單軌車輛和轉(zhuǎn)向架

..單軌車輛及其轉(zhuǎn)向架作者姓名高山成文時間二〇一七年八月十六日

單軌車輛及其轉(zhuǎn)向架高山〔CRRC摘要：伴隨著城市的快速發(fā)展,各式各樣的交通工具應運而生。單軌車輛作為一種中等運量的軌道交通車輛在國內(nèi)的研發(fā)應用正在如火如荼的進行。本文將梳理國內(nèi)主要研制的跨坐式和懸掛式單軌車輛,并對各種單軌車輛的轉(zhuǎn)向架進行了較為詳細的介紹。關鍵字：單軌車輛跨坐式懸掛式轉(zhuǎn)向架1.單軌車輛的研制情況由于我國人口眾多與城市化快速發(fā)展,使得城市交通問題日益嚴峻。為了解決城市交通問題,各個大城市競相發(fā)展軌道交通。隨著國家對城市軌道交通建設審批權的下放,中小城市也將迎來了軌道建設的快速發(fā)展。根據(jù)客流量和經(jīng)濟實力,大城市較多的選擇大運量的地鐵列車作為主要方式,而中小城市將會選擇現(xiàn)代有軌電車和單軌列車等中運量的城市軌道交通形式。1.1跨坐式單軌車輛研制情況世界第一條跨座式單軌誕生于1888年2月,由法國人設計并在愛爾蘭利斯特維爾鋪設。此后,各國開始了對單軌交通的不斷研究和嘗試。經(jīng)過反的試驗,研究人員最終確認采用跨座式、混凝土軌道和橡膠充氣輪胎能夠達到最好的效果。在1960年至1965年,日本引進多種單軌技術,研制出多種日式單軌車,并迅速將其發(fā)展應用。自第一條單軌交通建成以來的100多年間,世界各國已建成單軌鐵路50多條。在我國,為解決城市交通擁堵日益嚴重的問題,軌道交通發(fā)展迅速。20XX9月,XX市從日本引進了跨座式單軌交通系統(tǒng),中車XX軌道客車股份主要負責完成車輛系統(tǒng)的國產(chǎn)化。XX軌道交通2號線〔30.05公里和XX軌道交通3號線〔67.09公里已經(jīng)成為跨坐式軌道交通的代表。20XX11月,中車XX浦鎮(zhèn)車輛與龐巴迪運輸公司在XXXX設立合資公司中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng),該公司將為XX軌道交通提供跨坐式單軌車輛。2016年5月,中車XX四方機車車輛股份研制的基于永磁牽引的雙軸轉(zhuǎn)向架大運量跨座式單軌車輛下線。2016年10月,新能源汽車制造企業(yè)比亞迪公司研制的跨坐式單軌車輛下線,通過一系列商業(yè)投資,比亞迪已經(jīng)獲得逾十個城市訂單。圖1：跨坐式單軌車輛1.2懸掛式單軌車輛研制情況1893年德國人發(fā)明了懸掛式單軌交通,并修建了全長13.3km的單軌鐵路,這也是世界上最早、歷史最悠久的懸掛式單軌交通。近年來,國內(nèi)加快了新型單軌車輛的研制。2016年9月,中車XX浦鎮(zhèn)車輛公司研制的國內(nèi)首列懸掛式單軌車輛下線。2017年7月,中車XX四方機車車輛股份研制的懸掛式單軌車輛下線。圖2：懸掛式單軌車輛2．單軌車輛轉(zhuǎn)向架2.1跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架〔1日立雙軸轉(zhuǎn)向架日立公司的單軌車分為小型、中型和大型三種模式,長客股份公司引進的是大型單軌。轉(zhuǎn)向架分為動力轉(zhuǎn)向架和無動力轉(zhuǎn)向架兩種,無動力轉(zhuǎn)向架沒有安裝牽引電機、聯(lián)軸節(jié)和隔音板裝置,除此以外,其它大多數(shù)部件的結構都基本相同,主要由轉(zhuǎn)向架構架、走行輪總成、走行輔助輪總成、導向輪總成、穩(wěn)定輪總成、二系懸掛系統(tǒng)、基礎制動裝置、驅(qū)動裝置、集電裝置、接地裝置、走行輪胎內(nèi)壓檢測裝置、隔音板裝置及轉(zhuǎn)向架管路組成。轉(zhuǎn)向架配有兩個走行輪,每個輪軸上都裝有填充氮氣的鋼芯橡膠輪胎,走行輪通過懸臂軸固定在轉(zhuǎn)向架構架上,便于輪胎的更換。該走行輪裝置可有效降低車輛運行過程中產(chǎn)生的振動、沖擊以及噪音,極大地提高了車輛的乘坐舒適性；同時,該結構便于維護,日常換輪操作時間很短。轉(zhuǎn)向構構架為焊接鋼板結構,導向輪安裝在構架上部,穩(wěn)定輪安裝在構架下部。導向輪和穩(wěn)定輪結構相同,僅車輪的安裝位置不同。導向輪安裝于轉(zhuǎn)向架四角,位于軌道梁側(cè)面的上部,在車輛運行過程中起導向作用；穩(wěn)定輪安裝于穩(wěn)定輪支架下端,位于軌道梁側(cè)面的下上部,起維持車輛平衡,防止側(cè)傾的作用。所有輪胎為橡膠輪胎,填充氮氣〔也可填充空氣。每個輪上都配有一個由硬質(zhì)橡膠制成的輔助輪,起到爆胎時保護的作用。另外,每個走行輪還配有由壓力開關和集流環(huán)組成的內(nèi)壓檢測裝置,可以使駕駛者在輪胎降壓時,檢測到輪胎漏氣的情況。中央懸掛裝置為無搖枕設計,通過空氣彈簧直接支撐車體,以達到輕量化的目的。驅(qū)動裝置采用兩級減速直角傳動系統(tǒng),并直接固定在轉(zhuǎn)向架構架上。驅(qū)動裝置通過一個柔性板聯(lián)軸節(jié)〔TD聯(lián)軸節(jié)與主電機相連。與TD聯(lián)軸節(jié)相連的部件配有聯(lián)軸節(jié)防護罩防止空氣中的雜質(zhì)飛入聯(lián)軸節(jié)中。制動系統(tǒng)采用內(nèi)置停放制動的氣動/液壓轉(zhuǎn)換式制動裝置,固定在驅(qū)動裝置中間軸上的制動盤兩側(cè)安裝有制動閘片。圖3：日立雙軸轉(zhuǎn)向架〔2龐巴迪單軸轉(zhuǎn)向架InnoviaMonorail200列車應用于拉斯維加斯,是在早期鹽湖城迪斯尼樂園單軌〔MarkⅥ基礎上發(fā)展而來,采用鉸接式車體、單軸轉(zhuǎn)向架,與日立單軌車不同的是,轉(zhuǎn)向架的布置侵入車體空間,優(yōu)點是車輛地板面和重心更低,穩(wěn)定性好,缺點是客室空間小,車輛載客能力低,且車輛之間沒有貫通道。InnoviaMonorail300列車是龐巴迪于20XX開發(fā)的完成的,應用于巴西圣保羅和沙特利雅得。與200系車相比,取消了鉸接式車體,每輛車設置2個轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)向架仍為單軸,車體間采用貫通道連接,提高了列車運載能力,保持了地板面和重心低方面的優(yōu)點。龐巴迪Monorail300則采用單軸轉(zhuǎn)向架〔圖4。采用單軸轉(zhuǎn)向架可以有效降低車輛的高度,Monorail300型車高僅4.053m,相對于其他類型單軌車高度降低了1m多。車輛高度的降低有利于降低車輛重心,行車更為平穩(wěn),舒適度更高。更為關鍵的是車廂地板面距離軌道梁頂面的高度更小,龐巴迪單軌車廂地板面距軌道梁頂面的距離僅450mm,該距離的減小更有利于設置縱向緊急疏散通道。另一方面,采用單軸轉(zhuǎn)向架可以使輪胎在曲線處的行駛軌跡與軌道梁更為匹配,減小行車阻力和輪胎的磨耗,降低噪聲和振動。圖4：龐巴迪單軸轉(zhuǎn)向架〔3新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架以構架為基礎,在構架上集成了牽引裝置、驅(qū)動裝置、基礎制動裝置、一系懸掛裝置〔軸箱、二系懸掛裝置〔空氣彈簧、穩(wěn)定輪、導向輪和走行輪。其牽引裝置采用中心銷式低位Z字形雙拉桿結構。其驅(qū)動裝置采用直驅(qū)型,取消了齒輪箱,通過分體式聯(lián)軸節(jié)將走行輪的車軸與懸掛在構架上的永磁電機直接相連。其制動裝置采用軸盤制動,制動盤與非驅(qū)動側(cè)車軸剛性連接,制動夾鉗固定于構架的側(cè)架上。其一系懸掛采用分體式軸箱,上軸箱體與構架的下蓋板相連,下軸箱體與上軸箱體相連。其穩(wěn)定輪、導向輪、走形輪均為實心橡膠輪。圖5：新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架2.2懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架〔1日本SAFEGE轉(zhuǎn)向架SAFEGE懸掛式轉(zhuǎn)向架結構為兩軸轉(zhuǎn)向架,構架為鋼板焊接結構。以構架為基礎,轉(zhuǎn)向架由走行輪、導向輪、空氣彈簧、枕梁、橫向拉桿、懸吊裝置、驅(qū)動裝置、基礎制動裝置、牽引電機等組成,如圖6所示。該轉(zhuǎn)向架結構特殊,走行輪和導向輪均采用充氣橡膠輪胎,橡膠輪胎在車輛運行時不僅發(fā)揮其緩沖減振效果,而且由于其較高的粘著力,使車輛具有良好的加速、減速性能和較強的爬坡能力。與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌相比,大大降低了車輛運行時的噪聲和軌道梁的振動,缺點是在一定范圍內(nèi)增大了車輛運行阻力。該轉(zhuǎn)向架采用了梯形懸吊裝置,懸吊裝置上端通過中心銷連接轉(zhuǎn)向架構架,下端通過車體安裝座連接車體,這樣不僅實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架三個力的傳遞,同時滿足了車體和轉(zhuǎn)向架之間的相對運動。為了保證車輛運行的安全性,該轉(zhuǎn)向架在構架前后兩側(cè)安裝有走行輪安全輪,在每一個導向輪上部安裝有鋼制導向輪安全輪,當充氣橡膠輪胎發(fā)生破裂時,可以保證車輛低速行駛至安全位置。同時為了防止懸吊裝置發(fā)生斷裂導致發(fā)生安全事故,在轉(zhuǎn)向架和車體之間安裝了安全鋼索。該轉(zhuǎn)向架驅(qū)動裝置借鑒汽車技術,采用差速器結構,在車輛通過曲線時,可以實現(xiàn)內(nèi)外側(cè)車輪以不同速度轉(zhuǎn)動,從而使車輛主動轉(zhuǎn)向,提高車輛曲線通過性能,減少橡膠輪胎的磨損。圖6：日本SAFEG轉(zhuǎn)向架〔2德國H-Bahn轉(zhuǎn)向架H-Bahn懸掛式轉(zhuǎn)向架,主要由構架、走行輪、齒輪箱、牽引電機、導向輪、基礎制動裝置、中心銷、搖枕、空氣彈黃、牽引拉桿、抗側(cè)滾扭斤等組成。轉(zhuǎn)向架各組成部分詳見圖7。該轉(zhuǎn)向架采用焊接的框架結構,主體框架為無縫鋼管。構架正中央下方通過中心銷與搖枕連接。構架前后最外側(cè)各安裝有集電裝置和風紅。構架側(cè)邊共有８處導向輪安裝座,前后兩側(cè)對稱設有與齒輪箱較接的銷孔和落在齒輪箱上的橫梁。牽引銷上方兩側(cè)共由４個制動間瓦安裝座。中心銷要傳遞三個方向的力,采用強度較高的合金鋼材料。中心銷上端與構架較接,可以相對構架繞垂直方向回轉(zhuǎn)〔即車體搖頭運動,中心銷下端與枕梁較接,可相對枕梁繞縱向回轉(zhuǎn)〔即車體側(cè)滾運動。輪對驅(qū)動裝置主要由輪對、齒輪箱、牽引電機組成。電機殼體與齒輪箱殼體通過螺栓連接成一體,電機倒置,通過聯(lián)軸節(jié)將扭矩傳遞到齒輪箱,進而傳遞到輪對。齒輪箱殼體一端與構架較接,另一端通過橡膠支承構架。走行輪采用實心橡膠輪胎,減少列車運行時,轉(zhuǎn)向架承受的來自路面的沖擊振動。導向輪與走行輪一樣采用鋁合金輪轂和實心橡膠輪胎。每個轉(zhuǎn)向架上裝有８個導向輪安裝座,下方的四個其到主要的導向作用,上方的四個起到穩(wěn)定輪的作用。制動間閘瓦安裝在與構架較接的制動臂上,制動臂又與制動杠活塞桿連接,當制動缸活塞收回時,上下制動閩瓦夾緊,將力作用在上下閩瓦間的軌道梁走行面上,通過闡瓦與軌道梁走行面的摩擦為列車提供制動力。該制動裝置結構簡單,方便拆巧和維修。枕梁通過中心銷與構架相連,通過空氣彈簧撐起車體頂梁,枕梁與車體頂梁之間裝有垂向、橫向減震器、空氣彈彈簧及抗側(cè)渡扭桿。枕梁通過牽引拉桿與車體連接,傳遞牽引力。枕梁內(nèi)腔為空氣彈黃氣室。圖7：德國H-Bahn轉(zhuǎn)向架〔3新型永磁直驅(qū)懸掛式轉(zhuǎn)向架新型永磁直驅(qū)懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架主要包括轉(zhuǎn)向架構架、走行輪、導向輪、一系懸掛裝置〔軸箱、枕梁、二系懸掛裝置〔空氣彈黃、懸吊裝置和牽引電機等,如圖所示。轉(zhuǎn)向架構架中也臺上安裝空氣彈黃,枕梁壓裝于空氣彈黃上,枕梁兩側(cè)設置橫向拉桿與構架相連,枕梁中央懸吊裝置為四連桿機構,構架外端設置走行輪,構架四角為導向輪,每對走行輪間設有內(nèi)轉(zhuǎn)子式永磁電機作為轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝置,使得能量的轉(zhuǎn)化效率大大提窩,同時減小了電機的尺寸與電機的發(fā)熱量,使得轉(zhuǎn)向架的結構得到簡化,增加其可靠性,同時又降低了維護成本。圖8：新型永磁直驅(qū)懸掛式轉(zhuǎn)向架總結結論：隨著城市化的快速發(fā)展,城市軌道交通將變得越來越多樣。單軌車輛作為新型城市軌道交通車輛的一種重要形式,也將會在國內(nèi)的城市中得到應用。本文簡要介紹了單軌車輛的兩種形式及其轉(zhuǎn)向架結構,使得對單軌車輛的轉(zhuǎn)向架有一個新的認識。參考文獻：賀觀