香港城市有軌電車轉向架方案設計

1 　前言
香港有軌電車運行于人口密集的商業中心和居民區等地區, 是香港市內軌道交通系統的重要組成部分之一。該車由于具有環境污染小和方便市民生活等特點, 多年來為香港的城市經濟發展發揮了重要作用。
香港目前使用的有軌電車是英國制造的雙層車, 由于使用年代已久及限于當時的技術條件, 轉向架性能已難以滿足當前的運用要求。設計一種新型的、性能良好的轉向架以改善有軌電車的舒適性和運行安全性已勢在必行。
轉向架是車輛的重要組成部分之一, 對車輛的運行性能起著決定性的作用。香港城市軌道交通系統的道路條件較差, 線路坡度大、曲線半徑小, 故在這些線路上運行的車輛對其轉向架的要求較高。在設計香港城市有軌電車轉向架時, 應充分考慮現有線路狀況和運行條件, 特別是要考慮到該車在城市內運行的特點, 設計一種運行性能優良、對環境污染小的有軌電車轉向架。

2 　轉向架的主要技術參數和要求

2.1 轉向架基本設計要求及主要技術措施
有軌電車是香港城市內的主要交通工具, 由于其啟動和制動頻繁, 對轉向架的動力學性能、運行性能和環保性能有嚴格的要求。因此, 轉向架應具有噪聲小、適應小半徑曲線及質量輕等特點。噪聲的大小對城軌車輛是至關重要的, 因為城軌車輛主要在人口稠密的居民區、商業文化中心等地區運行, 車輛運行時產生的噪聲會給沿線居民的生活造成影響, 對環境造成污染。因此城軌車輛轉向架因充分考慮到噪聲的影響, 采取措施盡量降低轉向架的運行噪聲。轉向架的運行噪聲主要來源于輪軌之間沖擊振動及相對滑動、各部件之間的相對運動、制動和牽引等, 設計時應在這幾方面進行重點考慮, 采取相應措施進行降噪處理。為了降低轉向架的運行噪聲, 在轉向架方案中將采取彈性車輪、橡膠懸掛元件及軸盤制動等技術措施。
城市有軌電車由于采用無道渣路基, 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, 從而降低由此產生的噪聲。由于橡膠具有吸振降噪的功能, 故在轉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, 同時也避免了鋼彈簧在運行中產生的噪聲。與踏面制動相比, 軸盤基礎制動裝置具有磨耗小、制動效率高、噪聲低等優點, 故可減少由于制動裝置磨損及噪聲對環境的污染, 對于城市軌道車輛是十分重要的。由于城市軌道系統在市區運行, 市區內建筑物多、道路縱橫交錯, 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向架具有較好的適應小半徑曲線的能力。此外, 城市軌道一般線路等級較低, 軌重較小, 因此對城軌車輛的軸重有嚴格的限制。雙層有軌電車車體自重較大, 載客量較多, 應從嚴控制轉向架的自重, 對主要部件(如構架、動力裝置等) 的輕量化提出了很高的要求。

2.2 轉向架主要技術參數
根據香港有軌電車設計任務書要求, 該轉向架的主要技術參數列于表1 中。

表1 　轉向架主要技術參數

3 　轉向架的方案選型
綜觀國內外城軌車輛轉向架主要有兩種基本型式。一種是傳統輪對轉向架, 另一種是獨立旋轉車輪轉向架, 兩種轉向架各有特點。
傳統輪對轉向架具有技術成熟、結構相對簡單、牽引及制動裝置容易布置、對中性能好的優點。但傳統輪對具有易出現蛇行運動失穩、通過曲線時由于輪對沖角大及相對滑動大而導致磨耗嚴重, 以及不適合低地板城市軌道車輛等不足之處。
與傳統轉向架相比, 獨立旋轉車輪轉向架由于同一輪對的左右兩個車輪可以獨立旋轉, 通過曲線時左右車輪的轉速可以不同, 曲線通過時輪軌之間的滑動較小。此外, 獨立旋轉車輪轉向架還消除了輪對的蛇行運動, 不會出現蛇行失穩和由于相對滑動而產生的嘯叫聲。獨立旋轉車輪轉向架由于沒有車軸, 因此它廣泛應用于低地板的城市軌道交通車輛上。但獨立旋轉車輪轉向架也存在對中性能差、驅動和制動裝置復雜、技術要求和制造成本高的缺點。
根據香港雙層有軌電車的技術要求, 并考慮使用部門在長期運用、檢修過程中積累的經驗, 在香港雙層有軌電車轉向架方案中將采用傳統輪對的模式。

4 　轉向架結構設計
轉向架的傳動裝置采用電傳動的模式, 懸掛裝置采用兩系懸掛。其基本結構由焊接構架、搖枕、中央懸掛裝置、輪對軸箱定位裝置、動力裝置及盤形基礎制動裝置等組成, 結構方案如圖1 所示。

4.1 構架
構架是連接搖枕和輪對的重要部件, 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、制動裝置、動力裝置和抗側滾裝置等提供安裝座或吊座, 是轉向架中受力最復雜的部件。
構架由側梁、橫梁和端梁組成。側梁由上蓋板、下蓋板和雙腹板組成U 型梁箱形結構, 在側梁內腔焊有隔板, 同時側梁也作為空氣彈簧的附加空氣室使用。在側梁上蓋板中部加寬, 作為空氣彈簧座, 在側梁上蓋板加寬部位與腹板間焊三角形加強筋。側梁的上下蓋板均為整體沖壓成型, 避免了在側梁上、下蓋板上出現橫向焊縫而影響整體強度, 也為構架的輕量化設計打下基礎。
在兩側梁中部焊有橫梁, 橫梁由上、下蓋板和腹板組成箱形結構。在橫梁上焊接電機及齒輪箱吊座、橫向減振器安裝座和橫向彈性止擋座。為了安裝單元制動吊座, 在兩側梁的端部焊接有端梁。412 輪對、軸箱及其定位裝置輪對軸頸中心距1 638 mm , 車輪踏面采用UIC 標準踏面S1002 。在軸身上加制一個制動盤安裝座和齒輪安裝座。
為降低車輛運行噪聲, 減小對環境的污染, 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量, 減輕輪軌之間的沖擊以及由此而產生的噪聲, 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, 延長車輪的使用壽命和減輕環境污染。
國外有關試驗和運用表明〔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主要有3 類: 承剪型、承壓型和剪壓復合型, 如圖2 所示。3 種彈性車輪彈性元件結構不同, 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, 實際應用較少。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 字形的剪壓復合型綜合了前兩種彈性元件的優點, 可以實現徑向和軸向彈性的合理匹配, 目前應用也最多, 故本方案采用剪壓復合型彈性車輪。
軸箱懸掛采用軸箱兩側對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現需要的三向定位剛度和無磨耗, 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, 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, 對提高構架的疲勞壽命、減少運行噪聲有益。

4.3 中央懸掛裝置
中央懸掛裝置位于搖枕和轉向架構架之間。為盡可能減少由于輪軌間產生的沖擊傳到車體, 中央主懸掛采用空氣彈簧。空氣彈簧系統由空氣彈簧裝置、高

圖1　轉向架結構方案圖

圖2　彈性車輪結構示意圖1-輪箍; 2-T 型環; 3-環狀橡膠; 4-外輪芯; 5-橡膠體; 6-輪芯。度控制閥、差壓閥、附加空氣室及相應的管道系統組成。空氣彈簧設有節流孔, 可起到中央垂直減振器的作用。在搖枕和構架之間安裝高度控制閥, 控制車體載荷變化時空氣彈簧內的空氣壓力, 使空氣彈簧的高度保持基本不變, 確保空重車情況下車輛地板面的高度在容許的變化范圍之內。用差壓閥將轉向架左右兩個空氣彈簧聯系在一起, 使兩組空氣彈簧的壓差控制在允許范圍之內。
為了改善車輛在直線上運行時的平穩性和曲線通過的安全性, 在構架橫梁和搖枕之間對稱布置橫向彈性止擋; 斜對稱布置的橫向減振器可確保轉向架具有良好的橫向性能。在搖枕和構架之間安裝抗側滾扭桿裝置, 以減小車體相對構架的側滾角位移。
在搖枕和構架之間采用對稱布置的雙牽引拉桿牽引方式, 以傳遞牽引力和制動力。牽引拉桿一端同搖枕端部相連, 另一端連于構架的側梁上。這種方式可避免兩根牽引拉桿同時受壓, 提高了牽引拉桿裝置的穩定性。

4.4搖枕
為了使轉向架能順利地通過小半徑曲線, 轉向架采用有搖枕結構。搖枕直接坐落在空氣彈簧上, 在搖枕中部安裝平面心盤, 在搖枕端部安裝旁承。當車輛通過小半徑曲線時搖枕可繞車體枕梁回轉, 這種結構可有效改善車輛通過曲線時空氣彈簧的受力狀況, 提高曲線通過能力。此外, 橫向減振器、橫向彈性止擋、抗側滾扭桿、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。
為避免車體側滾時出現剛性沖擊, 轉向架上設置常接觸彈性旁承。由于有軌電車運行速度低, 對曲線通過性能要求高, 彈性旁承的回轉力矩取較小值。

4.5基礎制動裝置
城軌交通站間距離短、制動距離要求高, 制動頻繁, 故要求有較高的制動減速度。其制動裝置除了滿足安全可靠、操作靈活、檢修方便外, 還應具有節能和環境污染小的特點。因此, 在設計方案中選用摩擦制動和動力制動聯合作用的制動模式。
車輛在制動工況時, 牽引電機將轉換為發電機, 將車輛的動能轉化為電能反饋到電網上, 從而達到制動目的。對城市有軌電車而言, 動力制動是一種理想的制動方式, 一方面它可以節約能源, 同時也能減少環境污染, 節約運營成本。