悬挂式单轨车辆转向架设计原理与结构组成

文/杨雨 王伯铭 杨俊杰

0 引言

随着城镇化建设步伐的加快，悬挂式单轨交通以其占地面积少、建设成本和运营成本低、编组灵活、环境友好以及良好的爬坡能力和曲线通过能力等优点，逐渐得到城市轨道交通系统建设者的青睐与关注。鉴于悬挂式单轨车辆有别于其他城市轨道交通车辆的结构特点，转向架设计对于悬挂式单轨车辆有其特殊意义，本文以某悬挂式单轨交通系统车辆为例，说明悬挂式单轨车辆转向架的设计原理与结构组成。

1 悬挂式单轨车辆总体规格参数

悬挂式单轨列车总体规格参数如表1所示。

2 悬挂式单轨车辆转向架

如图1所示，悬挂式单轨车辆转向架为两轴动力转向架，转向架由走行轮1、走行轮安全轮2、构架3、空气弹簧4、悬吊装置5、枕梁6、横向拉杆7、齿轮箱8、基础制动装置9、导向轮10、导向轮安全轮11和牵引电机12等组成。

表1 悬挂式单轨列车总体规格参数

图1 悬挂式单轨车辆转向架结构

走行轮和导向轮均采用充气橡胶轮胎，不仅有良好的缓冲减振效果，同时还降低了噪音污染；采用梯形车体悬吊装置，其上端通过中心销连接转向架构架，中心销通过尼龙套与构架内板接触传递列车的牵引力和制动力，下端通过车体安装座连接车体，这样不仅实现了转向架三个力的传递，同时满足了车体和转向架之间的相对运动；转向架在构架前后两侧安装有尼龙制的走行轮安全轮，可以保证车辆在橡胶轮胎破裂时低速行驶至安全位置；采用差速器结构，在车辆通过曲线时实现内外侧车轮以不同的速度转动，从而提高车辆的曲线通过性能，减少橡胶轮胎的磨损。

2.1 悬挂式单轨车辆转向架的传力原理

垂向力（即重力）的传力走向为：车体→悬吊装置→中心销→枕梁→空气弹簧→构架→走行轮→走行轨。

横向力包括离心力等。当横向力较小时传力走向为：导向轮→构架→空气弹簧+横向拉杆→枕梁→中心销→悬吊装置→车体；当横向力较大时传力走向为：导向轮→构架→弹性横向止挡→中心销→悬吊装置→车体。

纵向力（即牵引力或制动力）的传力走向为：走行轮→构架→中央牵引座→中心销→悬吊装置→车体。

2.2 悬挂式单轨车辆转向架主要组成部分

2.2.1 二系悬挂元件

二系悬挂元件是以空气弹簧为主的结构。车辆运行工况下，空气弹簧垂向刚度对导向轮最大导向力、走行轮最大垂向力的影响不明显，但对直线状态下车辆平稳性指标和曲线通过性能有影响。垂向刚度选择0.35MN/m；考虑走行轮的使用寿命，选取空气弹簧的纵/横向刚度为0.1MN/m。

2.2.2 走行轮与空心轴

空心轴为联系车轮与构架的互动关节，起着传递载荷、固定轴距的作用。走行轮轮辋与轮毂为螺栓连接，走行轮的驱动半轴穿过焊接在构架侧面的空心轴与齿轮箱的从动齿轮连接，齿轮与驱动轴的连接方式为键连接。空心轴部分的密封主要利用后盖和密封圈来完成。走行轮要严格控制空心轴的轴向定位，以实现走行轮轮距的准确给定。本文采用轴肩和轴承端盖配合使用的方法来解决轴上零件的轴向定位问题，由于走行轮为悬臂布置，在空心轴上采用一对轴承进行支承。

在垂向方向上，悬挂式单轨车辆上唯一与走行轨接触的部分即为走行轮。由于走行轮经常会由于磨损而更换或维修，为了便于走行轮在空心轴上的装拆，将空心轴做成了阶梯形，轴的直径由外向内逐渐增大；各轴段端部应有倒角过渡，装配时从外侧端部装入，拆卸顺序与装配顺序相反。

2.2.3 牵引驱动装置

在每个转向架的首尾两端各有一个牵引电机，其额定功率为65kW，额定转速为3000r/min。列车的牵引力通过电机轴输出端安装的联轴节传递至转向架差速齿轮组上，由差速齿轮轴通过走形轮上的驱动半轴将驱动力传递给走行轮。在联轴节与齿轮之间，装设有与汽车类似的差速器结构，可以使内外侧走行轮以不同的速度运行，以保证车辆有较好的曲线通过性能。联轴节与差速器安装在构架过渡部分和齿轮箱外壳内部。悬挂式单轨车辆齿轮传动结构为单级锥齿轮传动，结构简单，重量轻，易于维修。

2.2.4 基础制动装置

悬挂式单轨车辆的基础制动主要包括两部分：轴盘制动和驻车制动。

安装在走行轮轮毂侧的轴盘制动，在施行制动时，司机发出的制动信号首先传递给总风缸和风缸，然后通过空油转换装置将空气压力信号转化为压力油的压力信号，再将压力信号传递给制动盘上的夹钳，推动其活塞进行动作，最终实现依靠夹钳夹紧时与轴盘间产生的摩擦力使列车减速。

驻车制动的主要作用是使已经停止的列车驻留原地不动。设备包括制动盘和单元制动器，安装在转向架前后两个端部，制动盘与牵引电机轴直接相连，利用弹簧储能器进行制动。

根据驱动半轴直径的需要，结合悬挂式单轨车辆的轨距、走行轮轮宽实际尺寸，确定空心轴的内径为65mm，最小外径为78mm，并且分为四段：第一段为空心轴直径最小的部分，有套筒安装在此段并与轮毂有间隙配合；第二段直径稍大，有轴承安装在此处；第三段直径较第二段更大，两处轴承在此处与轮毂凸台共同形成轴向定位；最后一段在轮毂内侧利用后盖和密封圈进行密封。确定空心轴总长度为285mm；自轴承宽的中心处，两中心轴线距离100mm。

2.2.5 悬挂式单轨车辆构架

（1）构架设计原则

根据悬挂式单轨车辆的设计要求，构架需要承担以下部件的安装和载荷：为车辆运行提供动力的牵引电机两组，分别安装在构架的两端；走行轮4组；对走行轮直接提供转矩的齿轮箱两组；为提高车辆曲线通过性能而设置的差速器和差速器保护结构以及联轴节；起缓冲减振作用的空气弹簧和设置防侧滚的横向拉杆及与其配合的枕梁结构。

在进行悬挂式单轨车辆转向架构架设计时，需要遵循以下设计原则：全面考虑构架与各零部件的相互位置，合理布置结构；应尽可能将构架各梁设计成等强度梁，以保证获得最大强度和最小自重；构架各梁的布置应尽可能对称，以简化制造工艺；注意减少结构的应力集中；选择合理的焊缝结构尺寸和布置，消除焊接应力。

（2）构架结构

如图2所示，悬挂式单轨车辆转向架构架采用钢板焊接和螺栓联接结合的整体承载结构，按照构架的功能性及连接部件类型划分，构架主要由牵引电机外壳1、构架过渡部分2、齿轮箱外壳3、构架中间部分4、走行轮空心轴5、走行轮安全轮安装座6、导向轮安装座7以及横向拉杆安装座8等组成。转向架构架整体呈圆通型结构，设备基本对称布置，整体转向架构架整体结构紧凑，拆装方便，安全可靠。

图2 悬挂式单轨车辆转向架构架

构架各个组成部分主要为焊接结构，包括构架中间部分4、齿轮箱外壳3和构架过渡部分2等结构部分。齿轮箱外壳3与构架中间部分4组焊为一个整体，走行轮安全轮安装座6焊接在构架过渡部分2的下方，构架过渡部分2与齿轮箱外壳部分3采用螺栓联接。导向轮安装座7焊接在牵引电机外壳3两侧，横向拉杆安装座8焊接在构架中间部分4上，走行轮空心轴5悬臂焊接在齿轮箱外壳3侧面，牵引电机通过牵引电机外壳3采用螺栓联接在构架过渡部分2及走行轮安全轮安装座6的整体焊接结构上。

（3）构架设计方案

悬挂式单轨车辆的转向架构架设计为整体长圆筒形全对称结构。为避免长细型结构焊接产生较大的焊接变形，构架采用钢板焊接结构和螺栓联接结构相结合的结构形式。按照结构组成形式，将悬挂式单轨车辆转向架构架分成主构架（包含图2中的件号3、4、5、8）、副构架（包含图2中的件号2和件号6）和牵引电机外壳（包含图2中的件号1和件号7）等三部分。主、副构架采用Q345E全钢板焊接结构，厚度为8mm，法兰盘厚度为16mm；空心轴采用20Cr材质，与齿轮箱侧板采用周圈角焊的形式焊接在一起；牵引电机外壳采用球墨铸铁材料。上述各部分之间采用螺栓联接而成整体，副构架与主构架之间通过14个8.8级M24×50 螺栓联接，牵引电机外壳与副构架之间通过14个8.8级M20×40螺栓联接。由图2可知，副构架和牵引电机外壳各有两组，沿构架纵向关于主构架对称分布。主构架、副构架三维结构分别如图3、4所示。

牵引电机外壳部分安装牵引电机和驻车制动盘，主要包括靠近中部的散热孔轴段（与副构架螺栓连接）、牵引电机外壳段以及外壳端盖三部分。驻车制动的制动盘通过螺栓安装在电机外壳端盖上，导向轮安装座直接对称焊接在圆柱外侧。散热段与牵引电机外壳段合并铸造成一体；端盖单独铸造，两部分通过焊接方法连接起来，制动盘安装对称分布于构架的两端，中央有一通孔，有一轴由电机输出端引出。牵引电机外壳结构如图5所示。

图3 悬挂式单轨车辆主构架三维结构

图4 悬挂式单轨车辆副构架三维结构

图5 悬挂式单轨车辆牵引电机外壳三维结构

（4）构架强度计算

本文采用有限元法对悬挂式单轨车辆转向架构架进行了静强度分析。载荷工况按照UIC 615-4及DIN EN 13749：2011-06中有关BIII及BIV 型车相关要求确定。构架有限元模型选用solid 95单元，单元数453095，节点数850014。构架有限元模型以及构架应力模型分别如图6、7所示。

在各载荷工况下，构架上各节点的von_Mises 最大等效应力不得超过材料屈服强度σs和安全系数的比值。参照国际铁路联盟试验研究报告ERRI B12/RP17推荐构架母材区域安全系数取1.0，焊缝区域安全系数取1.1，相应Q345E钢板许用应力[σ]=345（母材）或313N/mm2（焊缝）。

计算结果表明，在所有工况中，最大的应力值为188.473MPa，与材料母材的许用应力相比，安全系数达到1.8，焊接构架的强度满足设计要求。

图6 悬挂式单轨车辆构架有限元模型

图7 悬挂式单轨车辆构架应力模型

3 结束语

本文主要基于悬挂式单轨车辆系统主要规格参数，分析了悬挂式单轨车辆转向架传力路径；提出了悬挂式单轨车辆转向架设计原理，详细说明了转向架总体结构及各主要部分组成、作用和材料选择以及载荷情况；重点说明了构架静强度计算的方法和流程，并对结果进行评估。