒng)轉向架相比 ,適用于輕軌線路的 轉向架應具有自身的結構特點和性能要求:( 1) 軸重小 ,一般為 11 t 12. 5 t。為了充分利

3、用 城市空間 ,輕軌線路大多為高架線路 ,且輕軌屬中等運 量的交通模式 ,車輛斷面較地鐵小 ,長度也較短 ,多采 用鉸接形式。( 2) 軸距較小 ,一般為 1. 8 m 1. 9 m。 采用較小 的軸距是為了便于通過小半徑曲線 ,輕軌線路最小曲 線半徑可達 25 m。( 3) 輕量化要求高。由于轉向架軸重小 ,轉向架構 架的空間有限 ,為了盡可能擴大運量 ,要求車輛自重 輕 ,其中轉向架的輕量化設計是重要環(huán)節(jié)之一。( 4) 結構布置緊湊。由于軸距較小 ,尤其對于動車 轉向架而言 ,要在有限的空間布置電機、聯(lián)軸節(jié)、齒輪 箱及制動設備 ,結構必須簡潔緊湊。( 5) 城市軌道車輛運行于城區(qū)還應滿足運

4、行噪聲低 、良好的曲線通過性能和良好的運行平穩(wěn)性。 為了適應上述特點 ,國外開發(fā)了許多新型結構 ,如單電機轉向架、彈性車輪、獨立輪對及徑向轉向架 ,文收稿日期: 2000-06-30作者簡介: 許小強 ( 1977 ) ,男 ,碩士研究生。獻 1 對此有詳細介紹。 此外 ,國外還開發(fā)了一種內置 軸箱式的轉向架 ,就是將軸箱的位置設計在輪對內側 , 這種轉向架在城市軌道車輛和鐵路干線都得到了應 用 ,本文將對內軸箱式轉向架進行初步研究。2 國外幾種內軸箱式轉向架簡介2. 1 Dofasco快速捷運轉向架Dofasco 公司于 1961年開發(fā)的用于多倫多地鐵 的 M- 1、 H- 1、 H- 2型

5、系列轉向架 ,采用了多種當時 較為先進的技術 ,如空氣彈簧、液壓減振器和單元制 動 ,其最高運行速度達 136 km /h。 經(jīng)過改進的 H- 4、 H- 5型系列保持了基本布置 ,只是將原來一系懸掛 的螺旋鋼彈簧改為八字形橡膠疊板彈簧 ,用帶彈性節(jié) 點的牽引拉桿取代原搖枕磨耗板 ,改進后其運行穩(wěn)定 性得到進一步提高。2. 2 Tempo干線客車轉向架Tempo 型轉向架于 1967年投入運營 ,用于干線 旅客運輸。它是在城軌轉向架基礎上開發(fā)成功的 ,具有 更大的載重量和更高的運行速度。 帶彈性節(jié)點的牽引 拉桿用于搖枕定位; 采用盤形制動 ,制動盤安裝于車輪 外側 ,通過螺栓固定于輪轂上;利用

6、液壓減振器控制車 輛的蛇行運動。運用結果表明 ,該轉向架在高速狀態(tài)下 具有良好的運行品質。2. 3 Dofasco雙層客車轉向架多倫多交通運輸局 ( T ATO A)于 1978年投入使 用的雙層客車轉向架的設計過程經(jīng)歷了動力學性能和 強度的計算機仿真、實驗室試驗和線路試驗 ,取得了良 好的效果。 其運行速度為 150 km /h,最高速度遠遠大 于運行速度。盡管設計了較大的安全裕量 ,但由于采用 了構架內置方式 ,與傳統(tǒng)的轉向架相比 ,該轉向架質量 減輕了很多。該轉向架為鑄鋼結構 ,并且采用了較多橡· 113·鐵道車輛 第 38卷增刊 2000年 12月膠元件和空氣彈簧

7、,制動方式同樣采用了外置式的盤 形制動。2. 4 B5000型轉向架T AIBO T 公司生產的 B5000型轉向架是一種新 的用于市郊和區(qū)域性客運的轉向架 ,其構架為焊接結 構 ,具有柔軟的扭轉性能 ,可以減少車輪載荷增減載。 一系懸掛為橡膠彈簧 ,二系懸掛為帶有附加風缸的空 氣彈簧和減振器 ,還帶有抗側滾扭桿 ,采用輪盤制動 , 在牽引中心有低剛度的橡膠予以緩沖。 該轉向架自重 3. 3 t ,最高運行速度 160 km /h,且具有良好的曲線通 過性能。3 內軸箱式轉向架的設計特點3. 1 內軸箱式轉向架的優(yōu)缺點內軸箱式轉向架的優(yōu)點:( 1) 構架橫梁縮短 ,有利于增加構架的剛度及減 輕

8、自重。( 2) 布置在側梁上的空氣彈簧橫向間距可以減小 ,轉向架在小半徑曲線上發(fā)生偏轉時空氣彈簧的縱向位移和扭轉變形可以減小 ,從而改善空氣彈簧的工 作條件。( 3) 轉向架搖頭剛度減小 ,便于通過小半徑曲線 , 但對車輛的橫向穩(wěn)定性卻沒有影響。( 4) 采用外置的盤形制動 ,便于更換和維修。 內軸箱式轉向架的缺點:( 1) 對于動力轉向架 ,在輪對內側有限的空間要 布置構架、牽引電機、聯(lián)軸器、齒輪箱等部件 ,空間十分 緊張 ,設計難度較大。( 2) 對齒輪箱軸箱軸承的壽命要求較高 ,盡可能 為免維護 ,至少應保證在一個大修期內不發(fā)生損壞 ,避 免經(jīng)常退輪。( 3) 由于空氣彈簧橫向間距較小

9、,因而對車體的 抗側滾穩(wěn)定性較差 ,應加裝抗側滾扭桿等裝置 ,但這樣 又使結構復雜化。3. 2 內軸箱式轉向架的結構設計3. 2. 1 一系懸掛除早期采用螺旋鋼彈簧外 ,內軸箱式轉向架的一 系懸掛主要有八字形橡膠疊板彈簧和 B5000型轉向 架所采用的橡膠堆 2種方式。 八字形橡膠疊板彈簧在 運行速度較高的干線或高速車輛轉向架上應用較多 , 但對于輕軌車輛來說 ,采用 B5000型轉向架的橡膠堆 可以使構架的側梁結構更簡單 ,且較大程度地減輕了 構架側梁的自重 ,軸箱縱向和橫向定位剛度由帶彈性 節(jié)點的拉桿來提供 ,拉桿一端安裝在軸箱底部 ,另一端· 114·安裝在構架側梁下

10、部 ,相當于轉臂定位。3. 2. 2 二系懸掛內軸箱式轉向架二系懸掛一般都采用空氣彈簧 , 能夠通過高度調整閥使地板面高度保持不變 ,在國外 低地板車輛的內軸箱式轉向架中二系懸掛還有采用沙 漏形橡膠堆結構 3 的。 空氣彈簧如果安裝在側梁的中 心線位置 ,則兩空氣彈簧間距較小 ,車體的抗側滾剛度 較小 ,根據(jù)柔性系數(shù)的計算 ,一般應加裝抗側滾扭桿 , 如果將側梁中部向外側延伸 ,即將空氣彈簧置于構架 側梁中心線外側 ,這樣就能保證足夠的抗側滾剛度 ,而 無須采用抗側滾扭桿。 二系懸掛中還經(jīng)常安裝有橫向 和垂向液壓減振器 ,從而提高了轉向架的穩(wěn)定性。3. 2. 3 制動裝置城市軌道交通車輛一般都

11、設計了電阻、再生等電 制動方式。 在空氣制動方式中 , Dofasco快速捷運轉向 架使用了踏面制動。但如果采用彈性車輪 ,只能考慮采 用盤形制動 ,并且一般制動盤都安裝于車輪外側。如果 采用鑄鐵制動盤、合成閘瓦 ,摩擦因數(shù)較高 ,散熱性好 , 但鑄鐵盤一般厚度為 110 m m 左右 ,為保證制動夾鉗 的閘瓦托和閘瓦安裝位置及空間尺寸 ,容易導致超限 界 ,因此可以考慮采用鍛鋼盤 , 其厚度一般為 45 mm 左右。 B5000型轉向架采用了輪盤制動 ,這樣的設計能 使得轉向架的結構十分緊湊 ,而且不會出現(xiàn)超限界的 問題。4 一種內軸箱式轉向架設計方案及其動力性 能分析根據(jù)內軸箱式轉向架的特

12、點并結合我國生產技術 條件 ,經(jīng)過初步研究 ,筆者設計了一種適用于六軸輕軌 車輛的內軸箱式轉向架方案。4. 1 轉向架結構簡介及主要技術參數(shù)該轉向架在設計時考慮了動車轉向架和拖車轉向 架部分結構的通用性。其中 ,動車轉向架為雙電機架懸 式橫向布置 ,采用鼓形齒式聯(lián)軸節(jié) ,一級齒輪傳動 ,軸 箱定位方式為八字形橡膠彈簧 ,二系懸掛為空氣彈簧 (安裝在構架側梁中心線上 )。另外 ,動車轉向架安裝了 抗側滾扭桿以提高車輛的抗側滾剛度 ,單拉桿牽引 ,采 用了橡膠彈性車輪 ,基礎制動方式為外置式盤形制動。 轉向架主要技術參數(shù)見表 1。表 1 主要技術參數(shù)最大軸重 / t11軸距 / mm1 900輪徑

13、 / mm780通過最小曲線半徑 /m50啟動平均加速度 /( m· s- 2)0. 9內軸箱式輕軌轉向架設計研究 許小強 ,趙洪倫 ,沈 鋼緊急制動減速度 /( m· s- 2)1. 3常用制動減速度 /(m· s- 2)1. 1最高運行速度 /(k m· h- 1)80交流牽引電機功率 /kW1404. 2 轉向架動力學性能分析4. 2. 1 垂向動力學性能優(yōu)化垂向動力學性能主要受一系和二系懸掛剛度和阻 尼的影響 ,另外還受到實際線路條件的影響。由整車的 振型計算可初步確定與一組剛度相配的阻尼參數(shù)。 在 初步設計參數(shù)的基礎上 ,對垂向動力學性能進行了

14、優(yōu) 化。 表 2為無阻尼時車輛的主要振型頻率。 由表 2可 見 ,車體有 3個振型 ,其中 1個振型的頻率在 0. 31 Hz 0. 41 Hz之間。表 3、表 4為不同二系垂向阻尼系數(shù)時對應的重車主振型的阻尼比。由表 3可見 ,若動車和拖車的阻尼 系數(shù)相同 ,則車體振型 3的阻尼比很低 ,要想使車體振 型 3的阻尼比提高 ,可以采取加大拖車二系垂向阻尼 系數(shù)的辦法。 如果加大到 140 kN· s /m ,可使車體振 型的阻尼比在 20 % 左右 ,但車體振型 2的阻尼比主 要取決于動車的二系垂向阻尼系數(shù)。由表 4可見 ,空車 的情況與重車類似 ,但空車的阻尼比要高于重車的 ,所

15、以要折中選取動車和拖車的阻尼系數(shù) ,還要根據(jù)隨機 響應的計算結果來決定合理的阻尼值。表 5為不同二系垂向剛度時的重車固有頻率。 由表 5可知 , 增加這一剛度值可以適量提高車體振型 3 的固有頻率。通過以上計算分析可知 ,拖車和動車的二系懸掛 參數(shù)的選取應該有所不一 ,以便滿足這種單鉸車的車體振動性能要求。表 2 無阻尼時車輛的主要振型頻率Hz振 型空 車重 車車體振型 11. 3261.015車體振型 21. 0520.67車體振型 30. 4160.315表 3 不同二系垂向阻尼系數(shù)時的重車主要振型阻尼比%阻尼系數(shù)/( kN· s· m- 1 )20 /2040 /40

16、60 /6050 /12050 /140車體振型 112.725.5438.6237.4739.04車體振型 25.2510.4315.4312.9612.96車體振型 33.316.6289.95417.9820.73注: 斜線前為動車值, 斜線后為拖車值。表 4 不同二系垂向阻尼系數(shù)時的空車主要振型阻尼比%阻尼系數(shù)/( kN· s· m- 1 )20 /2040 /4060 /6040 /10050 /120車體振型 116.8733.9150. 6560.5078.51車體振型 27.95415.5521. 8236.6919.01車體振型 34.2848.57912

17、. 9015.5340.24注: 斜線前為動車值, 斜線后為拖車值。表 5無阻尼時的不同二系垂向剛度時車輛的主要振型頻率Hz阻尼系數(shù)0.5 /1. 00.7 /1. 20. 7 /1.60.7 /2.0/( kN· s· m- 1 )車體振型 11.0791.1931. 2151.233車體振型 20.670.7620. 76230.76車體振型 30.410.419 50. 44870.469注: 斜線前為動車值, 斜線后為拖車值。4. 2. 2 橫向穩(wěn)定性計算根據(jù)設計參數(shù) ,分別計算了動力轉向架和非動力 轉向架在最不利輪軌接觸工況 (全蠕滑 , 0. 4等效斜 度 ,軸

18、重 11 t)時的蛇行臨界速度 ,分別為 120 km /h 和 150 km /h (見圖 1 圖 4)。 可見 ,該臨界速度已能滿足 設計的要求。圖 1 動車主要振型阻尼比隨速度的變化圖 2 動車主要振型頻率隨速度的變化圖 3 拖車主要振型阻尼比隨速度的變化· 115·城市輕軌車輛鐵道車輛 第 38卷增刊 2000年 12月文章編號: 1002-7602( 2000) S0-0116-05獨立車輪在低地板輕軌車輛上的應用鮑維千(西南交通大學機械學院 ,四川成都 610031)摘 要: 分析討論了獨立車輪的運行特性及可能發(fā)生的問題和應采取的措施 ,特別強調車輪踏面設計的重

19、要性 ,并 指出磨耗形踏面的等效斜度概念已不復存在 ,應采用踏面接觸角差作為重要設計參數(shù)。關鍵詞: 獨立車輪;輕軌車輛 ;低地板;中圖分類號: U 270. 33+ . 1 文獻標識碼: A1 低地板輕軌車輛與獨立車輪1. 1 輕軌車輛發(fā)展現(xiàn)況現(xiàn)代化的有軌電車及輕軌系統(tǒng)在近 20年來在全 世界得到了很大的發(fā)展。按國際公共交通聯(lián)盟 1997年 統(tǒng)計 ,全世界約有 350個有軌電車 /輕軌系統(tǒng) ,線路總 長 15 000 km,車輛約 35 000輛 ,其中大約 80% 在歐 洲和北美。 有些地區(qū) ,有軌電車 /輕軌系統(tǒng)原本是很少 見的 ,但近些年來也出現(xiàn)了新的輕軌系統(tǒng) ,如非洲的突 尼斯 ( 1

20、985年 )、馬來西亞首都吉隆坡 ( 1996年 )、土耳 其的伊斯坦布爾、澳大利亞的悉尼 ( 1997年 )等。有軌電車 /輕軌系統(tǒng)的運送能力為單向 10 000人次 /h 30 000人次 /h,站間距離為 500 m 1 000 m,介于公共汽車與地鐵之間。地鐵的建設費用巨大 (粗略 估算 ,建 1 km 地鐵地下線的費用可建輕軌地面線 10 km 15 km ) ,因此 ,只有在遠期客流量很大的情況下 才應考慮修建地鐵 ,否則應選用修建費用低得多的輕 軌系統(tǒng)。收稿日期: 2000-05-23作者簡介: 鮑維千 ( 1932 ) ,男 ,教授。老式有軌電車振動大、噪聲大、車輛小、車內設備

21、 簡陋、速度低。 現(xiàn)代有軌電車 /輕軌車輛車輛大、載客 多、速度高、運行平穩(wěn)舒適、車內外噪聲低。當前先進的 有軌電車 /輕軌車輛的技術特點是: 采用 IGB T元件的 交流驅動系統(tǒng)、低地板、標準模塊化設計滿足不同需 要、減輕自重、降低造價。車輛自重是一個很重要的指標 ,對車輛制造成本 及運行費用起重要影響。 近些年來制造的輕軌車輛的 自重指標為 1. 3 t /m 1. 5 t /m; 當今用模塊化設計的 低地板有軌電車 /輕軌車輛的車輛自重可低達 1 t /m; 而車輛制造商追求的目標為 28 m 長的模塊化低 地板車輛的自重指標為 0. 7 t /m。1. 2 低地板輕軌車輛與獨立車輪有軌

22、電車和輕軌車輛在結構上沒有什么不同。 低 地板有軌電車 /輕軌車輛 10多年來得到了很大的發(fā) 展 ,行駛于街面上的軌道車輛及公共汽車 ,國外幾乎都 采用低地板技術。 低地板離軌面高度通常為 350 mm (高地板為 900 m m 1 000 mm ) ,乘客上下車方便且 縮短了停站時間。 據(jù)國外統(tǒng)計 ,與高地板車相比 ,低地 板車乘客上下車時間減少 30% ,使行車旅行速度增高3% 4% 。5 結束語內軸箱式轉向架是一種有特色的 輕型轉向架 ,十分 適應城市軌道交通 尤其是輕軌交通的 要求 ,在我國正在 崛起的輕軌交通系圖 4 拖車主要振型頻率隨速度的變化統(tǒng)中具有廣闊的前景 ,但是內軸箱式轉

23、向架由于其較高的技術含量又使 其開發(fā)研制具有較大的技術難度 ,需要進一步的深入 研究才能獲得成功。參考文獻: 1 王伯銘 . 輕軌車輛走行部的特點 J . 鐵道車輛 , 1999, 37 ( 12): 16 17、 49.2 楊國楨 . 國內外準高速和高速客車轉向架的發(fā)展 Z . 上海鐵道 大學機械工程學院 , 1998.(編輯: 楊調動 )· 116·The 110V Control Protection Circuit and the Interlock Logicae Analysis of the Traction System on Guangzhou Metro

24、 CarsCHENJun-hua, et al.( male, bo rn in1972, a ssista ntengineer, RollingStock Depa rtm entofGua ng zho uM etro Operatio nCom pany, Gua ng zho u 510380, China )Abstract: Thecom positio n, logical relatio n a ndthe function of the110 V co ntro l protectio n circuit inthe traction system on Guang zho

25、u Metro Cars a re an-aly zed. Sugg estio ns a re giv en in viewof the practical.o peratio n:;Key wordscontro l interlock pro tectionsta rtm etroInspection, Repair, Quality andNationalization of Cars on No. 1Line of Shanghai MetroW U Ke( male, bornin1940,senio rengineer,RollingStock Wo rksofSha nghai

26、MetroGeneralCo rp. ,Shang hai 200233, China ):,AbstractThe inspectio n repair a nd qua lity man-ag em entfortheelectricalcars o n No. 1Line ofShang haiMetroaredescribed.Andthespecificscheme of.nationaliza tion is put fo rwa rd:;inspectionand;Key wordsm etro carrepairquality; natio naliza tion; idea

27、and sugg estio nKey Design of the Car for Moving Bogies Laterally for Teheran MetroX U He, et al.( male, bo rn in 1964, engineer, Ha rbin Railw ay Science Resea rch Institute, Harbin 150006, China)Abstract: The car fo r moving bog ies laterally is a unit piece of technological equipment in th e insp

28、ec-tion and repair techno logy line fo r metro cars ex po rt-ed toTeheranm etro. The controlsystem w ithSiemensLOGO!as a center is appliedto realize thela teral traction functio n of metro ca r bogies. The ca r has many functio ns such as safety protectio n, etc.Key words: ca r fo r m ov ing bogies

29、la terally; Siemens LOGO! ; wire winding mechanismUrban Light Rail Cars and BogiesW ANG Jun( male, born in 1968, engineer, Dalia n Diesel Lo-como tives Research Institute of the Ministry of Rail-w ays, Dalian 116021, China):,Abstract The form sstructure a nd perfo rmanceo f the light rail cars a ndb

30、ogiesw hich ca n m eettheo peratio n requirem entso f lightrail tra ffic ino urcountry are discussed. The principles fo r mo del selec-tion of lig ht rail cars in our country are giv en.Key words: urba n light rail car; bogie; model se-lectionResearch on 3-Carbody Double-Articulated Type LRV with Partial Low FloorW ANG Yu-feng , et al.( male, bo rn in 1975, master, M echa nical Engi-neeringInstituteofTong jiUniv ersity , Shang hai200331, China)Abstract: The dynamic performance o f the 3-ca r-bodyed