高速有轨电车转向架选型分析

李小川

（中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412001）

1 概述

随着欧洲对绿色、舒适、高效轨道交通的要求，以德国为代表的欧洲国家对有轨电车提出了提高运营速度、降低地板面高度、提高乘坐舒适性等要求。车辆性能要求高了，相应的转向架也必须做出相应的创新设计，主要表现为转向架的结构更加紧凑、结构强度更高、曲线通过性更好、动力学性能更加稳定、轮轨噪音更低等[1-4]。

根据前期与潜在用户及咨询机构的交流沟通，以及对欧洲现有有轨电车的调研，确定了车辆的运营速度、最大轴重、适应的最小曲线半径、轮径等车辆关键参数。车辆的主要技术参数见表1。

表1 车辆参数

2 转向架方案选型

2.1 轴距

轴距是转向架的关键参数，关系到车辆运行的稳定性、曲线通过性以及转向架上的设备布置等[3]。欧洲现有的有轨电车轴距多为1800mm或1900mm，车辆运营速度一般不超过80kn/h。本文针对最高运营速度为120km/h的高速有轨电车进行转向架选型，为确保车辆在高速运行条件下的稳定性，轴距定为1900mm，同时较大的轴距有利于牵引电机等设备的布置。

2.2 轮对

有轨电车轮对分为独立轮对和传统轮对，选型时要综合考虑车辆的曲线通过性及运行稳定性。独立轮对曲线通过性好，但稳定性差[2]。从车辆高速运行稳定性的角度考虑，采用传统轮对[5]。车轮选用弹性车轮，有利于降低车辆运行时的轮轨噪音[6]。轮对方案见图1。

图1 轮对

2.3 一系悬挂装置

一系悬挂装置关系到车辆运行的稳定性，有轨电车一系悬挂多采用橡胶弹簧，一系橡胶弹簧主要有锥形橡胶弹簧和人字形橡胶弹簧两种。相对锥形橡胶弹簧，人字形橡胶弹簧对转向架高度尺寸要求较多，受转向架上方地板面高度等因素的限制，一系悬挂采用锥形橡胶弹簧。人字形橡胶弹簧和锥形橡胶弹弹簧见图2。

图2 人字形橡胶弹簧和锥形橡胶弹簧

2.4 二系悬挂装置

二系悬挂装置关系到车辆运行的平稳性，用户要求车辆能实现地板面高度主动调节，这样可以提高乘坐的舒适性，方便乘客上下车。目前业内主要通过空气弹簧的充气或放气来实现地板面高度的主动调节，因此二系悬挂采用空气弹簧。

线路最小曲线半径为22m。经分析，要满足车辆的曲线通过性能，转向架相对车体的转角达11°左右，转角分析见图3。空气弹簧如果直接和车体连接，过曲线时转向架相对车体转动时会拉扯空气弹簧气囊，转角超大拉扯量超大，无法适应如此大的转角。可在空气弹簧和车体之间设置摇枕，这样当车辆通过曲线时，摇枕相对车体转动，这样就不会拉扯空气弹簧气囊，有利于车辆曲线通过[7]。因此需要在空气弹簧和车体之间设置摇枕，图4为摇枕的结构图。

图3 转向架相对车体的转角分析

图4 摇枕结构

2.5 驱动单元

驱动单元在选型时需要考虑安装空间以及整车牵引系统对传动比等参数的要求，驱动单元包括牵引电机、齿轮箱、联轴节。目前有轨电车所使用的驱动单元形式多样，主要有轮对内侧牵引电机横向布置+抱轴式齿轮箱、轮对内侧牵引电机横向布置+输出空心轴式齿轮箱、牵引电机轮对外侧纵向布置等形式[8-10]。

如果采用轮对内侧牵引电机横向布置+抱轴式齿轮箱的形式，则构架需要在横梁上设置较高的牵引电机安装接口和齿轮箱吊挂接口，这样会限制摇枕的空间，因此无法采用该结构。详细分析见图5。如果采用牵引电机外侧纵向布置，则摇枕和二系空气弹簧只能布置在两台电机的中间，受空间的限制，摇枕和空气弹簧无法设计，因此无法采用该结构。详细分析见图6。驱动单元采用轮对内侧牵引电机横向布置+输出空心轴式齿轮箱，构架仅需要在横梁上设置两个较低地安装接口，另外在端部上设置一个齿轮箱吊挂接口即可满足整套驱动单元的安装。这样可以给摇枕及空气弹簧留出更多的设计空间，以满足摇枕的强度要求。详细分析见图7。

综上所述，驱动单元采用轮对内侧牵引电机横向布置+输出空心轴式齿轮箱的形式。

图5 轮对内侧牵引电机横向布置+抱轴式齿轮箱

图6 牵引电机外侧纵向布置

图7 轮对内侧牵引电机横向布置+输出空心轴式齿轮箱

2.6 基础制动装置

车辆的制动性能直接关系到车辆运行安全性，基础制动主要有踏面制动、轮盘制动和轴盘制动三种，选型时要考虑车辆制动性能的要求及转向架自身的结构。普通有轨电车的减速度约为1.0m/s2，根据欧洲潜在用户的要求，新型高速有轨电车的减速度要求高达2.0m/s2以上。较高的减速度对基础制动装置的要求。受弹性车轮的结构限制，基础制动无法采用踏面制动或轮盘制动，因此只能采用轴盘制动。根据初步的制动计算分析，每台转向架需要设置4个直径为400mm以上的制动盘，此外还需要设置磁轨制动器。受转向架上方地板面高度的限制，制动盘只能布置对轮对外侧，否则制动盘存在和车体干涉的风险。基础制动装置安装示意见图8。

图8 基础制动装置

2.7 轴箱布置

轴箱布置有外置式和内置式两种，选型时要综合考虑可维护性及限界的要求。外置式结构相对简单，维护方便，内置式结构紧凑，对限界要求低，但维护相对麻烦。受限界等因素的影响，目前欧洲的有轨电车多采用轴箱内置式结构。另外由于制动盘已布置在轮对外侧，如果采用轴箱外置式结构的话，整个转向架的横向尺寸将设计的非常大，这样对转向架重量控制、横向限界都是不利的，分析见图9。因此采用轴箱内置式结构，轴箱内置式结构的横向尺寸分析见图10。

图9 轴箱外置式横向尺寸分析

图10 轴箱内置式横向尺寸分析

2.8 转向架高度

单独从转向架设计的角度考虑，转向架高度越高越好，这样有更多的空间布置转向架设备。但转向架的高度受转向架区地板面高度的限制，只能在保证转向架不和车体干涉的前提下尽量设计高一点。欧洲潜在用户要求转向架上方的地板面高度要求不超过680mm，因此无法像传统转向架那样设计地较高。通过调研类似车辆及转向架和车体的干涉分析，确定轮对内侧的转向架和车体接口面高度定为550mm左右。

3 结论及总体方案

通过以上分析，确定转向架总体采用轴箱内置式结构。轮对采用弹性车轮传统轮对，一系悬挂采用锥形橡胶弹簧，二系悬挂采用空气弹簧加摇枕结构，驱动单元采用轮对内侧牵引电机横向布置+输出空心轴式齿轮箱的形式，基础制动装置采用轮对外侧布置的轴盘制动并配有磁轨制动器，转向架总体方案见图11。

图11 转向架总体方案三维图

4 结论

转向架是轨道车辆的关键子系统，直接影响车辆运营安全性、舒适性等，因此转向架设计选型至关重要。欧洲潜在用户对未来有轨电车的运营速度、舒适性、空间结构提出了更高的要求，为适应新的要求，转向架必须满足更高的动力学性能、更可靠的结构强度以及更紧凑的空间结构。本文对转向架的主要方案进行了选型分析，其动力学性能和结构强度还需进一步研究。