米轨现代有轨电车的独立车轮轮轴装置设计

葛方顺，张会杰，周业明，任利惠

（1 同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804；2 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

低地板现代有轨电车以其便于登乘、乘坐舒适、环境友好、建设成本低等特点受人喜爱，已经成为了一种新型城市轨道交通形式，在国内外具有广阔的发展前景[1−2]。目前我国新建的现代有轨电车均采用准轨轨距，但在国外仍保留有许多米轨线路。为了利用既有的米轨线路，研制米轨现代有轨电车具有现实需求。轮轴装置是实现现代有轨电车客室低地板的关键，也是米轨现代有轨电车转向架的核心装置，因此设计适用于米轨线路、实现客室低地板的轮轴装置是开发米轨现代有轨电车的关键之一。

1 概 述

1.1 准轨现代有轨电车的典型轮轴结构

准轨现代有轨电车的轮轴主要有两种结构:小轮径刚性轮对和独立车轮轮对。

采用刚性轮对的低地板有轨电车转向架大多采用轴箱内置结构，即轴箱结构位于左右两车轮之间，这种布置使得转向架结构紧凑，易于在车轮外侧布置驱动装置。轴箱内置结构通常由轴箱体、滚动轴承、轴箱前盖、轴箱后盖等组成，如图1 所示[3]。滚动轴承一般采用圆锥滚珠轴承，既能承受径向力，又能承受横向力。

准轨低地板有轨电车的独立车轮轮对通常采用轮转轴不转结构，如图2 所示[3]。车轮通过两组半径不同的圆锥滚珠轴承与车轴连接，因此不再需要设置轴箱体。一系悬挂通常直接安装在轴桥上，而制动盘则设置在车轮的外侧，与车轮固接。

1.2 国外米轨低地板有轨电车转向架

图1 准轨刚性轮对的内置轴箱结构

图2 准轨独立车轮轮对的轮轴结构

Bombardier 公司Cityrunner 系列米轨低地板有轨电车采用的是S1000 型小轮径刚性轮对转向架。由于左右车轮之间的车体部位需要设置贯通道，受轨距限制，米轨转向架需要采用构架外置结构才能实现低地板结构。受车轴高度的制约，Cityrunner 系列米轨现代有轨电车转向架上方客室高度在500 mm 左右，高于客室其他部位，使得客室只能采用斜坡过渡，转向架如图3所示。

图3 S1000 米轨转向架

Siemens 公司Combino 系列米轨转向架采用的是纵向耦合独立车轮转向架，同样采用构架外置结构。为满足低地板客室要求，Combino 米轨转向架的轴桥设计成“C”字形，从车轮的外侧绕过，如图4 所示。

图4 Combino 米轨拖车转向架

Alstom 公司的Correge 动力转向架采用的是独立车轮转向架。与其他有米轨转向架类似，Correge 转向架也采用了构架外置和独立车轮结构，以保证客室过道的高度与客室其他位置一致。左右独立车轮通过车轮外侧的口字形轴桥连接。相比于Combino 的C 形轮轴结构，口字形轴桥的受力条件更好，如图5 所示。

1.3 米轨现代有轨电车设计分析

对于米轨有轨电车，采用小轮径刚性轮对实现低地板的方案比较简单，只要将轴箱移动到车轮外侧，轮对、车轴与轴箱的结构均不需要做大的改动。但使用小轮径刚性轮对使得转向架的部位的地板高度高于客室高度，并不是严格意义上的100%低地板车辆。采用独立车轮转向架可以保证客室内的高度一致，借鉴国外米轨转向架设计方案，独立车轮转向架轮轴系统也采用构架外置的方案。相应地，轴桥与轮对结构都需要修改，无法直接借用准轨独立车轮转向架的轮轴结构。因此，米轨独立车轮转向架轮轴装置的结构与准轨转向架轮轴系统区别较大。基于上述分析，提出了一种米轨独立车轮转向架轮轴装置的设计方案，并对轮轴装置的静强度进行了校核。

图5 Correge 动力转向架

2 米轨轮轴装置设计

2.1 轮轴总体方案

为了满足有轨电车客室全部为低地板的要求，米轨转向架的轮轴装置采用独立轮对系统，左右车轮在旋转方向解耦，使得两侧车轮能够以不同角速度旋转，使用纵向耦合的方式驱动车轮旋转。车轴使用轴桥代替，起到安装基础与横向固定的作用，普通的下凹式轴桥的轴承安装在车轮内侧，无法满足客室过道宽度的需求。将轴桥移到车轮的外侧，同时将驱动装置与制动装置也全都移到构架外侧，驱动装置与轴箱都移到构架外侧之后，不能继续使用半轴连接轴桥，需要进行车轴轮芯一体化设计。轮轴装置最终总体设计图如图6 所示。

图6 米轨现代有轨电车轮轴系统设计方案

米轨独立轮轴转轴的主要参数如表1 所示。

2.2 车轮与轴箱

车轮与车轴采用一体化结构，即将车轴与车轮的轮芯设计成一体，如图7 所示。车轴（轮芯）呈阶梯状的结构，从车轮向外延伸，通过轴承与轴桥配合，形成轴箱结构。轴箱内部设置一大一小两个圆锥滚子轴承，大轴承靠近车轮，小轴承远离车轮，轴承内圈与车轴（轮芯）过盈配合，轴承外圈与轴桥上轴箱体过渡配合。大轴承选用 SKF 公司的 T4EE160/VB406，外径 245 mm，内径160 mm，宽 度 61 mm。 小 轴 承 选 用 SKF 公 司 的32026X，外径200 mm，内径130 mm，宽度45 mm。

表1 独立轮轴系统技术参数表

轴箱体与轴桥采用一体化设计。轴箱前盖通过过盈配合安装在轴箱体的内端，与轮芯外端面形成迷宫式密封。轴箱后盖通过螺栓安装在轴箱体的外端，与法兰盘形成迷宫式密封。轴端的法兰盘通过螺栓与轮芯紧固连接。通过法兰盘与制动盘或者驱动装置的联轴节相连，实现车轮的制动或者驱动。

车轮采用弹性车轮结构，轮毂与橡胶元件过盈配合，橡胶元件与轮芯过盈配合，同时橡胶元件被轮芯与压环夹住，再使用压环螺栓固定。

在轮芯内侧开槽安装接地装置。接地装置外圈与轮芯连接，内圈与轴桥上伸出的安装座连接，这样车轮在旋转的时候，接地装置内圈是与轴桥一起固定不旋转的，接地电流通过接地装置内外圈之间的碳刷来传递。

轴箱的组装过程如下:

图7 车轮与轴箱剖面图

（1）首先组装弹性车轮，然后将大轴承压装到车轮轮芯；

（2）将轴箱前盖压入轴箱体；

（3）将轴箱体和轴箱前盖与弹性车轮组装；

（4）将小轴承压装到车轮轮芯；

（5）将轴箱后盖组装到轴箱体；

（6）法兰盘通过螺栓紧固到轮芯端部。

轴箱拆卸工艺过程如下:

（1）拆卸法兰盘和轴箱后盖；

（2）高压注油，将轴承与车轮轮芯分解；

（3）轴箱体与大小轴承分解；

（4）拆卸轴桥前盖。

2.3 轴桥

轴桥采用一体化结构，由轴箱体和轴身两部分组成，呈封闭的“口”字形，如图8 所示，在轴箱体的外侧沿纵向设置一系橡胶弹簧的安装座。轴桥结构采用铸焊结构，轴箱体采用铸造结构，轴身采用锻造结构，两者通过焊接连接，热处理后整体加工。由于轴身部分主要承受弯曲载荷，为了减重将轴身断面设计成了C 字形，这样也使得轴身的铸造更加方便。

图8 轴桥结构

2.4 轮缘内侧距校核

假设文中设计的转向架用于单车体形式的有轨电车。单车体形式的有轨电车通过曲线时，车体与转向架将产生较大的夹角。为了保证客室过道具有一定的宽度，必需要对轮缘内侧距进行校核。

其中，w为轮缘内侧距；S为轨距；Sp为轮轨游隙；d为新轮的轮缘厚度；d1为客室过道宽度；d2为车体结构厚度；α为车体与转向架最大夹角；D为轴距；rf为车轮最大半径。

各参数的取值与计算值如表2 所示。

计算得到轮缘内侧距为950 mm，客室过道宽度为620 mm，即当客室过道宽度设计为620 mm 时，满足过曲线转向架与车体夹角为最大时，车体不与轮缘接触的要求。为了安全，设计车体与轮缘之间安全裕量为5 mm，这时客室过道宽度设计为615 mm。

表2 车轮结构参数表

3 轴桥静强度校核

轴桥作为独立轮对的关键部件，其强度直接关系到车辆的安全性，因此有必要对轴桥结构强度进行计算分析。

3.1 有限元模型

为了更好的模拟轴桥的受力条件，建立了整个轮轴装置的有限元模型。有限元模型中，所有零部件均采用四面体网格单元C3D10 单元。弹性车轮的所有零部件默认采用直接固联连接，轴承简化为与轮芯同种材料。车轮的轮毂采用ER9 材料，轮芯与压环采用30CrNi-Mo9 材料，轴桥使用 ZG310−570 材料。

橡胶是非线性材料，不能使用杨氏模量与泊松比表达它的性质，这里使用简化的两参数Mooey−Rivlin模型

有限元分析中所需的常数C10和C01一般由试验确定。设计阶段在保证弹性车轮的刚度条件下，根据相关文献[4]选择硬度为75 HS 的橡胶，则有参数C01=2.9，C10=0.726。

3.2 计算载荷

轴桥是独立车轮轮对特有的结构，目前为止还没有专门用来校核轴桥强度的标准[5−6]。依据构架强度标准EN 13749 中的载荷，并根据力的传递性，计算轴桥上一系弹簧安装座的载荷，对轴桥进行校核。

按照EN 13749 标准，作用在车体上的纵向力、横向力、垂向力和风力分别为：

式（4）～式（7）中，车体总质量

其中:Mv为 AW0 工况车体质量；P1为载客质量；nb为每个车体的转向架个数；m+为转向架质量；Aw为车体单侧面积；c是常数；q是风载荷。

作用在构架重心的纵向力、横向力和垂向力分别为:

其中m2为转向架簧上质量

由于一系弹簧所受到的载荷是车体与转向架簧上质量的载荷代数和，所以将上面两种载荷相加就可以得到轴桥一系弹簧安装座上的载荷。根据EN 13749 标准，车体与构架的计算载荷参数的参考值如表3所示[7]。

表3 车体与构架计算载荷参数的参考值表

代入相关数值之后可以得到载荷，如表4 所示。

在有限元模型中，纵向力和横向力施加在一系弹簧安装座的圆柱半面，垂向力施加在一系弹簧安装座的上表面。按照列车运行的规律，在弹性车轮踏面与轨道接触点施加垂向与纵向约束，在轮缘与轨道接触点施加单向横向约束。

3.3 静强度校核结果

图9 给出了轴桥在曲线通过和道岔通过计算工况中的Mises 应力云图，其中曲线通过时轴桥的最大应力为201.4 MPa，道岔通过时最大应力为149.87 MPa，两种工况的最大应力部位均位于大轴承安装外表面与一系安装座的过渡处边缘；两个工况下各零件Mises 等效应力都小于材料屈服强度，并且静强度安全系数大于1.5。

表4 计算载荷 kN

图9 轴桥的应力云图

4 结束语

设计了一种适用于米轨线路的现代有轨电车独立车轮的轮轴装置。该轮轴装置采用车轴轮芯一体化结构、轴箱外置和口字形轴桥，满足了轮轴上方客室通道的低地板需求，并可根据需要安装制动盘或驱动装置的联轴节。依据EN 13749 标准的载荷分析了轴桥的强度，有限元分析结果表明，轴桥的静强度满足要求。