轮对轴箱装置轻量化设计探讨

董 磊

（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司,长春 130000）

轮对轴箱装置轻量化设计探讨

董 磊

（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司,长春 130000）

具有轻量化的转向架轮对轴箱装置，对车辆来说是一个非常重要的技术经济指标，而要达到结构设计的轻量化，在选用材料和合理化设计方面是值得研究的课题，本文对降低簧下质量的方法进行了总结，对现有车辆轮对轴箱装置的轻量化进行了论述。

轮对；轴箱装置；轻量化；设计

铁道车辆转向架的设计过程中，降低簧下质量意味着轮轨间的冲击能量就会减小，对改善车辆运行平稳性和减小轮轨间动作用力具有重要影响。簧下质量是指轮对轴箱装置的重量，主要包括车轴、车轮、轴箱、轴承、压板、前盖等。簧下质量轻量化主要需对这些部件进行轻量化设计。总体上来看，实现轻量化的途径主要有两个，一是合理优化结构设计，二是采用新材料。

1 轻量化设计的意义

1.1 减小列车的阻力

减少列车的阻力，主要是运行阻力。运行阻力一般表达式为（a+b.v）.W+c.v2(其中a,b,c是对应于车辆的常数，v为速度，W是车辆重量)，故轻量化能使运行阻力下降。

1.2 节约牵引能

能量的节约主要是由于减小了列车阻力，使加减速及高速运行时所需要的牵引力减小。据统计，京津高速铁路平均每人耗电7.5度（全长120公里，CRH3，350公里、小时，29分钟）

1.3 减少制动的能耗

轻量化对减轻制动的负担有很大的效果。

1.4 环境保护-减轻噪声和振动

日本300系列高速列车，在车速270公里/小时，25米远处噪声为25dB。

1.5 降低了线路的维护保养费用

自身重量降低，给线路带来的压力越小，从而降低了线路的维护保养费用。

1.6 提高了车辆运行平稳性

由于轻量化对运行稳定性指标的轮重、横压有所减轻，是轴重变化范围小以及横压减少，从而改善了高速时的运行稳定性。

2 轮对轴箱装置的轻量化设计

2.1 车轴

车轴是转向架轮对轴箱装置中重要的部件之一，直接影响车辆运行的安全性，又是转向架簧下质量的主要组成部分，根据承载重量的不同，客车车轴分为B、C、D型车轴，设计时应在满足承载要求的前提下，合理确定车轴的型号。为了降低车轴质量，出现了空心车轴， 我国200km/h先锋号动车转向架车轴所采用的是轴径150mm、重360kg的空心车轴。80km/h城轨客车转向架所选用的是轴径120mm、重352kg的实心车轴；120km/h和160km/h铁路客车转向架采用的是轴颈130mm，重量是418kg的实心车轴。空心轴比实心轴可减轻20%～40%的质量，一般可减轻重60～100kg，甚至更多。而由于车轴主要承受横向弯矩作用，而最大弯矩应力与其抗弯断面模数成反比，故截面中心部分应力很小，制成空心后，对车轴强度影响很小。空心车轴减重效果明显，对于高速车辆来说，降低簧下部分质量对改善车辆运行平稳性和减少轮轨动力作用有重要影响。另外，还可以从车轴内孔处对车轴进行超声波探伤，实现了简化检查的要求，目前引进的200km/h、300 km/h动车组转向架动车和拖车均采用空心车轴。

2.2 车轮

车轮质量的大小直接影响着转向架的簧下质量。轮径小，可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴距；但轴承转速增加，阻力增加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗加快，同时，小直径车轮通过轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响也较大。我国目前城轨车辆使用的车轮轮径为840mm、860mm，铁路客车采用的车轮轮径为915mm。出口车辆采用过轮径为860mm、920mm的车轮。车轮直径的选取需与整车的要求相一致，又要与转向架相适合，而国内干线铁路车辆车轮直径在选用上已经成为标准，很难再进一步降低轮重。

从新材料的角度来看，国外已经开始研制玻璃钢轮心，车轮由钢质车箍、玻璃钢轮心和钢质轮毂三部分组成，车轮质量至少降低20%(100kg左右)。但目前也只是停留在试验研究阶段，距实际应用还有一定距离。

2.3 轴箱和轴承

减小轴箱、轴承部分的质量是降低簧下重量的重要措施。城轨客车转向架从北京国产化项目开始采用精密铸件轴箱和短轴承。北京城铁轴箱组成中，轴承采用的是内径210外径240宽为160的分体式非自密封轴承，轴承重量为35Kg。而北京国产化、天津地铁及北京地铁5号线均选用的是SKF公司生产的内径120外径215宽为146的整体自密封小直径轴箱轴承，轴承重量为22.1 Kg。该轴承具有尺寸更小，重量更轻，密封性好，维修周期更长等优点，减少了维护的工作量和费用。自密封小直径轴承比非自密封大直径轴承轻13.4Kg。轴承外径的减小带来轴箱孔径的减小，由于采用小直径轴承，相应地缩小了轴箱的尺寸，相应轴端前盖的重量也由11.23 Kg降低到7.8 Kg，降低了簧下质量，提高了运行品质；同时增大了轴箱与轴箱簧之间的安全间隙。高速车辆采用的自密封双列圆锥轴承或圆柱轴承对于轴承质量的降低也是有利的。

城轨客车转向架从北京国产化项目开始采用精密铸件轴箱，短轴承和车轴、小直径860mm车轮和短轴距的转向架，其质量比一般转向架轻。对于高速车而言，CRH2型车的轴箱采用铝合金制作，铝合金轴箱的重量只有原来的50%左右，能够更加有效的降低簧下质量。由此可见，降低轴箱组成的重量是轮对轴箱组成轻量化的关键。

3 结论

簧下质量的降低不仅对改善车辆运行平稳性和减小轮轨间动力作用具有重要影响，也有利于节约成本。由于质量的减轻，改进了车辆的自重系数，有助于补偿重载车辆的运营而带来的线路维修费用的增加。通过减轻转向架的质量和每辆车的自重，可使车辆多承载乘客而仍保持总重不变。在列车运营中，可使用较少的列车往返行程而运载同样净重的乘客。在线路维修、车辆投资和保养、燃料和乘务员花费等方面都可节约费用。

[1]刘仁民.转向架轻量结构设计的材料选择和制造工艺问题的探讨[J].铁道车辆.

[2]周春平.基于结构拓扑优化的高速动力车转向架构架轻量化的研究[J].西南交通大学.