单轨车辆及其转向架

单轨车辆及其转向架 作者姓名 高山 成文时间 二一七年八月十六日单轨车辆及其转向架高山（CRRC） 摘 要 ： 伴随着城市的快速发展，各式各样的交通工具应运而生。单轨车辆作为一种中等运量的轨道交通车辆在国内的研发应用正在如火如荼的进行。本文将梳理国内主要研制的跨坐式和悬挂式单轨车辆，并对各种单轨车辆的转向架进行了较为详细的介绍。关键字：单轨车辆 跨坐式 悬挂式 转向架1.单轨车辆的研制情况 由于我国人口众多与城市化快速发展，使得城市交通问题日益严峻。为了解决城市交通问题，各个大城市竞相发展轨道交通。随着国家对城市轨道交通建设审批权的下放，中小城市也将迎来了轨道建设的快速发展。根据客流量和经济实力，大城市较多的选择大运量的地铁列车作为主要方式，而中小城市将会选择现代有轨电车和单轨列车等中运量的城市轨道交通形式。1.1跨坐式单轨车辆研制情况世界第一条跨座式单轨诞生于1888年2月，由法国人设计并在爱尔兰利斯特维尔铺设。此后，各国开始了对单轨交通的不断研究和尝试。经过反的试验，研究人员最终确认采用跨座式、混凝土轨道和橡胶充气轮胎能够达到最好的效果。在1960年至1965年，日本引进多种单轨技术，研制出多种日式单轨车，并迅速将其发展应用。自第一条单轨交通建成以来的100多年间，世界各国已建成单轨铁路50多条。在我国，为解决城市交通拥堵日益严重的问题，轨道交通发展迅速。2004年9月，重庆市从日本引进了跨座式单轨交通系统，中车长春轨道客车股份有限公司主要负责完成车辆系统的国产化。重庆轨道交通2号线（30.05公里）和重庆轨道交通3号线（67.09公里）已经成为跨坐式轨道交通的代表。2014年11月，中车南京浦镇车辆有限公司与庞巴迪运输公司在安徽芜湖设立合资公司中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，该公司将为芜湖轨道交通提供跨坐式单轨车辆。2016年5月，中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的基于永磁牵引的双轴转向架大运量跨座式单轨车辆下线。2016年10月，新能源汽车制造企业比亚迪公司研制的跨坐式单轨车辆下线，通过一系列商业投资，比亚迪已经获得逾十个城市订单。图1：跨坐式单轨车辆1.2悬挂式单轨车辆研制情况1893年德国人发明了悬挂式单轨交通，并修建了全长13.3km的单轨铁路，这也是世界上最早、历史最悠久的悬挂式单轨交通。近年来，国内加快了新型单轨车辆的研制。2016年9月，中车南京浦镇车辆公司研制的国内首列悬挂式单轨车辆下线。2017年7月，中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的悬挂式单轨车辆下线。图2：悬挂式单轨车辆2单轨车辆转向架2.1跨坐式单轨车辆转向架（1）日立双轴转向架日立公司的单轨车分为小型、中型和大型三种模式，长客股份公司引进的是大型单轨。转向架分为动力转向架和无动力转向架两种，无动力转向架没有安装牵引电机、联轴节和隔音板装置，除此以外，其它大多数部件的结构都基本相同，主要由转向架构架、走行轮总成、走行辅助轮总成、导向轮总成、稳定轮总成、二系悬挂系统、基础制动装置、驱动装置、集电装置、接地装置、走行轮胎内压检测装置、隔音板装置及转向架管路组成。转向架配有两个走行轮，每个轮轴上都装有填充氮气的钢芯橡胶轮胎，走行轮通过悬臂轴固定在转向架构架上，便于轮胎的更换。该走行轮装置可有效降低车辆运行过程中产生的振动、冲击以及噪音，极大地提高了车辆的乘坐舒适性；同时，该结构便于维护，日常换轮操作时间很短。转向构构架为焊接钢板结构，导向轮安装在构架上部，稳定轮安装在构架下部。导向轮和稳定轮结构相同，仅车轮的安装位置不同。导向轮安装于转向架四角，位于轨道梁侧面的上部，在车辆运行过程中起导向作用；稳定轮安装于稳定轮支架下端，位于轨道梁侧面的下上部，起维持车辆平衡，防止侧倾的作用。所有轮胎为橡胶轮胎，填充氮气（也可填充空气）。每个轮上都配有一个由硬质橡胶制成的辅助轮，起到爆胎时保护的作用。另外，每个走行轮还配有由压力开关和集流环组成的内压检测装置，可以使驾驶者在轮胎降压时，检测到轮胎漏气的情况。中央悬挂装置为无摇枕设计，通过空气弹簧直接支撑车体，以达到轻量化的目的。驱动装置采用两级减速直角传动系统，并直接固定在转向架构架上。驱动装置通过一个柔性板联轴节（TD联轴节）与主电机相连。与TD联轴节相连的部件配有联轴节防护罩防止空气中的杂质飞入联轴节中。制动系统采用内置停放制动的气动/液压转换式制动装置，固定在驱动装置中间轴上的制动盘两侧安装有制动闸片。 图3：日立双轴转向架（2）庞巴迪单轴转向架Innovia Monorail 200列车应用于拉斯维加斯，是在早期盐湖城迪斯尼乐园单轨（Mark）基础上发展而来，采用铰接式车体、单轴转向架，与日立单轨车不同的是，转向架的布置侵入车体空间，优点是车辆地板面和重心更低，稳定性好，缺点是客室空间小，车辆载客能力低，且车辆之间没有贯通道。Innovia Monorail 300列车是庞巴迪于2010年开发的完成的，应用于巴西圣保罗和沙特利雅得。与200系车相比，取消了铰接式车体，每辆车设置2个转向架，转向架仍为单轴，车体间采用贯通道连接，提高了列车运载能力，保持了地板面和重心低方面的优点。庞巴迪 Monorail 300 则采用单轴转向架（图4）。采用单轴转向架可以有效降低车辆的高度，Monorail 300 型车高仅 4.053 m，相对于其他类型单轨车高度降低了 1 m 多。车辆高度的降低有利于降低车辆重心，行车更为平稳，舒适度更高。更为关键的是车厢地板面距离轨道梁顶面的高度更小，庞巴迪单轨车厢地板面距轨道梁顶面的距离仅 450 mm，该距离的减小更有利于设置纵向紧急疏散通道。另一方面，采用单轴转向架可以使轮胎在曲线处的行驶轨迹与轨道梁更为匹配，减小行车阻力和轮胎的磨耗，降低噪声和振动。 图4：庞巴迪单轴转向架（3）新型永磁直驱跨坐式转向架 新型永磁直驱跨坐式转向架以构架为基础，在构架上集成了牵引装置、驱动装置、基础制动装置、一系悬挂装置（轴箱）、二系悬挂装置（空气弹簧）、稳定轮、导向轮和走行轮。其牵引装置采用中心销式低位Z字形双拉杆结构。其驱动装置采用直驱型，取消了齿轮箱，通过分体式联轴节将走行轮的车轴与悬挂在构架上的永磁电机直接相连。其制动装置采用轴盘制动，制动盘与非驱动侧车轴刚性连接，制动夹钳固定于构架的侧架上。其一系悬挂采用分体式轴箱，上轴箱体与构架的下盖板相连，下轴箱体与上轴箱体相连。其稳定轮、导向轮、走形轮均为实心橡胶轮。 图5：新型永磁直驱跨坐式转向架2.2悬挂式单轨车辆转向架（1）日本SAFEGE转向架SAFEGE悬挂式转向架结构为两轴转向架，构架为钢板焊接结构。以构架为基础，转向架由走行轮、导向轮、空气弹簧、枕梁、横向拉杆、悬吊装置、驱动装置、基础制动装置、牵引电机等组成，如图6所示。该转向架结构特殊，走行轮和导向轮均采用充气橡胶轮胎，橡胶轮胎在车辆运行时不仅发挥其缓冲减振效果，而且由于其较高的粘着力，使车辆具有良好的加速、减速性能和较强的爬坡能力。与传统钢轮钢轨相比，大大降低了车辆运行时的噪声和轨道梁的振动，缺点是在一定范围内增大了车辆运行阻力。该转向架采用了梯形悬吊装置，悬吊装置上端通过中心销连接转向架构架，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。为了保证车辆运行的安全性，该转向架在构架前后两侧安装有走行轮安全轮，在每一个导向轮上部安装有钢制导向轮安全轮，当充气橡胶轮胎发生破裂时，可以保证车辆低速行驶至安全位置。同时为了防止悬吊装置发生断裂导致发生安全事故，在转向架和车体之间安装了安全钢索。该转向架驱动装置借鉴汽车技术，采用差速器结构，在车辆通过曲线时，可以实现内外侧车轮以不同速度转动，从而使车辆主动转向，提高车辆曲线通过性能，减少橡胶轮胎的磨损。 图6：日本SAFEG转向架（2）德国H-Bahn转向架H-Bahn悬挂式转向架，主要由构架、走行轮、齿轮箱、牵引电机、导向轮、基础制动装置、中心销、摇枕、空气弹黃、牵引拉杆、抗侧滚扭斤等组成。转向架各组成部分详见图7。该转向架采用焊接的框架结构，主体框架为无缝钢管。构架正中央下方通过中心销与摇枕连接。构架前后最外侧各安装有集电装置和风紅。构架侧边共有处导向轮安装座，前后两侧对称设有与齿轮箱较接的销孔和落在齿轮箱上的横梁。牵引销上方两侧共由个制动间瓦安装座。中心销要传递三个方向的力，采用强度较高的合金钢材料。中心销上端与构架较接，可以相对构架绕垂直方向回转（即车体摇头运动），中心销下端与枕梁较接，可相对枕梁绕纵向回转（即车体侧滚运动）。轮对驱动装置主要由轮对、齿轮箱、牵引电机组成。电机壳体与齿轮箱壳体通过螺栓连接成一体，电机倒置，通过联轴节将扭矩传递到齿轮箱，进而传递到轮对。齿轮箱壳体一端与构架较接，另一端通过橡胶支承构架。走行轮采用实心橡胶轮胎，减少列车运行时，转向架承受的来自路面的冲击振动。导向轮与走行轮一样采用铝合金轮毂和实心橡胶轮胎。每个转向架上装有个导向轮安装座，下方的四个其到主要的导向作用，上方的四个起到稳定轮的作用。制动间闸瓦安装在与构架较接的制动臂上，制动臂又与制动杠活塞杆连接，当制动缸活塞收回时，上下制动闽瓦夹紧，将力作用在上下闽瓦间的轨道梁走行面上，通过阐瓦与轨道梁走行面的摩擦为列车提供制动力。该制动装置结构简单，方便拆巧和维修。枕梁通过中心销与构架相连，通过空气弹簧撑起车体顶梁，枕梁与车体顶梁之间装有垂向、横向减震器、空气弹弹簧及抗侧渡扭杆。枕梁通过牵引拉杆与车体连接，传递牵引力。枕梁内腔为空气弹黃气室。图7：德国H-Bahn转向架（3）新型永磁直驱悬挂式转向架新型永磁直驱悬挂式单轨车辆转向架主要包括转向架构架、走行轮、导向轮、一系悬挂装置（轴箱）、枕梁、二系悬挂装置（空气弹黃）、悬吊装置和牵引电机等，如图所示。转向架构架中也台上安装空气弹黃，枕梁压装于空气弹黃上，枕梁两侧设置横向拉杆与构架相连，枕梁中央悬吊装置为四连杆机构，构架外端设置走行轮，构架四角为导向轮，每对走行轮间设有内转子式永磁电机作为转向架的驱动装置，使得能量的转化效率大大提窩，同时减小了电机的尺寸与电机的发热量，使得转向架的结构得到简化，增加其可靠性，同时又降低了维护成本。图8：新型永磁直驱悬挂式转向架总结结论： 随着城市化的快速发展，城市轨道交通将变得越来越多样。单轨车辆作为新型城市轨道交通车辆的一种重要形式，也将会在国内的城市中得到应用。本文简要介绍了单轨车辆的两种形式及其转向架结构，使得对单轨车辆的转向架有一个新的认识。参 考 文 献：1. 贺观 .跨座式单轨车辆.成都：西南交通大学出版社.20162. 夏赞鸥.庞巴迪单轨关键技术的改进与革新.现代城市轨道交通.2016（2）:96993. 宫文平.跨座式单轨车辆特点及国内外应用情况.国外铁道车辆.2013(1):574. 李定南.国内外悬挂式单轨列车的发展与展望.国外铁道车辆.2017(3):145. 唐玉.基于ADAMS的悬挂式单轨车辆动力学分析与侧风影响研究.西南交通大学.20166. 刘宁.新型悬挂式单轨车辆转向架构架结构优化设计与强度分析.西南交通大学.2017