摘 要 根据香港城市轨道交通系统的基本特点和要求, 提出了一种适用于香港双层有轨电车的转向架方案, 详细描述了该转向架方案的主要技术参数、基本原理和主要特征, 并对转向架主要部件的结构和悬挂方式进行了说明。关键词 转向架, 有轨电车, 方案设计, 弹性车轮, 噪声
1 前言
香港有轨电车运行于人口密集的商业中心和居民区等地区, 是香港市内轨道交通系统的重要组成部分之一。该车由于具有环境污染小和方便市民生活等特点, 多年来为香港的城市经济发展发挥了重要作用。
香港目前使用的有轨电车是英国制造的双层车, 由于使用年代已久及限于当时的技术条件, 转向架性能已难以满足当前的运用要求。设计一种新型的、性能良好的转向架以改善有轨电车的舒适性和运行安全性已势在必行。
转向架是车辆的重要组成部分之一, 对车辆的运行性能起着决定性的作用。香港城市轨道交通系统的道路条件较差, 线路坡度大、曲线半径小, 故在这些线路上运行的车辆对其转向架的要求较高。在设计香港城市有轨电车转向架时, 应充分考虑现有线路状况和运行条件, 特别是要考虑到该车在城市内运行的特点, 设计一种运行性能优良、对环境污染小的有轨电车转向架。
2 转向架的主要技术参数和要求
2.1 转向架基本设计要求及主要技术措施
有轨电车是香港城市内的主要交通工具, 由于其启动和制动频繁, 对转向架的动力学性能、运行性能和环保性能有严格的要求。因此, 转向架应具有噪声小、适应小半径曲线及质量轻等特点。噪声的大小对城轨车辆是至关重要的, 因为城轨车辆主要在人口稠密的居民区、商业文化中心等地区运行, 车辆运行时产生的噪声会给沿线居民的生活造成影响, 对环境造成污染。因此城轨车辆转向架因充分考虑到噪声的影响, 采取措施尽量降低转向架的运行噪声。转向架的运行噪声主要来源于轮轨之间冲击振动及相对滑动、各部件之间的相对运动、制动和牵引等, 设计时应在这几方面进行重点考虑, 采取相应措施进行降噪处理。为了降低转向架的运行噪声, 在转向架方案中将采取弹性车轮、橡胶悬挂元件及轴盘制动等技术措施。
城市有轨电车由于采用无道渣路基, 故其刚度较大, 采用弹性车轮可有效地衰减轮轨间的高频振动, 从而降低由此产生的噪声。由于橡胶具有吸振降噪的功能, 故在转向架的轴箱悬挂采用锥形橡胶弹簧、中央悬挂采用空气弹簧等橡胶元件, 同时也避免了钢弹簧在运行中产生的噪声。与踏面制动相比, 轴盘基础制动装置具有磨耗小、制动效率高、噪声低等优点, 故可减少由于制动装置磨损及噪声对环境的污染, 对于城市轨道车辆是十分重要的。由于城市轨道系统在市区运行, 市区内建筑物多、道路纵横交错, 因此线路的坡度大、曲线多、曲线半径很小, 因此要求城轨车辆转向架具有较好的适应小半径曲线的能力。此外, 城市轨道一般线路等级较低, 轨重较小, 因此对城轨车辆的轴重有严格的限制。双层有轨电车车体自重较大, 载客量较多, 应从严控制转向架的自重, 对主要部件(如构架、动力装置等) 的轻量化提出了很高的要求。
2.2 转向架主要技术参数
根据香港有轨电车设计任务书要求, 该转向架的主要技术参数列于表1 中。
表1 转向架主要技术参数
3 转向架的方案选型
综观国内外城轨车辆转向架主要有两种基本型式。一种是传统轮对转向架, 另一种是独立旋转车轮转向架, 两种转向架各有特点。
传统轮对转向架具有技术成熟、结构相对简单、牵引及制动装置容易布置、对中性能好的优点。但传统轮对具有易出现蛇行运动失稳、通过曲线时由于轮对冲角大及相对滑动大而导致磨耗严重, 以及不适合低地板城市轨道车辆等不足之处。
与传统转向架相比, 独立旋转车轮转向架由于同一轮对的左右两个车轮可以独立旋转, 通过曲线时左右车轮的转速可以不同, 曲线通过时轮轨之间的滑动较小。此外, 独立旋转车轮转向架还消除了轮对的蛇行运动, 不会出现蛇行失稳和由于相对滑动而产生的啸叫声。独立旋转车轮转向架由于没有车轴, 因此它广泛应用于低地板的城市轨道交通车辆上。但独立旋转车轮转向架也存在对中性能差、驱动和制动装置复杂、技术要求和制造成本高的缺点。
根据香港双层有轨电车的技术要求, 并考虑使用部门在长期运用、检修过程中积累的经验, 在香港双层有轨电车转向架方案中将采用传统轮对的模式。
4 转向架结构设计
转向架的传动装置采用电传动的模式, 悬挂装置采用两系悬挂。其基本结构由焊接构架、摇枕、中央悬挂装置、轮对轴箱定位装置、动力装置及盘形基础制动装置等组成, 结构方案如图1 所示。
4.1 构架
构架是连接摇枕和轮对的重要部件, 它不仅传递车辆的纵向、横向和垂向作用力, 还为安装弹簧、减振器、制动装置、动力装置和抗侧滚装置等提供安装座或吊座, 是转向架中受力最复杂的部件。
构架由侧梁、横梁和端梁组成。侧梁由上盖板、下盖板和双腹板组成U 型梁箱形结构, 在侧梁内腔焊有隔板, 同时侧梁也作为空气弹簧的附加空气室使用。在侧梁上盖板中部加宽, 作为空气弹簧座, 在侧梁上盖板加宽部位与腹板间焊三角形加强筋。侧梁的上下盖板均为整体冲压成型, 避免了在侧梁上、下盖板上出现横向焊缝而影响整体强度, 也为构架的轻量化设计打下基础。
在两侧梁中部焊有横梁, 横梁由上、下盖板和腹板组成箱形结构。在横梁上焊接电机及齿轮箱吊座、横向减振器安装座和横向弹性止挡座。为了安装单元制动吊座, 在两侧梁的端部焊接有端梁。412 轮对、轴箱及其定位装置轮对轴颈中心距1 638 mm , 车轮踏面采用UIC 标准踏面S1002 。在轴身上加制一个制动盘安装座和齿轮安装座。
为降低车辆运行噪声, 减小对环境的污染, 车轮采用弹性车轮。弹性车轮在轮芯和轮毂之间加装橡胶弹性元件, 一方面可降低簧下质量, 减轻轮轨之间的冲击以及由此而产生的噪声, 橡胶本身也具有隔振和吸声能力。此外, 由于弹性车轮在横向、纵向和垂向均具有弹性, 可改善轮轨磨耗, 延长车轮的使用寿命和减轻环境污染。
国外有关试验和运用表明〔1〕, 轻轨车辆采用弹性车轮可降低车外噪声315～4 dB (A) , 车内噪声可降低3 dB (A) , 提高轮轨寿命30 % 左右。
弹性车轮的种类较多, 按弹性元件的受力特点主要有3 类: 承剪型、承压型和剪压复合型, 如图2 所示。3 种弹性车轮弹性元件结构不同, 承载方式也不一样。承压型难以解决轴向和径向刚度的合理匹配, 实际应用较少。承剪型由于可获得较大的径向弹性和较小的轴向弹性, 在垂直载荷和冲击载荷作用下的减振性能较好, 一度得以广泛使用。然而, 只有呈V 字形的剪压复合型综合了前两种弹性元件的优点, 可以实现径向和轴向弹性的合理匹配, 目前应用也最多, 故本方案采用剪压复合型弹性车轮。
轴箱悬挂采用轴箱两侧对称布置的圆锥形橡胶弹簧悬挂。采用这种轴箱定位装置能实现需要的三向定位刚度和无磨耗, 可充分利用橡胶弹簧的非线形特性满足城轨车辆载客量大的特点, 使车辆地板面高度变化较小。此外, 橡胶的阻尼特性可起到减振作用, 对提高构架的疲劳寿命、减少运行噪声有益。
4.3 中央悬挂装置
中央悬挂装置位于摇枕和转向架构架之间。为尽可能减少由于轮轨间产生的冲击传到车体, 中央主悬挂采用空气弹簧。空气弹簧系统由空气弹簧装置、高
图1 转向架结构方案图
图2 弹性车轮结构示意图1-轮箍; 2-T 型环; 3-环状橡胶; 4-外轮芯; 5-橡胶体; 6-轮芯。度控制阀、差压阀、附加空气室及相应的管道系统组成。空气弹簧设有节流孔, 可起到中央垂直减振器的作用。在摇枕和构架之间安装高度控制阀, 控制车体载荷变化时空气弹簧内的空气压力, 使空气弹簧的高度保持基本不变, 确保空重车情况下车辆地板面的高度在容许的变化范围之内。用差压阀将转向架左右两个空气弹簧联系在一起, 使两组空气弹簧的压差控制在允许范围之内。
为了改善车辆在直线上运行时的平稳性和曲线通过的安全性, 在构架横梁和摇枕之间对称布置横向弹性止挡; 斜对称布置的横向减振器可确保转向架具有良好的横向性能。在摇枕和构架之间安装抗侧滚扭杆装置, 以减小车体相对构架的侧滚角位移。
在摇枕和构架之间采用对称布置的双牵引拉杆牵引方式, 以传递牵引力和制动力。牵引拉杆一端同摇枕端部相连, 另一端连于构架的侧梁上。这种方式可避免两根牵引拉杆同时受压, 提高了牵引拉杆装置的稳定性。
4.4摇枕
为了使转向架能顺利地通过小半径曲线, 转向架采用有摇枕结构。摇枕直接坐落在空气弹簧上, 在摇枕中部安装平面心盘, 在摇枕端部安装旁承。当车辆通过小半径曲线时摇枕可绕车体枕梁回转, 这种结构可有效改善车辆通过曲线时空气弹簧的受力状况, 提高曲线通过能力。此外, 横向减振器、横向弹性止挡、抗侧滚扭杆、牵引拉杆、高度控制阀等部件直接与摇枕相连, 方便落车和启车。
为避免车体侧滚时出现刚性冲击, 转向架上设置常接触弹性旁承。由于有轨电车运行速度低, 对曲线通过性能要求高, 弹性旁承的回转力矩取较小值。
4.5基础制动装置
城轨交通站间距离短、制动距离要求高, 制动频繁, 故要求有较高的制动减速度。其制动装置除了满足安全可靠、操作灵活、检修方便外, 还应具有节能和环境污染小的特点。因此, 在设计方案中选用摩擦制动和动力制动联合作用的制动模式。
车辆在制动工况时, 牵引电机将转换为发电机, 将车辆的动能转化为电能反馈到电网上, 从而达到制动目的。对城市有轨电车而言, 动力制动是一种理想的制动方式, 一方面它可以节约能源, 同时也能减少环境污染, 节约运营成本。
