城市轨道交通车辆转向架

转向架 城市轨道车辆交通工程教研室 铁路运输发展的初期，世界各国大多采用将轮对直接安装于车体下面的二轴车结构。由于要通过小半径曲线，二轴车的轴距不能太大，另外，车辆载重、长度和容积均受到限制。如果把二个或多个轮对用专门的构架（或侧架）连接，组成一个小车，称为转向架，车体座落在两转向架上。由于这种带转向架结构的许多明显的优点，现代大多数轨道车辆的走行装置都采用转向架的结构形式。第四节 转向架 作用 组成简介 分类 组成部分介绍 单轨转向架 导轨转向架 地铁轻轨转向架简介一、 转向架的作用与特点 采用转向架可增加车辆的载重、长度和容积。 转向架相对车体可自由回转，使较长的车辆能自由通过小半径曲线，减少运行阻力与噪声，提高运行速度。 便于安装弹簧减振装置，保证车辆具有良好的动力性能和运行品质。另外，有转向架的车辆在通过两轨头高低不平处时，车体支承点的垂直移动量仅为二轴车轮对支点的一半，从而提高了运行的平稳性。 支承车体，承受并传递从车体至轮轨的各种载荷及作用力，使各轴重均匀分配。 便于安装制动装置，传递制动力，满足运行要求。 便于在转向架上安装牵引电机及减速装置，驱动轮对（或车轮），使车辆沿着轨道运行，此时转向架还传递牵引力。 转向架为车辆的一个独立部件，因而便于转向架的互换、制造和维修。二、转向架组成 由于车辆的用途、运用条件与要求的不同，所采用的转向架结构各异，类型很多。但它们的基本组成部分和主要功能是相同的，一般转向架可以分为以下几个部分： 轮对轴箱装置轮对轴箱装置 轴箱与轴承装置是联系构架和轮对的活动关节，使轮对的滚动转化为车体沿着轨道的平动。轮对沿钢轨的滚动，除传递车辆的重量外，还传递轮轨之间的各种作用力。 弹性悬挂装置弹性悬挂装置 为减少线路不平顺和轮对运动对车体各种动态的影响，转向架在轮对与构架或构架与车体(摇枕)之间，设有弹性悬挂装置。也可称为一系悬挂装置和二系悬挂装置。弹性悬挂装置一般包括弹簧、减振器、定位装置等。 构架构架 构架是转向架的基础，它把转向架的各个零、部件组成一个整体。故它不仅承受、传递各种载荷及作用力，而且它的结构、形状和尺寸都应满足各零、部件组装的要求。 制动装置制动装置 为使运行中的车辆在规定的距离范围内停车，必须安装制动装置，其作用是传递和放大制动缸的制动力，使闸瓦与轮对之间的转向架内摩擦力转换为轮轨之间的外摩擦力（即制动力），产生制动效果。 牵引电机与齿轮传动装置牵引电机与齿轮传动装置 使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩，利用轮轨之间的粘着作用，驱动车辆沿着钢轨运行。 转向架支承车体装置转向架支承车体装置 车体与转向架联结部分的结构应能满足安全可靠地支承车体，并传递各种载荷和作用力，同时车体与转向架之间应能绕不变的旋转中心相对转动，以使车辆顺利通过曲线。一般转向架支承车体的方式有心盘集中承载、非心盘承载（或旁承承载）和心盘部分承载3种。 轮对构架轴箱定位装置弹簧悬挂装置电机与齿轮传动装置支承装置制动装置二、二、 转向架结构的分类 由于转向架用途的不同，运行条件的差异，对转向架的性能、结构、参数和采用的材料及工艺等提出了不同的要求，从而出现了多种型式的转向架。各种转向架主要的区别在于：所用车轴的类型和数目、轴箱定位的方式、弹簧装置的型式、载荷传递的方式等。 按车轴的数目和类型 按转向架上轴数，可分为2轴、3轴和多轴转向架。转向架轴数的多少是由车辆总重和每根轴的允许轴重确定的。车轴的类型，在我国铁路及城轨车辆上按允许轴重分为B、C、D、E共4种，最大允许轴重受到线路和桥梁标准的限制。 按轴箱定位方式 约束构架与轴箱之间相对运动的机构称为轴箱定位装置，它对转向架的横向动力性能、抑制蛇行运动具有决定性作用。要求轴箱定位装置在纵向和横向具有适当的弹性定位刚度值，从而避免车辆在运行速度范围内蛇行运动失稳，保证在曲线运行时具有良好的导向性能，减轻轮缘与钢轨的磨耗和噪声，确保运行安全和平稳性。 拉板式定位拉板式定位 用特种弹簧钢材制成的薄片形定位拉板，其一端与轴箱连接，另一端与构架相连。利用拉板在纵、横向的不同刚度来约束构架与轴箱的相对运动，以实现弹性定位。拉板上下弯曲刚度小，对轴箱与构架上下方向的相对位移约束很小。图4-1 拉板式轴箱定位 拉杆式定位拉杆式定位 拉杆的两端分别与构架和轴箱销接，拉杆两端的橡胶垫、套分别限制轴箱与构架之间的横向与纵向的相对位移，实现弹性定位。拉杆允许轴箱与构架在上下方向有较大的相对位移。 图4-2 拉杆式轴箱定位 干摩擦导柱式定位干摩擦导柱式定位 安装在构架上的导柱及坐落在轴箱弹簧托盘上的支持环均装有磨耗套，导柱插入支持环，当构架与轴箱之间发生上下运动时，两磨耗套产生干摩擦，它的定位作用是通过导柱与支持环传递纵向力和横向力，再通过轴箱橡胶垫产生不同方向的剪切变形，实现弹性定位作用。1弹簧支柱；2内定位套；3外定位套；4支持环；5橡胶缓冲垫；6轴箱；7轴箱弹簧。 叠层橡胶弹簧式定位叠层橡胶弹簧式定位 在构架与轴箱之间装设压剪型叠层式橡胶弹簧，其垂向刚度较小，使轴箱相对构架有较大的上下方向位移，而它的纵、横向有适宜的刚度，以实现良好的弹性定位。 转臂式定位转臂式定位 又称弹性铰定位，定位转臂的一端与圆筒形轴箱体固接，另一端以橡胶弹性节点与构架上的安装座相连接。弹性节点允许轴箱与构架在上下方向有较大的位移，弹性节点内的橡胶件设计成使轴箱在纵向和横向具有适宜的不同的定位刚度的要求。 按弹簧装置的型式 根据转向架所装设的弹簧系统的多少可分为：单系弹簧悬挂和两系弹簧悬挂 单系弹簧悬挂 在车体与轮对之间，只设有单系弹簧减振装置，它可以设在车体与构架之间，也可以设在构架与轮对之间。 两系弹簧悬挂 在车体与轮对之间设有两系弹簧减振装置，即在车体与构架间设摇枕弹簧减振装置，在构架与轮对间设轴箱弹簧减振装置，两者相互串联，使车体的振动经历两次弹簧减振和衰减。 按摇枕弹簧的横向跨距 转向架中，摇枕弹簧横向跨距的大小对车体的倾覆稳定性影响显著。增大跨距可增加车体抗倾覆的复原力矩，提高车体在弹簧上的稳定性。根据摇枕悬挂装置中弹簧横向跨距的不同可分为：内侧悬挂、外侧悬挂和中心悬挂。 内侧悬挂 摇枕弹簧横向跨距小于构架两侧梁纵向中心线距离，如图 (a) 所示，称内侧悬挂转向架。 外侧悬挂 转向架摇枕弹簧横向跨距大于构架两侧梁纵向中心线距离如图 (b)，称为外侧悬挂转向架。 中心悬挂 摇枕弹簧横向跨距与构架两侧梁纵向中心线距离相等，则称中心悬挂转向架如图 (c)所示。 按车体与转向架之间的载荷传递方式： 心盘集中承载 车体上的全部重量通过前后两个上心盘分别传递给前后转向架的两个下心盘。如图 (a) 所示。 非心盘承载 车体上的全部重量通过中央弹簧悬挂直接传递给转向架构架，或者通过中央弹簧悬挂装置与构架之间装设的旁承装置传递，如图(b) 所示。这种转向架虽还设有类似于心盘的回转装置，但它仅作为牵引及转动中心之用。 心盘部分承载 车体上的重量按一定比例分配，分别传递给心盘和旁承，使之共同承载。如图(c) 所示。 三组成部分简介 轮 对 轮对是由一根车轴和两个相同的车轮采用过盈配合使之牢固地结合在一起，是组成转向架的重要部件之一。如图 所示。 作 用 承担车辆全部载荷 引导车辆沿着钢轨高速运行 承受着从车体、钢轨传来的各种力的作用。 要 求 具有足够的强度，以保证在允许的最高速度和最大载荷下安全运行。 在强度足够和保证一定使用寿命前提下，使其重量最小，并具一定的弹性，以减少轮轨之间的作用力和磨耗。 轮对在正常状态线路上运行时，轮缘的内侧距是影响运行安全的重要因素。轮缘内侧距有严格的规定： 铁路标准轮对，内侧距为13533mm; 地铁车辆轮对，内侧距为 13532mm 。轮缘内侧距作用 保证在任何线路上运行时轮缘与钢轨之间有一定的游间，以减少轮缘与钢轨的磨耗； 保证在最不利情况下，轮对踏面在钢轨上仍有足够的安全搭接量，不致造成脱轨；应保证安全通过道岔。车 轴 铁路车辆使用的车轴，绝大多数为圆截面实心轴，采用优质碳素钢加热锻压成型，再经热处理（正火或正火后再回火）和机械加工制成。 车轴为转向架的簧下部分，降低簧下部分的质量对改善车辆运行品质和减少对轮轨动力作用有很大影响，特别对于高速列车，为降低簧下质量常采用空心车轴结构。由于车轴主要承受横向弯矩作用，截面中心部分应力很小，制成空心结构后，对车轴的强度影响很小。一般空心车轴比实心车轴可减轻 20 一 40 的质量。车 轮 车轮的结构、形状、尺寸、材质是多种多样的。 整体车轮按其材质可分为辗钢轮和铸钢轮等。轮箍轮又可分铸钢辐板轮心、辗钢辐板轮心以及铸钢辐条轮心的车轮。 为降低噪声，减小簧下质量，还有橡胶弹性车轮、消声轮等。我国目前车辆上大部采用整体辗钢车轮。 组 成 轮辋、踏面、轮缘、辐板和轮毂组成。 车轮与钢轨的接触面称为踏面，一侧沿着圆周突起的圆弧部分称为轮缘，是保持车辆沿钢轨运行，防止脱轨的重要部分。 车轮踏面一般做成一定的斜度，称为锥形踏面，如图所示。 踏面锥形的作用： 在直线运行时使轮对能自动调中； 在曲线运行时，由于离心力的作用使轮对偏向外轨，由于踏面锥形，使外轨上滚动的车轮以较大的滚动圆滚动，在内轨上以较小的滚动圆滚动，从而减少了车轮在钢轨上滑动，使轮对顺利通过曲线； 车轮踏面有斜度，运行时车轮与钢轨接触的滚动直径在不断地变化，致使轮轨的接触点也在不停地变换位置，从而使踏面磨耗更为均匀。 锥形踏面有二个斜度，即1:20和1：10，前者位于轮缘内侧48mm-100mm 范围内，是轮轨主要接触部分，后者为离内侧100mm以外部分。踏面的最外侧做成R16mm的圆弧，其作用是通过小半径曲线，也便于通过辙叉。 滚动圆直径 离轮缘内侧70mm 处测量所得的直径为名义直径，作为车轮的滚动圆直径。 轮径小，可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴距，但阻力增加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗加快。 在地铁、轻轨车辆以及高速列车车辆上常采用弹性车轮。这种车轮在轮心轮毅与轮箍之间装有橡胶弹性元件，使车轮在空间三维方向上具有一定的弹性。弹性车轮减小了簧下重量，减小轮轨之间的作用力，缓和冲击，减小轮轨磨耗，降低噪声，改善车轮与车轴的运用条件，提高列车运行平稳性。 轮对轴箱装置 轴箱装置作用 将轮对和构架（或侧架）联系在一起，使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动 把车辆的重量以及各种载荷传递给轮对，保证良好的润滑性能，减少磨耗，降低运行阻力，防止燃轴。 轴箱装置按轴承工作的特性分为滚动轴承轴箱和滑动轴承轴箱 我国轨道交通基本实现滚动轴承化 滚动轴承优点 降低了车辆的起动阻力和运行阻力 改善了车辆走行部分的工作条件 减少了燃轴的惯性事故 减轻了维护和检修工作 降低了运营成本 轴承的要求 承载能力大、强度高、耐振、耐冲击、寿命长等。 滚动轴承分类 圆柱滚动轴承；圆锥滚动轴承；球面滚动轴承。 构 架 作 用 转向架的基础，它把转向架的各个零、部件组成一个整体。 承受、传递各种载荷及作用力，而且它的结构、形状和尺寸都应满足各零、部件组装的要求。 DK3型转向架构架是由低合金钢铸成或采用钢板焊接结构，在水平面呈 H 形，属于 H 型构架。它包括两根横梁和两根侧梁，各梁壁厚均为 12 mm 。在构架上焊有电机座、齿轮箱吊座及各种制动吊座。制动装置 使运行中的车辆在规定的距离范围内停车，装置。 作 用 传递和放大制动缸的制动力 安装制动使闸瓦与轮对之间（即制动力），产生制动效果。牵引电机与齿轮变速传动装置 作 用 使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩，利用轮轨之间的粘着作用，驱动车辆沿着钢轨运行。转向架支承车体装置 作 用 安全可靠地支承车体 传递各种载荷和作用力 车体与转向架之间应能绕不变的旋转中心相对转动，以使车辆顺利通过曲线。 转向架支承车体的方式 心盘集中承载、非心盘承载（或旁承承载）和心盘部分承载。 弹性悬挂装置 为减少线路不平顺和轮对运动对车体各种动态的影响，转向架在轮对与构架或构架与车体之间设有弹性悬挂装置。前者称为轴箱悬挂装置，后者称为中央悬挂装置 也可称为一系悬挂装置和二系悬挂装置一系悬挂装置 城市轨道车辆一系悬挂采用螺旋弹簧、人字形橡胶弹簧以起到衰减垂向震动和轴箱定位作用二系弹簧悬挂 构架与车体之间，设有二系弹簧减振装置单轨转向架 跨坐式单轨列车转向架结构特殊，走行装置独特，由橡胶轮胎完成稳定、导向、驱动作用。驱动装置为直角传动方式，基础制动为盘形制动。因为采用了橡胶轮胎，在发挥其缓冲效果的同时，由于较高的粘着力，使车辆具有较高的加速、减速性能，但是不可避免地增大了走行阻力。 转向架结构为二轴无摇枕转向架，构架为钢板焊接结构。以构架为中心，转向架由车体支承装置、走行轮、稳定轮、导向轮、驱动装置、基础制动装置、高度调整装置、牵引装置、轮胎内压检测装置、主电动机、集电装置、接地装置、速度发电机、配管及配线等组成。 无动力转向架 动力转向架 转向架构架 转向架构架是将驱动装置、走行轮、稳定轮、导向轮、基础制动装置、车体悬挂装置、牵引装置、受流器及接地装置等汇集在一起的结构性部件。构架是以16MnR钢板为主要材料的焊接结构，它由侧梁、横梁、端梁、导向轮支架、支座及电机吊架等组成。构架是以16MnR钢板为主要材料的焊接结构，它由侧梁、横梁、端梁、导向轮支架、支座及电机吊架等组成。 走行轮组成的空心车轴压装在构架侧梁轴套内侧，齿轮减速箱通过12枚M20螺栓固定在轴套外侧。侧梁四角焊有导向轮支架。横梁中部焊有牵引装置安装座。端梁中部焊有走行安全轮安装座。 在构架两侧靠中心处焊有2个支座，支座上部焊有空气弹簧安装座；支座下部设有稳定轮支架和受流器座安装孔；支座内部有密闭空腔作为空气弹簧的附加空气室；支座一侧焊有电机吊架，通过4枚M24螺栓固定驱动电机。 走行轮组成如图所示，车轴采用压入方式被悬臂地固定在构架上，走行轮通过两套圆锥滚子轴承安装在车轴上。走行轮为充氮气的无内胎钢丝圈橡胶轮胎，万一走行轮漏气，安装在构架端梁上的实心橡胶轮胎，可作为辅助车轮起着安全作用。 导向轮组成如图所示，稳定轮结构与导向轮相似，只是辅助轮在轮胎上方。导向轮、稳定轮通过圆锥滚子轴承安装在立轴上，它们是充空气的尼龙斜裁带内胎的橡胶轮胎，其组成中都安装有辅助轮，以备轮胎漏气时使用。 图 走行轮组成 图 导向轮组成 走行安全轮 跨坐式转向架的走行安全轮处于经常不使用状态。一旦在事故状态时，为了保证走行安全轮能正常使用，在安全轮里选用了双侧具有接触式橡胶油封的单列深沟球轴承。轴承内充填锂基润滑脂。该润滑脂具有防锈性，适用运行温度为35110。这种轴承是永久润滑，无需保养，安装前不应加热，也不需清洗。 空气弹簧 选择带橡胶堆的低横向刚度空气弹簧，以改善乘坐舒适性和通过曲线的性能。空气弹簧的下部通风口与转向架构架内部附加空气室连接，上部进风口与车体的管路连接。空气弹簧与附加空气室之间设节流孔，对车体起垂直减振作用。胶囊下部的叠层橡胶堆可减小车辆通过曲线时胶囊的变形量，因而改善其受力状况。另外，当空气弹簧在无空气压力状态时，此叠层橡胶堆还起垂直减振作用。安装空气弹簧时，上部进风口和下部通风口的外部表面需涂润滑脂防锈。 横向油压减振器 降低空气弹簧横向刚度的同时，匹配适当的横向阻尼力，以改善车辆的横向性能。 横向缓冲器 采用适应于低横向刚度空气弹簧的横向缓冲器。 中心销 中心销插入牵引梁内，传递纵向力。通过与中心销配合的金属套和与牵引梁配合的覆聚四氯乙烯衬套,中心销可以自由地转动和垂直移动。 牵引梁 牵引梁通过牵引橡胶堆悬挂在转向架构架上。 牵引橡胶堆 每台转向架使用4个牵引橡胶堆。其作用与普通转向架的摇枕牵引拉杆缓冲橡胶相同。安装牵引橡胶堆时，使其预压缩，这样能够延长牵引橡胶堆的寿命。 高度阀调整车辆高度 高度阀的调整杆安装在构架与车体底架之间，要求有足够的容许位移，所以使用球形杆端。 空气弹簧的高度是通过测量车体底架的空气弹簧上平面至构架的空气弹簧安装面之间的距离来进行调整，此距离为(200t) 3mm，此处t为调整垫的厚度。 车轮踏面磨耗时车体高度的调整 通过在空气弹簧座处加调整垫来调整车体高度。为了使空气弹簧被抬起后很容易将调整垫插入，在空气弹簧座上设2个M16螺纹孔，以便用2个M16的螺栓顶起空气弹簧。安装调整垫后, 在其四周缝隙处填满密封胶，以防雨水渗入空气弹簧座而生锈。 联轴节 联轴节用在驱动电机和减速箱之间，传递驱动电机输出的力矩。要求联轴节不仅要能传递动力，同时还能弥补驱动电机与减速箱输入法兰之间因制造误差引起的装配偏差，以及衰减因启动或制动工况中产生的部分或全部冲击。故在设计中采用弹性联轴节。 针对传动轴的工作特点及要求，采用了牙嵌式弹性联轴节。该联轴节允许线速度为30 m/s40 m/s；允许扭转角3.25.0；额定扭矩大于或等于1700 Nm；扭转角刚度为98.35 103 Nmrad289.28 103 Nmrad。 在额定扭矩且转速为1500 r/min时，该联轴节允许的轴向偏移量大于或等于5 mm，径向偏移量大于或等于3.4 mm，角偏移量大于或等于4.3 mm。联轴节的材料为球墨铸铁或铸钢。 齿轮减速箱 单轨列车转向架传动装置所用减速箱的特点是其减速箱正反向行驶的概率相等。也就是说，列车在正向行驶时如果圆锥齿轮所受的轴向力使两齿轮斥立的话，反之则使两齿轮楔紧并有导致卡死造成传动失效的可能。对此，在方案设计时通过综合考虑后，采取适当增大轴承的接触角、提高壳体强度、加大轴承等办法加以解决。此外，设计时力求利用国内重型汽车成熟的技术及零部件资源，以最大限度的降低制造成本。 该单轨列车减速箱为两级齿轮传动，第一级为螺旋圆锥齿轮直角传动，传动比2.118；第二级为圆柱斜齿轮，传动比3.063。主动圆锥齿轮的支承方式为圆锥滚子轴承、“O”型支承，这是汽车上广泛应用的一种支承方式。在该支承结构中，圆锥滚子轴承既承受轴向力，又承受径向力。减速箱内部齿轮及支承轴承的润滑均采用飞溅润滑。输入轴的油封应满足往复运动的要求。 走行轮及其驱动装置 通过对国外跨坐式单轨列车走行轮及其驱动装置的分析研究，并参照我国重型载货汽车驱动后桥的成熟结构，此次设计的走行轮采取了三件式、无轮辐的平底宽轮辋结构，采用“O”形橡胶密封圈。轮辋与驱动轮毂的连接是楔块式。驱动轮轮毂通过轴承支承在轴壳上，驱动轮轮毂与驱动轴（半轴）法兰通过螺栓连接。驱动轴采用全浮式支承，通过端部的花键与减速箱从动圆柱齿轮连接，从而将经减速箱传来的扭矩传递到走行轮上，实现驱动的目的。 水平轮（导向轮和稳定轮）轮辋形式是两件式、有轮辐的平底宽轮辋。水平轮轮辋通过螺栓与轮毂连接并支承在2个圆锥滚子轴承上，为可转动部分，轮轴（立式车轴）与转向架构架通过螺栓相联，为不可转动部分。辅助钢轮（安全轮）与水平轮轮辋通过螺栓固定在一起。水平轮与轨道两侧的压紧负荷通过调整垫片调节。 制动器 通过调研和初步计算分析，选择了KNORR公司用于汽车的钳盘式制动器。该制动盘的直径为430 mm，厚度为45 mm。控制方式为气控制，带强力弹簧停车制动器，杠杆比为15.6左右，单个制动器摩檫面积为400 cm2。制动器装在减速器第一级从动齿轮轴上，制动钳装在减速箱壳体上。 测速装置 测速装置是系统设置的速度检测元件，它将传动系统的机械转速转换为电信号，输出的电压与相应的转速成正比。 轮胎气压检测装置 本设计采取的是集流滑环式轮胎气压检测装置。第三节 DK型地铁电动客车转向架 长春客车厂设计制造的用于北京地铁、天津地铁、朝鲜平壤地铁客车的转向架为无摇动台式DK型转向架，属于该系列、数量较多的有DK3、DK4、DK8、DK16、DK20等多种型号。 图4-10为平壤地铁客车转向架外观。图4-11为它由构架1、轮对轴箱弹簧装置2、摇枕弹簧装置3、齿轮减速箱5、齿式联轴节6、基础制动装置7和受 流器等组成。 图4-10 平壤地铁客车转向架外观北京地铁DK3型转向架 1构架；2轴箱弹簧；3摇枕弹簧；4尼龙垫；5齿轮减速箱；6齿式联轴器；7基础制动装置。北京地铁DK3型转向架 1构架组成；2轮对组成；3轴箱组成；4轴箱定位装置；5中央悬挂装置；6基础制动装置；7牵引电动机；8齿轮减速箱；9齿式联轴器。构架上海地铁动车转向架 1构架；2轴箱装置；3轮对；4叠层橡胶弹簧；5空气弹簧和弹性元件；6垂向液压减振器；7横向液压减振器；8抗侧滚扭杆；9横向橡胶缓冲挡；10中心销；11Z形拉杆；12牵引电机；13齿轮减速箱；14基础制动装置；15速度传感器；16接地装置。 转向架构架 1轴弹簧座；2构架；3节点座；4齿轮箱吊座；5牵引拉杆座；7受流器座；8制动吊座。 1构架；2轴箱弹簧；3摇枕弹簧；4尼龙垫；5齿轮减速箱；6齿式联轴器；7基础制动装置。