李志遠(yuǎn)

（智道鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

引言

低地板有軌電車(chē)是近年在國(guó)內(nèi)興起的一種新型軌道交通車(chē)輛，作為一種中等運(yùn)量的軌道交通車(chē)輛，其具有地鐵和公共汽車(chē)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。低地板有軌電車(chē)屬于中等運(yùn)量運(yùn)輸系統(tǒng)，只需對(duì)城市現(xiàn)有道路稍加改造即可滿足其運(yùn)行需求，具有建造成本低、周期短等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)中型城市發(fā)展軌道交通、滿足居民出行的最優(yōu)選擇，在國(guó)內(nèi)具有非常廣闊的發(fā)展前景。

作為低地板有軌電車(chē)走行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件，獨(dú)立輪對(duì)需要在滿足其走行、承載功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大幅降低車(chē)廂地板面高度的目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)零部件廠家尚不具備單元整體設(shè)計(jì)供貨能力，該獨(dú)立輪對(duì)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，能夠及時(shí)滿足車(chē)輛廠國(guó)產(chǎn)化和模塊化組裝需求。

1 低地板有軌電車(chē)輪對(duì)發(fā)展概況

低地板有軌電車(chē)是區(qū)別于傳統(tǒng)有軌電車(chē)的新型城軌車(chē)輛，其車(chē)廂的部分或全部地板面距地面高度應(yīng)不超過(guò)0.4 m，而傳統(tǒng)有軌電車(chē)地板距地面高度普遍在1 m左右。在其近40年的發(fā)展歷程中，低地板有軌電車(chē)的發(fā)展共經(jīng)歷了三個(gè)階段。

1.1 第一代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)

20世紀(jì)80年代，隨著城市交通的不斷發(fā)展，第一代低地板有軌電車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)時(shí)的城軌車(chē)輛仍然只能使用鋼輪加鋼軸的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)限制，輪對(duì)上方的車(chē)廂地板面距地面最小為0.8 m，由于車(chē)輛需和汽車(chē)共用城市道路，無(wú)法在道路上建設(shè)如此高的站臺(tái)，為此，比利時(shí)BN公司將車(chē)輛分成了有輪對(duì)支撐的車(chē)廂和無(wú)輪對(duì)支撐的車(chē)廂，將無(wú)輪對(duì)車(chē)廂的地板面降低至0.35 m，兩種車(chē)廂之間由臺(tái)階過(guò)渡（如圖1所示），將車(chē)門(mén)設(shè)置在無(wú)輪對(duì)車(chē)廂兩側(cè)。這種設(shè)計(jì)潛在問(wèn)題較多，如噪音大、車(chē)廂內(nèi)落差高存在安全隱患等，因此只在Amsterdam等幾個(gè)城市實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行。

圖1 第一代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)及低地板實(shí)現(xiàn)方式

1.2 第二代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)

第二代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)仍然采用直軸輪對(duì)的結(jié)構(gòu)，但使用彈性車(chē)輪取代了鋼輪，從而能夠在減少振動(dòng)的同時(shí)降低車(chē)輛運(yùn)行噪音，同時(shí)將齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)從輪對(duì)中間轉(zhuǎn)移至輪對(duì)兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)廂地板面高度的有效降低（如圖2所示）。雖然高度依然無(wú)法徹底滿足要求，但通過(guò)設(shè)置小角度斜坡，基本能夠滿足車(chē)輛在市內(nèi)運(yùn)行乘客上下車(chē)的需求。最先使用這種設(shè)計(jì)的有Bombadier公司的Flexity2、Alstom公司的Citadis X04、PESA公司的Swing等。

圖2 第二代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)及低地板實(shí)現(xiàn)方式

1.3 第三代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)于車(chē)輛的舒適性要求也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外車(chē)輛制造廠家陸續(xù)推出了第三代低地板有軌電車(chē)，其所使用的輪對(duì)不再是傳統(tǒng)的直軸結(jié)構(gòu)，而是將車(chē)軸設(shè)計(jì)為中間向下凹的曲軸結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留第二代低地板輪對(duì)在輪對(duì)兩側(cè)牽引傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，從而徹底實(shí)現(xiàn)車(chē)廂地板面全部為統(tǒng)一高度且低于0.4 m（如下頁(yè)圖3所示）。車(chē)輪采用改進(jìn)后的彈性車(chē)輪，在保證減震降噪的基礎(chǔ)上提升了安全性，第三代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)有效地提升了乘客的舒適度。

圖3 第三代低地板有軌電車(chē)輪對(duì)及低地板實(shí)現(xiàn)方式

與前兩代低地板輪對(duì)相比，第三代低地板輪對(duì)的車(chē)輪不再與車(chē)軸共同轉(zhuǎn)動(dòng)，而是實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，因此我們也將其稱(chēng)作獨(dú)立輪對(duì)。目前，國(guó)際上幾款有名的低地板轉(zhuǎn)向架，如Variobahn轉(zhuǎn)向架、Citadis轉(zhuǎn)向架、Combino轉(zhuǎn)向架等，均采用了獨(dú)立輪對(duì)作為其走行部件。國(guó)內(nèi)中車(chē)長(zhǎng)客、中車(chē)唐山、中車(chē)青島四方等主機(jī)廠新開(kāi)發(fā)的低地板車(chē)也均采用獨(dú)立輪對(duì)作為走行部件。由于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)廠家只能單輪或單軸供貨，無(wú)法滿足主機(jī)廠的模塊化采購(gòu)、模塊化組裝需求，因此，大部分的獨(dú)立輪對(duì)仍需進(jìn)口。

2 低地板有軌電車(chē)獨(dú)立輪對(duì)方案研究

第三代低地板有軌電車(chē)軸重一般在11 t左右，最高設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/s，2動(dòng)2拖共4節(jié)車(chē)廂為一個(gè)編組，車(chē)廂全部地板面高度均應(yīng)小于0.4 m。以最小車(chē)輪直徑Φ0.6 m、軸身直徑Φ0.13 m為例，軸身頂部距地面高度已接近0.4 m，再考慮到限界、減震系統(tǒng)安裝、地板面厚度等因素，直軸輪對(duì)顯然無(wú)法滿足用戶需求。因此，將軸身下凹、采用獨(dú)立輪對(duì)是實(shí)現(xiàn)100%低地板的唯一解決方案。

獨(dú)立輪對(duì)與直軸輪對(duì)相比，首先需要解決的就是將輪對(duì)兩側(cè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)自由度解耦，通過(guò)將輪軸壓裝改為輪軸之間安裝軸承，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，車(chē)軸方可由直軸改為中部下凹的“U”形結(jié)構(gòu)，我們將這種車(chē)軸稱(chēng)為軸橋。同時(shí)，傳統(tǒng)輪對(duì)的軸箱結(jié)構(gòu)、電流接地、傳動(dòng)制動(dòng)接口以及信息自動(dòng)采集等功能也都需要轉(zhuǎn)移至輪對(duì)兩側(cè)的有限空間，為此，我們需克服如下難點(diǎn)：

1）由于軸承被安裝在彈性車(chē)輪輪箍孔內(nèi)，受空間限制，傳統(tǒng)的大直徑雙列圓錐滾子軸承或雙列圓柱滾子軸承無(wú)法被繼續(xù)使用，但軸重及使用壽命等要求必須得到滿足。

2）軸承被安裝在彈性車(chē)輪內(nèi)部，這就意味著傳統(tǒng)軸箱不復(fù)存在，但傳統(tǒng)軸箱所承擔(dān)的一系減震彈簧載體功能仍需由獨(dú)立輪對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）從受電弓到車(chē)廂再到車(chē)軸、車(chē)輪、軸承直至鐵軌，構(gòu)成一個(gè)完整的電流傳導(dǎo)回路，需在保證接地效果的同時(shí)，采取有效措施，避免因軸承滾子電蝕而影響車(chē)輛運(yùn)行安全。

4）牽引傳動(dòng)、輪盤(pán)制動(dòng)、走行承載、信息自動(dòng)采集等多種功能在獨(dú)立輪對(duì)兩側(cè)有限空間的高度集成。

3 低地板有軌電車(chē)獨(dú)立輪對(duì)總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)研究過(guò)程中識(shí)別出的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，我們?cè)诜桨钢羞M(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)車(chē)輪內(nèi)部的軸箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的雙列軸承改為背靠背安裝的一大一小圓錐滾子軸承，通過(guò)布局優(yōu)化，使得大直徑軸承作為主要承載軸承，以滿足車(chē)輛軸重要求，同時(shí)，將小直徑軸承布置在靠近輪對(duì)外側(cè)的車(chē)輪內(nèi)部，從而最大限度地為輪對(duì)其他功能集成讓出空間。同時(shí)，為軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)密封、潤(rùn)滑循環(huán)等結(jié)構(gòu)。

2）在軸橋兩側(cè)靠近車(chē)輪的位置設(shè)置兩側(cè)伸出的承重梁結(jié)構(gòu)，用于對(duì)接一系減震彈簧，與車(chē)輪內(nèi)部的軸箱結(jié)構(gòu)一起，完整替代傳統(tǒng)軸箱功能。

3）輪對(duì)兩側(cè)設(shè)計(jì)接地裝置，直接連接車(chē)輪與車(chē)軸，以將軸承組短路，從而避免電流腐蝕導(dǎo)致軸承滾子受損，危害車(chē)輛運(yùn)行安全。

4）將輪對(duì)按照動(dòng)力輪對(duì)和非動(dòng)力輪對(duì)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)力輪對(duì)預(yù)留牽引傳動(dòng)接口，并滿足聯(lián)軸節(jié)限界要求，將制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)移至齒輪箱外側(cè)，對(duì)非動(dòng)力輪對(duì)預(yù)留輪盤(pán)制動(dòng)接口，并整合測(cè)速系統(tǒng)等。

設(shè)計(jì)的獨(dú)立輪對(duì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖4 低地板有軌電車(chē)獨(dú)立輪對(duì)

表1 獨(dú)立輪對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

1）獨(dú)立輪對(duì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于內(nèi)置式軸箱結(jié)構(gòu)以及多種功能在輪對(duì)兩側(cè)狹小的集成，本設(shè)計(jì)能夠有效解決上述難題，且具有維修方便等特點(diǎn)。

2）經(jīng)過(guò)有限元仿真計(jì)算，以及多項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試，該獨(dú)立輪對(duì)能夠完全滿足用戶在軸重、使用維護(hù)周期、減震降噪等方面的要求，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。