铰接式列车铰接装置结构特点与应用研究

马德瑞，戴焕云

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

1981年法国TGV系列高速列车正式运营，这使该系列列车成为最早使用铰接连接方式的高速客运列车。TGV系列高速列车曾于1972年、1980年、1990年、2007年4次刷新轨道车辆世界最高试验速度，展示了其先进的性能。TGV铰接式高速列车(图1)的成功运用，证明了转向架铰接这一形式是可用、实用的。在轨道车辆上，铰接式列车仍具有运用价值。

图1 铰接式列车示意图

1 铰接式列车的主要特点

与传统车钩连接列车相比，铰接式列车在车辆总体布置和转向架结构上有较大不同，主要的结构变化及其影响为：

a)相邻车体共用一个转向架，减少了整列车转向架的使用数量，减少了整列车的轮对数。

转向架使用数量的减少，降低了制造成本，减轻了车辆自质量，减少了来自转向架的空气阻力[1]，但单台转向架的承载能力、制动能力都要增加。

轮对数的减少，使整列车运行时的轮轨阻力减少，轨道激励的输入位置改变且输入量减少，轮轨噪声减少。同时列车对轴质量的利用更充分，在满足17t轴质量的前提下，整列车轴数减少，对轨道的损害自然减少[2]。

由于转向架布置在车体最外侧，铰接式列车比传统列车更容易实现低地板。车体中段地板高度降低后，车体质心下移，也会增强横向稳定性[3](图2)。

图2 铰接式低地板列车示意图

b)取消了车钩，使用铰接装置承担其功能。

铰接式列车各节车之间由铰接装置和多个横向、纵向减振器相连。和车钩连接相比，铰接连接对车体间相对运动的约束更足，使列车整体性更好，提高了安全性，在应对脱轨事故时比传统列车有更好的表现[4]。

法国TGV系列铰接式高速列车曾多次发生脱轨事故(图3)，速度较高的两起事故分别发生于1992年12月13日和1993年12月21日，时速分别为270km/h和294km/h。在这两起脱轨事故中仅有1位车上乘客受轻伤，说明列车在时速接近300km/h时发生的脱轨事故中仍然能保持车厢的直立和完整。

图3 法国TGV列车脱轨事故

在脱轨事故中，铰接装置的良好表现可以归结为其对车体间相对运动的约束较为充足，具体原因是：

1)约束了车体间绕x轴的相对转动，保证了车体直立不倾覆；

2)约束了车体间绕y轴的相对转动，保证了列车制动时的纵向冲动沿线路方向传递，防止各节车辆扭动折叠，抑制更多转向架的脱轨进而破坏整列车的连接完整性；

使用铰接装置的缺点是列车不易解编，发生故障时维修难度大。

2 铰接装置的结构形式

为满足不同的使用条件和设计需求，各型铰接式列车所使用的铰接装置的结构形式并不统一。以往对铰接装置的介绍都是按具体型号一一列举。但从功能上看，无论结构形式如何改变，各种铰接装置都需要代替车钩缓冲器实现连接、回转、缓冲等功能。不同结构形式实现了相同的功能，具有一定共性。同时作为铰接式转向架的一部分，转向架的承载方式也会对铰接装置的形式产生影响。因此，本文选择从铰接式转向架的承载方式和铰接装置的回转方式两方面进行一般性的分类总结，介绍铰接式列车铰接装置的结构形式。

2.1 承载方式

铰接式转向架的承载方式常见有3种：摇枕两点承载、无摇枕两点承载、无摇枕四点承载。

有摇枕两点承载的转向架采用一对空气弹簧支撑车体质量，其回转装置安装在摇枕上，通过摇枕连接转向架。该承载方式结构简单，与传统转向架相比结构变化较少，然而安装在摇枕上的回转装置同样需要传递垂向载荷，增加了回转装置的设计难度(图4)。

1—构架；2—轮对轴箱组装；3—整体起吊；4—牵引装置；5—二系悬挂；6—摇枕；7—一系悬挂；8—车轴；9—车轮；10—A连接臂；11—B连接臂；12—制动盘；13—基础制动夹钳；14—回转支撑。

与有摇枕两点承载方式相比，无摇枕两点承载同样只使用一对空气弹簧作为二系悬挂，但该方式需要对车体端部结构进行修改，增加部分车端结构起到类似摇枕的功能，用于连接空气弹簧。这造成车体前后两端结构不同，一端为支承端用于连接空气弹簧，另一端为铰接端用于连接相邻车体。铰接端与支承端相互交叠，铰接端车体的垂向载荷先传递至支承端车体，支承端再将全部垂向载荷传递至空气弹簧。此承载方式下车体为三点支撑：铰接端一点支撑，支承端两点支撑，因此需要提高车体的抗侧滚能力[5]。和有摇枕两点承载方式一样，其回转装置也需要传递垂向载荷(图5)。

图5 无摇枕两点承载示意图

无摇枕四点承载方式采用两对空气弹簧分别连接相邻车体，两车体的垂向载荷独立传递至共用的转向架。采用该承载方式的铰接式车辆，车体两端结构相同，所有车体均为四点支撑，与传统车辆相比变化较少。因空气弹簧数量上的变化，需要重新考虑车辆地板的高度控制方案，可以将一个转向架上的4个空气弹簧联通并设置一个高度调节阀来进行控制[6]。另外，为了防止空簧故障失气引起的车轮载质量不均，除了像传统转向架那样用差动中继阀连接左右空气弹簧外，还应使前后两排空气弹簧相互连通。当转向架上的一个空气弹簧失气时，相关转向架上的所有空气弹簧都将被放气(图6)。

图6 无摇枕四点承载示意图

2.2 回转方式

铰接装置的回转方式常见有3种：转盘式、橡胶关节式、橡胶球心盘式。

转盘式回转装置使用三环回转支承实现车体间的相对转动。回转支承分为内中外三环，中间环固定于摇枕上，相邻车体中一车体通过A节车连接臂与支承盘外环相连，另一车体通过B节车连接臂与支承环内环相连。通过曲线时，相邻两车通过转盘轴承的转动实现相对转动。回转支承需要承担列车运行时车体自质量和乘客质量带来的垂向载荷、侧风和通过曲线时离心力产生的横向载荷、牵引力、制动力、冲击等纵向载荷以及载荷分布不均和冲击影响产生的倾覆力矩。为保证列车的转向稳定性，回转支承必须转动灵活无卡滞并有一定摩擦力矩，能够承受高温、暴雨、腐蚀等环境影响[6](图7)。

图7 转盘式示意图

橡胶关节式回转装置结构如图8所示，安装座通过螺栓连接安装在相邻车体端部，橡胶关节穿过安装座上的圆孔连接相邻车体，利用关节中橡胶层的弹性变形提供相邻车体相对运动的自由度。橡胶关节是该回转装置的核心部件，需要适应相邻车体偏转、扭转等相对运动，因此其刚度的选择非常重要。理想的橡胶关节垂向刚度、横向刚度需要尽可能大，而在一节车体相对另一节车体发生左右扭转或侧滚时的刚度需要尽可能小[7]。由于橡胶关节承受的载荷较大，所以对橡胶关节的定位也十分关键。

图8 橡胶关节式示意图

橡胶球心盘式回转装置结构如图9所示。铰接端车体的上心球盘搭接在支承端车体的下新球盘上，通过销轴实现连接和定位。两球盘间设有锥形橡胶堆，提供三向阻尼和刚度。车辆过曲线时，通过锥形橡胶堆的弹性变形实现相邻车体间的相对转动。

图9 橡胶球心盘式示意图

转向架承载方式和铰接装置回转方式相互组合构成铰接式转向架，实现相邻两车体的铰接连接，常见的组合形式为：有摇枕两点承载搭配转盘式回转装置、无摇枕两点承载搭配橡胶球心盘式或橡胶关节式回转装置、无摇枕四点承载搭配橡胶关节式回转装置。

3 国内外应用情况

铰接式列车在欧洲应用较多，其中多数为区域通勤车辆，较为典型的有瑞士Stadler铁路车辆公司的FLIRT系列、法国阿尔斯通公司CORADIA LIREX系列、加拿大庞巴迪公司Talent系列，西班牙CAF公司Civity系列。在高速列车中，使用铰接连接的车辆有法国TGV列车和西班牙Talgo列车。

TGV系列高速列车采用了无摇枕两点承载和橡胶球心盘式回转装置。随着法国高速铁路的建造共发展出五代[8]。第一代运行于巴黎与里昂之间的东南线，采用Y231型转向架，使用直流电机。一系定位方式为锥形橡胶堆定位，二系悬挂使用高柔钢圆簧，抗侧滚刚度大。第二代运行于大西洋线与北方线，采用Y237型转向架，使用交流电机。一系定位方式为转臂式定位，二系悬挂使用空气弹簧并加装抗侧滚扭杆。第三代为双层列车，采用改进自Y237的Y237-A型转向架以适应增加的列车高度。第四代TGV-POS运营于法国东部线，于2007年以574.8km/h的速度创下轮轨车辆的最高速度纪录。第五代为AGV列车，该系列突破了铰接式动力转向架技术为动力分散型列车。TGV系列铰接式转向架技术曾被出口，西班牙AVE型高速列车，韩国TGV-K型高速列车均使用了TGV系列的铰接技术(图10)。

图10 TGV铰接式转向架和车体连接结构

西班牙Talgo列车融合了单轴独立旋转车轮、铰接连接、摆式列车、可变轨距等技术为一体，所采用的转向架结构独树一帜，被称为门架式转向架(图11)。

图11 Talgo列车转向架

Talgo列车可被认为采用了无摇枕两点承载方式，铰接端车体通过承载杆悬挂在支承端车体承载杆铰接座，支承端车体端墙上部装有盆形支座用以连接高位空气弹簧，将载荷传递至转向架。承载杆、旋转支撑、水平杆组成的连杆机构保证了相邻车体具有相对运动的自由度，高位空气弹簧能够实现车体倾摆。与常见的铰接式转向架不同的是Talgo列车使用牵引车钩实现相邻车体的连接、回转(图12)。

图12 Talgo列车车体连接结构

我国最早于1995年开始研制了试验型铰接式高速列车。研制过程中，仿制了第三代双层TGV列车使用的Y237-A型转向架和欧洲之星列车的铰接装置并应用于该型试验列车，确定了以两个端部模拟半车体、一个中部模拟车体、两个铰接式转向架组成的最小铰接连接结构单元为研究对象[9](图13)。试验列车进行了静强度试验、疲劳试验、模态试验及滚动振动试验，最高滚动试验速度393.7km/h，最终于2002年通过了铁道部验收。

图13 试验型铰接式转向架及车体连接结构

近年来中国公司生产的多型铰接式列车成功出口海外。2012年株洲电力机车公司生产的铰接式列车出口至土耳其伊兹密尔轻轨线，该列车采用有摇枕两点承载方式和转盘式回转装置[10]。2015年株洲电力机车公司生产的铰接式列车出口至马其顿国家铁路，该列车采用无摇枕四点承载方式和橡胶关节式回转装置[11]。2018年长客股份公司出口至吉隆坡机场线和2020年株机公司出口墨西哥蒙特雷轻轨线的列车同样应用了铰接连接技术。

4 结语

铰接式列车具有成本低、运行阻力小、曲线通过性好等优点，从欧洲的应用情况来看，被证明在城市、区域轨道交通领域有一定优势。故研究应用与传统车辆不同结构、类型的轨道车辆，能够增加技术储备，可使轨道车辆契合更多应用场景的需求。