單軌車輛及其轉(zhuǎn)向架

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1、 單軌車輛及其轉(zhuǎn)向架 作者姓名 高山 成文時(shí)間 二〇一七年八月十六日 單軌車輛及其轉(zhuǎn)向架 高山（CRRC） 摘 要 ： 伴隨著城市的快速發(fā)展，各式各樣的交通工具應(yīng)運(yùn)而生。單軌車輛作為一種中等運(yùn)量的軌道交通車輛在國內(nèi)的研發(fā)應(yīng)用正在如火如荼的進(jìn)行。本文將梳理國內(nèi)主要研制的跨坐式和懸掛式單軌車輛，并對各種單軌車輛的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。 關(guān)鍵字：單軌車輛 跨坐式 懸掛式 轉(zhuǎn)向架 1.單軌車輛的研制情況 由于我國人口眾多

2、與城市化快速發(fā)展，使得城市交通問題日益嚴(yán)峻。為了解決城市交通問題，各個大城市競相發(fā)展軌道交通。隨著國家對城市軌道交通建設(shè)審批權(quán)的下放，中小城市也將迎來了軌道建設(shè)的快速發(fā)展。根據(jù)客流量和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，大城市較多的選擇大運(yùn)量的地鐵列車作為主要方式，而中小城市將會選擇現(xiàn)代有軌電車和單軌列車等中運(yùn)量的城市軌道交通形式。 1.1跨坐式單軌車輛研制情況 世界第一條跨座式單軌誕生于1888年2月，由法國人設(shè)計(jì)并在愛爾蘭利斯特維爾鋪設(shè)。此后，各國開始了對單軌交通的不斷研究和嘗試。經(jīng)過反的試驗(yàn)，研究人員最終確認(rèn)采用跨座式、混凝土軌道和橡膠充氣輪胎能夠達(dá)到最好的效果。在1960年至1965年，日本引進(jìn)多種單軌技術(shù)

3、，研制出多種日式單軌車，并迅速將其發(fā)展應(yīng)用。自第一條單軌交通建成以來的100多年間，世界各國已建成單軌鐵路50多條。 在我國，為解決城市交通擁堵日益嚴(yán)重的問題，軌道交通發(fā)展迅速。2004年9月，重慶市從日本引進(jìn)了跨座式單軌交通系統(tǒng)，中車長春軌道客車股份有限公司主要負(fù)責(zé)完成車輛系統(tǒng)的國產(chǎn)化。重慶軌道交通2號線（30.05公里）和重慶軌道交通3號線（67.09公里）已經(jīng)成為跨坐式軌道交通的代表。2014年11月，中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司與龐巴迪運(yùn)輸公司在安徽蕪湖設(shè)立合資公司中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，該公司將為蕪湖軌道交通提供跨坐式單軌車輛。2016年5月，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研

4、制的基于永磁牽引的雙軸轉(zhuǎn)向架大運(yùn)量跨座式單軌車輛下線。2016年10月，新能源汽車制造企業(yè)比亞迪公司研制的跨坐式單軌車輛下線，通過一系列商業(yè)投資，比亞迪已經(jīng)獲得逾十個城市訂單。 圖1：跨坐式單軌車輛 1.2懸掛式單軌車輛研制情況 1893年德國人發(fā)明了懸掛式單軌交通，并修建了全長13.3km的單軌鐵路，這也是世界上最早、歷史最悠久的懸掛式單軌交通。近年來，國內(nèi)加快了新型單軌車輛的研制。2016年9月，中車南京浦鎮(zhèn)車輛公司研制的國內(nèi)首列懸掛式單軌車輛下線。2017年7月，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研制的懸掛式單軌車輛下線。 圖2：懸掛式單軌車輛 2．單軌車輛轉(zhuǎn)向架 2.

5、1跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架 （1）日立雙軸轉(zhuǎn)向架 日立公司的單軌車分為小型、中型和大型三種模式，長客股份公司引進(jìn)的是大型單軌。轉(zhuǎn)向架分為動力轉(zhuǎn)向架和無動力轉(zhuǎn)向架兩種，無動力轉(zhuǎn)向架沒有安裝牽引電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)和隔音板裝置，除此以外，其它大多數(shù)部件的結(jié)構(gòu)都基本相同，主要由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、走行輪總成、走行輔助輪總成、導(dǎo)向輪總成、穩(wěn)定輪總成、二系懸掛系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動裝置、驅(qū)動裝置、集電裝置、接地裝置、走行輪胎內(nèi)壓檢測裝置、隔音板裝置及轉(zhuǎn)向架管路組成。 轉(zhuǎn)向架配有兩個走行輪，每個輪軸上都裝有填充氮?dú)獾匿撔鞠鹉z輪胎，走行輪通過懸臂軸固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，便于輪胎的更換。該走行輪裝置可有效降低車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動

6、、沖擊以及噪音，極大地提高了車輛的乘坐舒適性；同時(shí)，該結(jié)構(gòu)便于維護(hù)，日常換輪操作時(shí)間很短。 轉(zhuǎn)向構(gòu)構(gòu)架為焊接鋼板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向輪安裝在構(gòu)架上部，穩(wěn)定輪安裝在構(gòu)架下部。導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪結(jié)構(gòu)相同，僅車輪的安裝位置不同。導(dǎo)向輪安裝于轉(zhuǎn)向架四角，位于軌道梁側(cè)面的上部，在車輛運(yùn)行過程中起導(dǎo)向作用；穩(wěn)定輪安裝于穩(wěn)定輪支架下端，位于軌道梁側(cè)面的下上部，起維持車輛平衡，防止側(cè)傾的作用。所有輪胎為橡膠輪胎，填充氮?dú)猓ㄒ部商畛淇諝猓?。每個輪上都配有一個由硬質(zhì)橡膠制成的輔助輪，起到爆胎時(shí)保護(hù)的作用。另外，每個走行輪還配有由壓力開關(guān)和集流環(huán)組成的內(nèi)壓檢測裝置，可以使駕駛者在輪胎降壓時(shí)，檢測到輪胎漏氣的情況。中央懸掛裝置為

7、無搖枕設(shè)計(jì)，通過空氣彈簧直接支撐車體，以達(dá)到輕量化的目的。驅(qū)動裝置采用兩級減速直角傳動系統(tǒng)，并直接固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。驅(qū)動裝置通過一個柔性板聯(lián)軸節(jié)（TD聯(lián)軸節(jié)）與主電機(jī)相連。與TD聯(lián)軸節(jié)相連的部件配有聯(lián)軸節(jié)防護(hù)罩防止空氣中的雜質(zhì)飛入聯(lián)軸節(jié)中。制動系統(tǒng)采用內(nèi)置停放制動的氣動/液壓轉(zhuǎn)換式制動裝置，固定在驅(qū)動裝置中間軸上的制動盤兩側(cè)安裝有制動閘片。 圖3：日立雙軸轉(zhuǎn)向架 （2）龐巴迪單軸轉(zhuǎn)向架 Innovia Monorail 200列車應(yīng)用于拉斯維加斯，是在早期鹽湖城迪斯尼樂園單軌（MarkⅥ）基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用鉸接式車體、單軸轉(zhuǎn)向架，與日立單軌車不同的是，轉(zhuǎn)向架

8、的布置侵入車體空間，優(yōu)點(diǎn)是車輛地板面和重心更低，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是客室空間小，車輛載客能力低，且車輛之間沒有貫通道。 Innovia Monorail 300列車是龐巴迪于2010年開發(fā)的完成的，應(yīng)用于巴西圣保羅和沙特利雅得。與200系車相比，取消了鉸接式車體，每輛車設(shè)置2個轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架仍為單軸，車體間采用貫通道連接，提高了列車運(yùn)載能力，保持了地板面和重心低方面的優(yōu)點(diǎn)。 龐巴迪 Monorail 300 則采用單軸轉(zhuǎn)向架（圖4）。采用單軸轉(zhuǎn)向架可以有效降低車輛的高度，Monorail 300 型車高僅 4.053 m，相對于其他類型單軌車高度降低了 1 m 多。車輛高度的降低有利于降低車輛

9、重心，行車更為平穩(wěn)，舒適度更高。更為關(guān)鍵的是車廂地板面距離軌道梁頂面的高度更小，龐巴迪單軌車廂地板面距軌道梁頂面的距離僅 450 mm，該距離的減小更有利于設(shè)置縱向緊急疏散通道。另一方面，采用單軸轉(zhuǎn)向架可以使輪胎在曲線處的行駛軌跡與軌道梁更為匹配，減小行車阻力和輪胎的磨耗，降低噪聲和振動。 圖4：龐巴迪單軸轉(zhuǎn)向架 （3）新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架 新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架以構(gòu)架為基礎(chǔ)，在構(gòu)架上集成了牽引裝置、驅(qū)動裝置、基礎(chǔ)制動裝置、一系懸掛裝置（軸箱）、二系懸掛裝置（空氣彈簧）、穩(wěn)定輪、導(dǎo)向輪和走行輪。其牽引裝置采用中心銷式低位Z字形雙拉桿結(jié)構(gòu)。其驅(qū)動裝置

10、采用直驅(qū)型，取消了齒輪箱，通過分體式聯(lián)軸節(jié)將走行輪的車軸與懸掛在構(gòu)架上的永磁電機(jī)直接相連。其制動裝置采用軸盤制動，制動盤與非驅(qū)動側(cè)車軸剛性連接，制動夾鉗固定于構(gòu)架的側(cè)架上。其一系懸掛采用分體式軸箱，上軸箱體與構(gòu)架的下蓋板相連，下軸箱體與上軸箱體相連。其穩(wěn)定輪、導(dǎo)向輪、走形輪均為實(shí)心橡膠輪。 圖5：新型永磁直驅(qū)跨坐式轉(zhuǎn)向架 2.2懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架 （1）日本SAFEGE轉(zhuǎn)向架 SAFEGE懸掛式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)為兩軸轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。以構(gòu)架為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)向架由走行輪、導(dǎo)向輪、空氣彈簧、枕梁、橫向拉桿、懸吊裝置、驅(qū)動裝置、基礎(chǔ)制動裝置、牽引電機(jī)等組成，如圖6所示。

11、 該轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特殊，走行輪和導(dǎo)向輪均采用充氣橡膠輪胎，橡膠輪胎在車輛運(yùn)行時(shí)不僅發(fā)揮其緩沖減振效果，而且由于其較高的粘著力，使車輛具有良好的加速、減速性能和較強(qiáng)的爬坡能力。與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌相比，大大降低了車輛運(yùn)行時(shí)的噪聲和軌道梁的振動，缺點(diǎn)是在一定范圍內(nèi)增大了車輛運(yùn)行阻力。 該轉(zhuǎn)向架采用了梯形懸吊裝置，懸吊裝置上端通過中心銷連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，下端通過車體安裝座連接車體，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架三個力的傳遞，同時(shí)滿足了車體和轉(zhuǎn)向架之間的相對運(yùn)動。 為了保證車輛運(yùn)行的安全性，該轉(zhuǎn)向架在構(gòu)架前后兩側(cè)安裝有走行輪安全輪，在每一個導(dǎo)向輪上部安裝有鋼制導(dǎo)向輪安全輪，當(dāng)充氣橡膠輪胎發(fā)生破裂時(shí)，可以保證車輛低速行

12、駛至安全位置。同時(shí)為了防止懸吊裝置發(fā)生斷裂導(dǎo)致發(fā)生安全事故，在轉(zhuǎn)向架和車體之間安裝了安全鋼索。 該轉(zhuǎn)向架驅(qū)動裝置借鑒汽車技術(shù)，采用差速器結(jié)構(gòu)，在車輛通過曲線時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)車輪以不同速度轉(zhuǎn)動，從而使車輛主動轉(zhuǎn)向，提高車輛曲線通過性能，減少橡膠輪胎的磨損。 圖6：日本SAFEG轉(zhuǎn)向架 （2）德國H-Bahn轉(zhuǎn)向架 H-Bahn懸掛式轉(zhuǎn)向架，主要由構(gòu)架、走行輪、齒輪箱、牽引電機(jī)、導(dǎo)向輪、基礎(chǔ)制動裝置、中心銷、搖枕、空氣彈黃、牽引拉桿、抗側(cè)滾扭斤等組成。轉(zhuǎn)向架各組成部分詳見圖7。 該轉(zhuǎn)向架采用焊接的框架結(jié)構(gòu)，主體框架為無縫鋼管。構(gòu)架正中央下方通過中心銷與搖枕連接。構(gòu)架前后

13、最外側(cè)各安裝有集電裝置和風(fēng)紅。構(gòu)架側(cè)邊共有８處導(dǎo)向輪安裝座，前后兩側(cè)對稱設(shè)有與齒輪箱較接的銷孔和落在齒輪箱上的橫梁。牽引銷上方兩側(cè)共由４個制動間瓦安裝座。 中心銷要傳遞三個方向的力，采用強(qiáng)度較高的合金鋼材料。中心銷上端與構(gòu)架較接，可以相對構(gòu)架繞垂直方向回轉(zhuǎn)（即車體搖頭運(yùn)動），中心銷下端與枕梁較接，可相對枕梁繞縱向回轉(zhuǎn)（即車體側(cè)滾運(yùn)動）。 輪對驅(qū)動裝置主要由輪對、齒輪箱、牽引電機(jī)組成。電機(jī)殼體與齒輪箱殼體通過螺栓連接成一體，電機(jī)倒置，通過聯(lián)軸節(jié)將扭矩傳遞到齒輪箱，進(jìn)而傳遞到輪對。齒輪箱殼體一端與構(gòu)架較接，另一端通過橡膠支承構(gòu)架。走行輪采用實(shí)心橡膠輪胎，減少列車運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架承受的來自路面的沖

14、擊振動。導(dǎo)向輪與走行輪一樣采用鋁合金輪轂和實(shí)心橡膠輪胎。每個轉(zhuǎn)向架上裝有８個導(dǎo)向輪安裝座，下方的四個其到主要的導(dǎo)向作用，上方的四個起到穩(wěn)定輪的作用。 制動間閘瓦安裝在與構(gòu)架較接的制動臂上，制動臂又與制動杠活塞桿連接，當(dāng)制動缸活塞收回時(shí)，上下制動閩瓦夾緊，將力作用在上下閩瓦間的軌道梁走行面上，通過闡瓦與軌道梁走行面的摩擦為列車提供制動力。該制動裝置結(jié)構(gòu)簡單，方便拆巧和維修。 枕梁通過中心銷與構(gòu)架相連，通過空氣彈簧撐起車體頂梁，枕梁與車體頂梁之間裝有垂向、橫向減震器、空氣彈彈簧及抗側(cè)渡扭桿。枕梁通過牽引拉桿與車體連接，傳遞牽引力。枕梁內(nèi)腔為空氣彈黃氣室。 圖7：德國H-Bahn轉(zhuǎn)向架

15、（3）新型永磁直驅(qū)懸掛式轉(zhuǎn)向架 新型永磁直驅(qū)懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架主要包括轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、走行輪、導(dǎo)向輪、一系懸掛裝置（軸箱）、枕梁、二系懸掛裝置（空氣彈黃）、懸吊裝置和牽引電機(jī)等，如圖所示。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中也臺上安裝空氣彈黃，枕梁壓裝于空氣彈黃上，枕梁兩側(cè)設(shè)置橫向拉桿與構(gòu)架相連，枕梁中央懸吊裝置為四連桿機(jī)構(gòu)，構(gòu)架外端設(shè)置走行輪，構(gòu)架四角為導(dǎo)向輪，每對走行輪間設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)子式永磁電機(jī)作為轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝置，使得能量的轉(zhuǎn)化效率大大提窩，同時(shí)減小了電機(jī)的尺寸與電機(jī)的發(fā)熱量，使得轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)得到簡化，增加其可靠性，同時(shí)又降低了維護(hù)成本。 圖8：新型永磁直驅(qū)懸掛式轉(zhuǎn)向架 總結(jié)結(jié)論： 隨著城市化的快

16、速發(fā)展，城市軌道交通將變得越來越多樣。單軌車輛作為新型城市軌道交通車輛的一種重要形式，也將會在國內(nèi)的城市中得到應(yīng)用。本文簡要介紹了單軌車輛的兩種形式及其轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，使得對單軌車輛的轉(zhuǎn)向架有一個新的認(rèn)識。 參 考 文 獻(xiàn)： 1. 賀觀 .跨座式單軌車輛.成都：西南交通大學(xué)出版社.2016 2. 夏贊?jì)t.龐巴迪單軌關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)與革新.現(xiàn)代城市軌道交通.2016（2）:96—99 3. 宮文平.跨座式單軌車輛特點(diǎn)及國內(nèi)外應(yīng)用情況.國外鐵道車輛.2013(1):5—7 4. 李定南.國內(nèi)外懸掛式單軌列車的發(fā)展與展望.國外鐵道車輛.2017(3):1—4 5. 唐玉.基于ADAMS的懸掛式單軌車輛動力學(xué)分析與側(cè)風(fēng)影響研究.西南交通大學(xué).2016 6. 劉寧.新型懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析.西南交通大學(xué).2017