城轨车辆铰接式转向架的结构设计

摘要城市轨道交通在当今社会已经占据了举足轻重的地位，对于人们的日常生活和现代社会的经济发展起着至关重要的作用。铰接式转向架结构形式上和常规转向架相比并无太大区别，因此仍然属于常规转向架的一种。但是铰接式转向架的工作位置与传统车辆中常规转向架的位置不同，铰接式转向架设置在相邻车辆的连接处。由于这种特殊性，使得铰接式转向架相对于常规转向架既有优势也有不足之处。在我国，铰接式转向架车辆的应用还比较少，在大规模建设城市轨道交通系统的初期，联系国内目前城轨车辆的实际发展情况，充分吸收国外的成功经验，研发拥有自主知识产权的城轨车辆铰接式转向架，如此一来便能够有效改善城市交通拥堵的状况，积极推动城轨系统的建设，从而对保护环境和提高人们的生活质量方面起着积极的作用。关键词：铰接式转向架，结构特点，结构组成，设计绪论目前轨道交通已经俨然成为目前社会陆上交通运输的重要组成部分之一，对于人们的日常生活和现代社会的经济发展起着至关重要的作用。上世纪初，西方国家城市化进程开始加快，各种问题随着城市规模的扩大也随之而来，在这样的环境下急需一种适合未来城市焦勇的运输系统。以此为契机城市轨道交通的雏形开始构成。经过几十年的发展和完善，如今轨道交通已经成为一种相对独立的交通系统，在城市轨道公共交通系统中扮演着至关重要的角色。进入二十一世纪后，我国经济随着社会进步持续发展，尤其是随着工业化进程的不断加速，大中型城市的人口急剧增加，接踵而至的是城市交通拥堵的问题，在这种压力下，单单依靠传统的公路交通系统已经越来越不能满足现代城市的交通流量的需求。不但如此，随着人们生活水平的不断提高，急剧增长的汽车数量给城市环境质量带来了巨大的压力。为了解决现代城市交通问题，由地面地下高架组成的三维式的城市轨道交通系统开始被广泛的运用。铁路运输系统是一个系统工程投资大，周期长，虽然很多城市轨道运输系统规划和建设，但由于资金的限制，轨道交通技术的发展依旧比较迟缓。所以，研发和制造技术水平高，车辆性能良好，经济实用，适合我国国内铁路运输车辆的国家的国情是中国铁路运输发展的一个重要问题。铰接式转向架的方案设计对于转向架而言，其作用在于保证车辆能够从既定轨道的方向进行行驶，并且在这个过程中，最大程度的降低因为轨道不平整等情况，从而对车辆造成的震动、冲击等等。本文主要对城市轨道车辆铰接式转向架进行设计，所以，在本章节中，为了能够更加深层次的了解城轨车辆的转向架，将要对现阶段中所使用的城市轨道交通车辆的转向架结构模型进行全面的阐述，借助研究的过程，对铰接式转向架的技术方案执行整理选型设计，而且，对于各个零件的结构以及转向架的结构也分别进行设计。转向架的简介转向架对于车辆的重要性不言而喻。车辆进行形式的过程中，质量、性能以及安全等方面都会受到转向架结构的影响。从某种层面上来讲，现在我们所见到的借助于轨道行进的车辆能够得到如此大规模的发展，主要原因就是因为转向架技术的日益完善。参考国内外现有的对转向架的设计建造实践经验，建议选用以下原则：（1）选用高柔软性的空气弹簧使得车辆在常速下的行驶表现非常优秀，这种悬挂系统的振动性能非常好。（2）尽可能的想办法对转向架的结构进行轻量化设计，以及采用各种措施来提高转向架蛇形运动时的临界速度，降低轮轨之间的动力作用，有效的抑制转向架的蛇行运动。（3）选用常规的制动装置外，还可以采用磁轨制动等非常规的粘性制动装置，通常采用复合制动装置。转向架的任务对于转向架而言，它需要满足如下标准：承载—即，承担车架以上部分所有的重量总和。牵引（动力转向架）—在出现动力的时候，轮对粘一定要进行保证，这样一来能够将车轮和轨道之间摩擦产生的力传递到车身中，从而实现车辆的行进。缓冲—在出现路面高低不平，坑洼的情况时，一定要确保车辆能够在这种路段进行平稳的行进。转向—当出现需要转弯的路段时候，确保车辆能够按照轨道进行转弯。制动—当进行刹车或者减速的时候，就需要制动力发挥作用，制动力一定要保证充足，这样才能够将整车的安全性能进行提高。转向架的主要技术参数对于城轨车辆的转向架而言，其需要具备的重要技术有：（1）对于最良好的粘着条件做出保证—因为轮毂不会因为粘着情况出现位移的情况，所以一定要最大程度的降低轴重的移动。（2）优秀的动力学功能—将轮轨之间有可能存在的作用力进行降低，包括应力以及磨损。（3）重量小且制作容易—对于真身重量，最大程度的进行降低，而且在进行制作的时候成本较低，较为便捷。（4）满足标准的可接近性—能够最大程度的帮助到降低检修难度。（5）各个部件之间的规范以及一致—将所有部件的结构以及材料进行统一。现有铰接式转向架结构介绍我们现在所能够见到的，使用较为广泛的铰接式转向架共有两种，其中之一就是将摇枕以及铰接装置进行连接的方式；之二就是无摇枕。下面的论述中，将会详细的介绍这两种铰接式转向架。有摇枕的铰接式转向架一般情况下，摇枕和铰接装置进行连接类型的转向架，在铰接方式上，存在有两种。分别是转盘式以及球心盘式。对于前者而言，它的铰接方式是由靠近车体一方在内盘中作为支撑，另外一方在外盘中作为支撑。将摇枕弹簧作为介质，实现转动盘和构架之间的连接。将构架装置连接到悬挂中。纵向荷载是从，转盘-摇枕-弹簧-构架-轴箱弹簧-轮对，在经过内转盘以及外转盘，临近的车体在经过曲线之后所产生的纵向力以及冲击力从而实现相互之间的转动。我们国家在向土耳其进行轻轨车辆开发的时候，就是使用的转盘式铰接式铰接装置。如图2.1。球心盘铰接的办法就是借助球形心盘的办法将两个车头进行链接。在摇枕梁中，进行球心盘座的安装，并且借助二系弹簧将摇枕梁进行构架位置的安装，连接构架则由轮对以及轴箱悬挂系统进行实现。将这两种办法进行对比的话，我们能够发现，两者之间进行工作的原理是一致的，但是从铰接方式上看，确存在较大的差异。球心盘式铰接式转向架在管结石集装箱平车中得到了应用，如图2.2所示。图2.1转盘式铰接式转向架示意图图2.2球心盘式铰接式转向架示意图无摇枕的铰接式转向架对于无摇枕的铰接式转向架而言，一般情况下，使用二系悬挂对车体进行支撑。依照空气弹簧的数量通常将其分为两点悬挂和四点悬挂两类，前者使用两个空气弹簧，后者使用四个空气弹簧。2点悬挂无摇枕铰接式转向架最经典的例子就是应用在TGV动车组的转向架。集中动力则是TGV车组选用的方案，在整个车组的中间两个拖车的连接处安放铰接式转向架。前与后为支承端以及铰接端。而对于支撑段以及铰接端，在两台拖着进行连接的部分进行安置。使用两组二系悬挂弹簧承台安装在支撑端的两侧位置，并且将一个下球心圆盘安装在端墙的中心位置。在端墙的中间位置安装上球新盘座。在承接端进行上下球心盘的链接。纵向荷载传递:经过球心盘，车体所具备的纵向荷载进行转移至支撑端车体方向，并且载荷从邻近的车体借助弹簧作为渠道，之后传递到空气弹簧中，最后由转向架进行接收。除此之外，两台车之间所存在的横向力以及纵向力的转移，也由球心盘进行负责。图2.3为TGV高速列车的铰接式转向架图。ET425系列动车，其研发方为德国。这是一种铰接式转向架动车组，并且这一系列的动车组，所使用的转向架为BR425型号。在转向架的各测量中，进行空气弹簧的布置，对于转向架以及前后车体的支撑，使用两个空气弹簧进行。四点悬挂的方式所使用的空气弹簧较多除此之外还增加了安装空气弹簧所需的其他部件，不过却不用在车体的端墙暴露出二系悬挂弹簧的支撑台，这就是其和两点方式最本质的区分。无论是哪一种方式，测量中的空气弹簧都负责对纵向荷载以及车体结构进行承担，而纵向以及横向的荷载则有铰接装置进行负责，并且这样一来，铰接装置的复杂程度就会有所降低。对于铰接式转向架使用四点悬挂的办法，FLIRT列车也有所应用，它将球形铰方式作为铰接装置进行使用。图2.3TGV高速列车铰接式转向架示意图铰接式转向架的比较将四点悬挂的办法作用在无摇枕铰接式转向架中，能够使得这种装置的复杂程度降低，并且对于垂向力，不用进行过多的考虑。可是，无论摇枕存在与否，转向架只要进行两点承载的使用，那么垂向力就需要铰接装置承担传递任务。这对于四点的悬挂方式而言，缩短转向架轴距变得容易许多。对于一些应用无摇枕且两点悬挂铰接式转向架的列车，在其表面进行支撑面的增多，能够使得垂向荷载进行转移，但是从车体结构而言，复杂程度就会有所提高。即便因为摇枕的使用，使得转向架自重提高，可是对于车体的结构而言，发生的变化极小，相邻车体间的转动反而灵敏了不少。铰接式转向架的结构设计构架构架是转向架的最重要的部分，是转向架的基础。通过它转向架的各个零、部件才得以构成—个整体。因此它单单是用来承受和传递力和载荷，同时是用来保持车轴在转向架内的位置。构架的形状尺寸大小材料等都应该符合设计手则的上规定的标准要求，如零部件的结构，形状，他们之间的装配要求等。构架包括侧梁、橫梁或端梁，和各类有关设备的安装需要的装置和支座。构架还需要承担轮对，支撑车体，制动装置，传递牵引力，安装零部件，传递制动力等作用。铁路机车车辆转向架构架设计必须遵守以下原则：①务必充分思考构架与各个有关零部件的相互位置关系，合理布局。②构架各个梁应该尽量计划为相等强度梁，以此保障得到最大的强度和最小的自重。③构架各个梁的安放应该尽量的称以此简化设计和制造，还需要考虑怎么使得车辆出轨后使得其能够复位。④各个梁本身以及各梁组成构架时，必须注意减少应力集中。⑤除保障强度以外，还该符合常理的设计构架的刚度，使其能具备一定的柔性，焊缝的尺寸和位置都需要合理设计，不然会存在不符合要求的焊接应力，影响整个构架构架为焊接H型构架，由两根U型侧梁和两根横梁组成。侧梁选用箱型结构，根据轴距侧梁长度设计为2937mm，横梁则选用日前比较多的无缝钢管，长度1623mm。除此之外在2根横梁间还铺设了两根辅助用梁。横梁之间各设置有两个踏面制动座。侧梁的两端安设轴箱盖子。侧梁宽度为377mm，同时横向轴线上设置空气弹簧安装基座。构架的各个组成，各个部件各个结构；有利于使得轮对、构架和车体更为均匀的承载载荷，加大运用构架的整体承载能力。轮对轴箱装置车辆的运行品质是决定于轮对轴箱定位装置的，它包含了轮对、一系悬挂、轴箱三个部分。减轻其质量能够降低噪声，同时大幅度减少了轮轨之间的作用力。轮对在转向架中接受很大载荷和作用力，因此它是转向架中最重要的部分。轮对（1）组成正常情况下，车轴以及轮箍、轮心构成了轮对。对于城轨车辆的车轮选择，正常情况下为整体车轮，所以不用考虑轮心以及轮箍。除此之外，还能够将轮对划分为动力以及非动力两种，一般来说，存在有牵引齿轮的为动力轮对。（2）作用轮对的主要作用如下：需要承载整个列车的载荷和各种轮轨间的作用力，在行驶时必须保证和钢轨的粘着，通过粘着将车组的动力产生的牵引力或者制动力使得轮对滚动来让车辆前进或者停止。（3）组装热套以及液压套装是轮对的主要组装技术。对于热套方式而言，实质为在车轴中，放置被加热之后的轮心，之后将轮箍进行加热，再将其放置在轮心中；对于液压套装方式而言，实质为车轮以及车轴进行拆装的时候，将高压油借助液压设备压到轮座的接触面中，这样一来，能够让轮座的孔扩张，而且还能够发挥轴向推力，对车轮进行位移。（4）踏面类型现阶段中，全世界范围内的各个国家通常使用三种车轮踏面，分类的依据为外形状。分别为圆柱形、锥形以及凹形。还存在有一种踏面，就是磨耗性踏面，这种踏面的出现已将锥形踏面进行改进，从而得出的。从各个国家的实际情况中我们能够看出，锥形踏面在使用之后会出现较快的磨耗，但是磨损程度达到一个区间内，车轮以及轨道就会渐渐磨合，并且转变为硬化，之后两者之间进行摩擦，但是损耗程度就会有所减少，并且磨耗之后的形状也不易改变。后来经过极多的研究说明，如果将车轮的踏面直接设置成为磨损之后的形状，那么就能够使得磨耗程度降低，同时减少了正常车轮磨耗过限后修复成原型时而切除掉的部分资源，减少了检修车轮时的工作量，延长试用期限。磨耗性踏面问了了车辆沿着直线运行时的稳定性，因为降低了接触应力，对区县通过能力有很大的帮助。一系悬挂一系悬挂通常采用弹簧装置，用来减少路面不平和车轮不正常运动对车体造成各种影响。作用：给各个轴分配一定的载荷，并且在车轮行经不平顺线路时，分配给它的重量不至于造成太坏的情况；改良车辆的曲线通过能力和横向的行驶能力；起到缓冲的作用，使车辆在不平顺的路面能够运行平稳本文设计的轮对由1根车轴，2个车轮组成。车轮滚动圆的间距为1493mm，，车轮直径840mm，轮缘高25mm，厚32mm，轮缘角65°，轮对内侧距为1353mm。车轮踏面选用磨耗型LM踏面，能够有效的削减轮轨的接触应力，保证了车辆在沿着直线行驶的时候寿命延长，行驶平稳，提高曲线通过能力。二系悬挂装置二系悬挂是为车辆在不平的路面行驶的时候列车的轮对运动方式造成的各种影响。同时能够提高车辆的稳定性和舒适度，车体之间以及转向架车体之间还安置空气弹簧。空气弹簧（1）特点：空气弹簧的弹簧装置设计的非常之柔软，刚度小，能够增加大量的静饶度，减小列车的自身振动频率，同时它能依照需求满足车辆振动性能的条件而具备非线性特征，使其设计成具备非常之合理的弹性曲线。刚度能够迎合载荷的变化而变化，如此一来限制了车体的位移，不同状态的空重车行驶在路面时候的平稳性基本相同；共同使用空气弹簧以及高度控制阀时，地面和轨道之间的距离不会出现变化。这是因为他的高度在不用载荷下是可以调节的，在充分利用他的横向弹性的时候。甚至能够让其代替传统转向架的摇动台装置，同时承载三个方向的载荷，以此简化了转向架的结构，减轻了重量；（2）空气弹簧的分类空气弹簧大体上能够分为囊式和膜式两种。①囊式空气弹簧特点：虽然囊式空气弹簧制作起来较为便捷，设计的使用寿命也比较长，但是刚度太大，而且振动频率也很高，因此现代车辆基本不用。②膜式空气弹簧自由膜式空气弹簧的特点：为了能够减少橡胶囊的磨耗之外，设计出无约束变形的内外筒橡胶囊，还可以增加使用期限。具备良好的负载特性。假如要修改它的弹簧特性，只要将上盖板的边缘包角进行一定的调节。就可以很容易的调整它的弹簧特性。且重量轻。较低的安装高度能够明显的降低车辆地板面距离轨道面的高度。因此在现代城轨车辆上，多选用自由模式空气弹簧。承载方式2点承载模式:为了使得车体的垂向力是由枕梁转向架和车体之间互相依次传递。伸出枕梁的支持头车身二系悬挂安装在侧梁上，至于车体则是通过铰接装置安置在车身的支撑端。但是这种方式使得车体呈现出三点支撑状态，如此一来转向架的交接部分就要承担比之前大得多的垂向力。另外转向架的铰接部分为了满足容许两个车体能够相互运动的条件，通常采用的是上下的心盘模式。将铰接部分设计的低于车体底架位置是为了防止通过曲线时两个相邻的铰接车体产生影响互相干预，不过空气弹簧还务必安置在铰接部分的下方，所以为了降低空气弹簧上平面的高度就要求转向架的构架的侧梁为深凹型。4点承载模式:四个空气弹簧安装在转向架构架的每个侧梁上，转向架两侧车体分别有各自2个空气弹簧支撑。对两点支撑模式来说，这种方案模式无非增加了一些与空簧有关的部件比如高度调整阀，但是由于取消的是两点方式，这样一来伸出的枕梁被取消，简化了车体的整体结构。该方案使得每个空气弹簧直接接触车体，铰接部分只受到纵向和横向的载荷所以该方案设计下不需要承担垂向作用力。本文设计的铰接式转向架的承载模式选用4点空气弹簧承载模式，同时在横向安置了液压减振器二系悬挂装置。如图3.1图3.1四点承载模式空气弹簧类型选择自由膜式，以侧梁的安装孔为基准直接安置在构架侧梁上，附带的什么空气室之类的是由构架的侧梁来代替。二系悬挂没有必要安设垂向液压减振器，这是因为设置在空气室和空气弹簧之间的可变化阻尼节流阀的缘故，这种装置能够大幅度衰败车身的振动。空气弹簧在泄气的时候常常会造成车轮之间的负载的不均衡，因此参照过去转向架的手段，将空气弹簧连通体用静气弹簧左右链接。差压阀则是用相邻的空气弹簧组成。连接四个空气弹簧后，每个空气弹簧之间的压力差便能够有效控制在一定的范围之内，只要随意一处的空气弹簧假如发生泄气，空气弹簧之间的压力差超过规定范围时，该转向架内所有的空气弹簧都具有排气功能，这种机制不仅防止威胁到行车时的交通安全，还防止了车轮载荷不均衡。空气弹簧有效直径为420mm。空气弹簧横向跨距为2000mm，上文特别提到，铰接式转向架如果采用的是四点承载的空气弹簧，那么对于车轮载荷来说，空气弹簧之间的纵向间距是能够直接影响到它的平衡性。所以考虑到可能存在的影响，为了避免这些情况的发生，同时预留一定的安全余量，本文的铰接式转向架将空气弹簧纵向间距设定为840mm。牵引铰接装置在车辆的使用转向架的位置使用铰接式转向架有利于对铰接装置和牵引装置进行统一设计。牵引铰接装置的设计应遵循以下的设计原则:对于纵向力能够进行最大限度的传递，这里所说的纵向力就是牵引和制动力；对于车体和转向架以及另一车体之间的运动能够进行相对满足；为了有利于分解连接车体与转向架车体互相之间的装配的分解，转向架的结构应该尽可能的做的简单；必须满足需求具备安装二系悬挂的横向止挡减振器的条件；铰接器不同的受力方式对应不用的承载方式，所以铰接装置部分的结构和铰接式转向架的承载方式有关。对于两点承载空气弹簧模式来说，因为列车车身是根据空气弹簧和铰接装置三者之间形成互相支撑，正因为如此，对于铰接装置来说，它承担的垂向载荷比较大；但是四点承载模式空气弹簧啊，根据以往的设计经验，他的铰接装置在各个车型中依然相似与常规车辆车体的承载模式，也就是说，因此他的设计准则是由空气弹簧四点支撑的，相对于前者，处于这种承载模式下的铰接装置基本上不需要承担纵向载荷。当前，大多数使用两点空气弹簧承载的铰接装置都是通过中心销，对铰接端车体端墙的中央设置的上球面心盘和搭接，满足运动前提下，以及支持端的车体端墙中央的下球面心盘，将前后两者进行连接，前后者不但能实现互相转动，同时还设置有锥形的橡胶，通过该锥形橡胶来缓和振动。而四点承载空气弹簧模式下，铰接装置在结构上已经足够满足相邻车体互相之间的运动，所以部分铰接一般使用球轴承、橡胶关节。本文设计的铰接式转向架选用的是4点空气弹簧承载方式，前后车辆需要安装的铰接链接装置则是通过安置螺栓来固定的，铰接部分设置在牵引铰接装置上部，下部为牵引部分。为实现相邻车辆能够在规定单位内互相平动和转动，两者之间的关节是通过用球型橡胶连杆连接铰接装置的方法来设计的。前铰接装置用T型槽位来连接。必须要为为了防止连杆，这是因为设计要求规定铰接体之间发生相互之间的运动并在T型槽的上部加设，以过盈配合连接连杆中央的球形橡胶套与铰接体的后部分。将横向减振器安装座前铰接体两侧。橡胶节点用来缓冲车体构架之间的纵向冲动，为实现相邻车辆能够在规定单位内互相平动和转动，是用来和单牵引拉杆配合连接安放于下部的牵引装置。基础制动装置基础制动装置的功能是为了能够使行驶中的车辆因为各种情况在任何环境下都能够在规定的范围内停止，起到了将制动力通过闸瓦从制动装置传递给轮对之间，然后通过轮轨之间的粘着摩擦力，产生在车辆行驶方向上的阻力。通常来说，车轮的类型对制动效果的影响比较大，因此不同类型的车轮对应不同的制动装置。比如弹性车轮对应盘形制动。再比如碾钢车轮的制动装置则没有限制。而如今的轨道交通系统，可供高速列车的选择的制动方式多种多样，如电阻制动、再生制动、磁轨制动等，考虑到经济效率、设计难度、车体结构复杂性，基础制动装置即可能好满足低速停车。目前可供于地铁车辆选择的制动装置一般分为两类，一种是弹性车轮使用的盘形制动装置，另一种是踏面制动装置。大部分地铁车辆选用的是后者，后者又分为拉杆式和单元式，其中后者的优势在于需要的空间相比于前者比较小，而列车的空间本身就比较有限，所以目前多选用后者制动方式。本文设计的铰接式转向架的制动装置选用单元踏面制动器。通过UG进行转向架的设计UG是一种拥有极多功能的三维软件，它是由美国的UGS公司进行研发的。它对于一个产品而言，能够实现设计、计算、方针等工作的全方位管控。现阶段中，这一软件所能够作用的范围极广，包括了汽车、数控等行业。构架的设计根据上一章的数据，首先对构架进行草图绘制，如图4.1所示基本思路是以中心面为基准设计一边的模型后进行镜像设计。基本数据如下：轴距2300mm，根据自己的方案，构架侧梁两端与轴箱和车轴对其，所以长度选取2677mm，宽度377mm，上部厚度150mm，圆弧半径300mm、200mm。随后对该草图进行拉伸，并且进行抽壳，抽壳厚度为16mm，2端面同时进行倒边圆操作。第二步确定了空气弹簧的位置，因为是四点承载空气弹簧。竖向距离为840mm，以中心线为基础绘制安装孔并且进行打孔操作，随后因为需要安装轴箱的垂向减振器，还涉及了安装减振器的部件，长宽高均为50mm。第三步以空气弹簧安装孔为基准，设计了构架横梁的安装位置，绘制草图后进行拉伸，因为空气弹簧的横向距离为2000mm，测量宽度377，所以横梁长度设计为1623mm。拉伸后和侧梁进行求和。至此已经初步完成构架的设计，如图4.2。第四步则是进行镜像操作，镜像后的构架为本次设计的构架的全貌如图4.3图4.1构架的草图图4.2设计完成后半边构架图4.3镜像后的构架轮对设计车轮设计基本思路为绘制车轮截面草图，随后进行回转操作。基本数据如下：车轮直径840mm，车轮宽度135mm，采用LM磨耗性踏面，轮缘高25mm，厚度32mm，轮缘角65°，并有1:10和1:20的斜面，其中直径90mm的圆孔是为了安装车轴。草图如图4.4。图4.4轮对的草图随后进行回转操作，效果图如4.5。图4.5完成的车轮车轴设计基本思路依旧为草图绘制后回转，基本数据如下：车轴整体长度依照构架思路为2363mm，其中安装车轮的轴部直径为90mm，长度144mm。轴箱安装部分分别为70mm和60mm，长度100mm和277mm草图如图4.6。图4.6车轴草图进行回转操作后切割倒圆，完工效果图如下图4.7完成后的车轴轴箱设计轴箱采用的是转臂式轴箱，该节还包括了一系悬挂弹簧的设计首先绘制轴箱草图，根据车轴