工程车辆基本构造认知

任务2　工程车辆基本构造认知

【活动场景】

在检修现场教学或用多媒体协助展现。

【任务要求】

掌握工程车辆的基本构造。

【知识准备】

1.工程车辆的基本构造

除网轨检测车、隧道清洗车、放线车、平板车没有动力外，其余工程车辆的基本构造包括发动机、传动装置、车体和车架、走行部、制动系统、电气系统及辅助装置七大部分，为讨论方便，以下简称此类车辆为机车。

①发动机是机车的动力装置，其作用是将燃料的化学能转变为机械能。机车主要采用的是柴油机，即利用柴油燃烧时所产生的燃气直接推动活塞做功。

②传动装置的作用是将发动机的机械能传给走行部分，力求发动机的功率得到充分发挥，并形成乘务人员的工作场所。

③走行部（转向架）的作用是承受机车的上部质量，将传动装置传递来的功率转换为机车的牵引力和速度，保证机车运行平稳和安全。

④制动系统的主要作用是机车遇到紧急情况需要降低速度，或者进站需要停车时产生制动力，使机车减速或停车。

⑤电气系统的功能是通过各种电器元件实现机车启动、调速、充电、照明等，保证机车各系统正常运行。

⑥辅助装置的作用是保证发动机、传动装置和走行部的正常工作和可靠运行，辅助装置包括有：燃油供给系统、冷却水系统、机油系统、空调系统、液压系统等，此外还有信号装置、灭火器以及随车工具等。

2.工程车辆的牵引

作为牵引动力机车，影响机车运行的力主要有3种：

①机车牵引力，使机车运动并可以控制的外力。

②列车阻力，在运动中产生的与列车运行方向相反的不可控制的力，列车阻力包括机车阻力和车辆阻力。

③制动力，与列车运行方向相反的使机车减速或停止的可控制的外力。

以上3种力在一般情况下不是同时存在的。在牵引工控下，牵引力和阻力同时存在；在惰行工况下，只有阻力存在；在制动工况下，制动力和阻力同时存在。

（1）牵引力

①牵引力的形成

设柴油机产生的扭矩通过输出轴、传动装置、最后使侧动轮获得扭矩W，如果机车被调离钢轨，则扭矩作为内力矩，只能使车轮发生旋转运动，而不能使机车发生平衡运动。当机车置于钢轨上使车轮和钢轨成为有压力的接触时，就产生车轮作用可以控制的力F，F所引起的钢轨作用于车轮的反作用力F₁就是使机车发生运行的外力。这种有钢轨沿及机车运行方向加于动轮轮周的切向外力就是机车轮周牵引力，简称机车牵引力。

②黏着定律

轮周牵引力是钢轨对动轮的反作用力，所以它的大小随着作用在动轮上的力矩M的大小变化，并由司机改变主控制器手柄来实现。当力F增大时，反作用力F₁同样随之增大，这时动轮上的接触点与钢轨上的接触点没有相对滑动。车轮与钢轨间的黏着力F黏的极限接近于轮轨间的摩擦力，即一个动轴黏着力的最大值。

F_黏max＝W_minQ

（7.1）

式中　F_黏max——由轮轨间的黏着条件决定的黏着力，N；

　　　W_min——轮轨间的最大物理黏着系数（接近静摩擦系数）；

　　　Q——动轮荷重，kN。

③黏着系数

物理黏着系数W是一个由多种因素决定的变化，它在一定的范围内变化。当车轮在钢轨上滚动时，W_min接近于静摩擦系数。W_min值与轮荷重、线路刚度、机车传动装置和走行部的结构、轮箱和钢轨的材质及其表面状态、车速等因素有关。在干钢轨上撒上一层细石英砂，W_min值可高达到0.6，而一般干钢轨的W_min值为0.3～0.5变化。轨面上有一层微观薄油膜，将使值减少，甚至可能小到0.15以下。轮荷重不同，则凹凸不平的轮轨接触面的变形（弹性变形和塑性变形）也不同，使W_min值也发生变化，最大黏着系数作为物理值具有随机性，变化范围很大，而且影响因素很多，所以很难准确计算。

黏着系数的确定一般都是根据大量实验，将实验结果用于统计方法整理成经验公式用作计算的依据。由经验公式计算求得的黏着系数称为计算黏着系数，用W_计表示。

我国目前内燃机车常用的计算黏着系数公式为

W_计＝0.25＋

（7.2）

式中　v——机车运行速度，km/h。

这个计算黏着系数在正常条件下不需要撒砂就能实现，在恶劣条件下，通过撒砂也能基本实现。

在曲线半径R＝300～600m的曲线上，计算黏着系数有所下降，可用式（7.2）计算：

W＝W_计（0.67＋0.0005R）

（7.3）

式中　W——曲线上的计算黏着系数；

　　　R——曲线半径，m。

近年来，由于科学技术的发展，特别是电力牵引的发展，牵引力和制动力都逐渐增大，轮轨间的黏着已成为限制增大牵引力和制动力的关键问题。

目前，提高黏着系数的措施，除了减少轴重转移，减少簧下质量、撒砂以及轮对在构架内的定位刚度不过大外，还采用对轨面进行化学处理。

（2）阻力

机车在牵引过程中需要克服列车阻力。

列车阻力包括机车阻力和车辆阻力两部分。根据引起阻力的原因，阻力可分为基本阻力和附加阻力两类。

①基本阻力

基本阻力在列车运行中总是存在。由于列车在平直道上运行时一般只有基本阻力，所以基本阻力常称为平直道上的阻力。基本阻力是由列车内部之间和列车在外部之间相互摩擦和冲击产生的。机车或者列车在各种工况下都有基本阻力存在。引起基本阻力的主要因素有：

滚动轴承的滚动摩擦或滑动轴承的滑动摩擦。

a．车轮与钢轨间的滚动摩擦和滑动摩擦。

b．冲击和振动引起的阻力。

c．冲击阻力。

机车车轮的基本阻力与车轮的构造有关。

②附加阻力

附加阻力只发生在特定情况下，如列车在坡道上运行时，有坡道阻力；在曲线上运行时有曲线阻力；列车启动时，有启动附加阻力，等等。

A．坡道阻力

列车进入坡道后，列车重力产生的沿坡道斜面的分力称为坡道阻力。

B．曲线阻力

曲线阻力是列车通过曲线时增加的阻力，引起曲线阻力的原因有：

a．车轮对于钢轨的横向及纵向滑动。

b．轮缘与钢轨头内侧的摩擦。

c．滚动轴承的轴端摩擦或滑动轴承的轴瓦轴颈的摩擦。

d．车辆心盘及旁承因转向架的回转而发生的摩擦。

曲线阻力与许多因素有关，如曲线半径、运行速度、外轨超高、车重、轴距、轮面的磨耗程度等。

③隧道空气附加阻力

列车进入隧道后，使隧道的空气产生阻塞现象。由于列车进入隧道，使空气流动的截面积减少，因而空气流动的速度提高，以及列车头部的空气被压缩和尾部的空气被稀释的情况比隧道外加剧，所以使得作用在列车上的空气阻力增大。这种增加的空气阻力称为隧道空气附加阻力。

列车的隧道空气阻力与许多因素有关，如隧道内的运行速度、列车长度、列车进风面积、隧道长度、隧道净空面积、隧道洞门形状、列车头部和尾部形状等。

④启动阻力

列车停车后，轮载使轨面下沉，轴颈轴承间有油膜破坏，油的黏度因油温下降而显著增大（特别是在低温情况下），以致重新启动时的阻力远大于基本阻力。这种因车辆停留而增加的阻力称为启动阻力。启动阻力的大小与启动停留时间、外界温度、轴重润滑油种类、轴承种类及车辆走行部分的状态有关。

列车阻力随所处环境的不同而变化，也与机车车辆的结构设计、保养质量以及减振材料等有关。影响阻力的因素极为复杂，变化也很大，很难进行理论推算。因此，在实际计算中，阻力数值都是结合具体情况从多次试验中找到的一般平均值。

（3）制动力

机车车辆进行速度调整控制或者停车时，需要施加制动，机车车辆的制动力主要由空气制动装置产生，一般制动是通过空气制动系统，使闸瓦压紧轮对产生制动力，当列车在长大坡道上运行时，电力机车或者电传动的内燃机车还采用电阻制动，部分液力传动的内燃机车采用液力制动，以减少闸瓦磨耗。

在制动工况时，列车依靠惯性惰性，现以一个轮对为分离体来讨论闸瓦压紧轮对产生的制动力。轮对以ω角速度在轨面惯性滚动，车辆以线速度v惰性，设一块闸瓦压力为K，一个轮对的闸瓦压力为￡K，车轮与闸瓦间的摩擦系数为＆K。在￡K的作用下，产生摩擦系数￡K＆K。该摩擦力仍为轮对系数的一个内力，不能对其位移产生影响，但由于￡K＆K以及车轮在钢轨上黏着状态的存在，使得车轮对钢轨有一个作用力B，因而引起钢轨对轮的反作用力B，这个外力B就是一个轮的制动力。

机车或列车运行时，增大制动力可以缩短制动距离，提高行车的安全性。但是，也和实现机车的牵引力一样，必须遵守黏着定律，不能无限制地增大制动力。

3.工程车辆的牵引性能

（1）内燃机车的功率

内燃机车的功率一般是指机车柴油机的功率。

柴油机的功率有小时功率、持续功率及装车功率之分，三者的概念是：

①持续功率：在指定的环境下（按国际标准，气压100kPa和气温300K），在正常修理周期内，柴油机能够持续发出的最大功率。

②小时功率：在和持续功率同样的环境下，紧接着持续功率工作后，柴油机允许连续运转1h所发出的最大功率，在这样的运转情况下，柴油机的零部件的热负荷（即活塞、活塞环和缸套的温度）和机械负荷（运动件的机械应力）均须在允许值内，小时功率一般为持续功率的110%。

③装车功率：也称最大运用功率，是在正常修理周期内，由环境状况和使用条件决定的柴油机最大有效功率。

环境状况和使用条件的变化对柴油机工作有很大的影响。气温和海拔高度的增加均会导致柴油机功率的下降。柴油机因其用途不同，负荷状况不同，故装机功率也不同。

在标定以上功率时，首要是考虑柴油机的质量，因为质量是柴油机出力大小、工作可靠和使用寿命的根本保证。在同样的质量下，柴油机功率定得大，其工作可靠性和工作寿命就会相应降低，只有通过持续的试验，并对实际运用情况和结果作系统的调查研究，在切实掌握所生产的柴油机的质量的基础上，才能比较正确地标定以上各功率。

（2）机车理想牵引特性

机车的司机手柄有若干挡位，或者由柴油机转速控制手柄，每一挡位（或者手柄每个位置）对应某一转速和某一功率。当司机手柄在最高位置，那么柴油机就会运行在全功率，为了保证柴油机的功率在不同的机车转速下充分发挥，牵引力应该按一定功率变化。

根据公式

F_Kv＝3600N_辅·N_转·N_e

（7.4）

式中　F_K——机车轮周牵引力，N；

　　　Ne——柴油机输出功率，kW；

　　　N_辅——考虑驱动辅助装置消耗功率的系数；N_传——传动装置效率。

当Ne、N_辅、N_传等一定时，F_Kv＝常数，就是机车轮周牵引力F_K与机车速度v成反比关系，该关系曲线为一双曲线，这个曲线称为等功率曲线。低速时，牵引力大，随着速度的增加，牵引力逐渐降低，称为机车理想牵引特性。机车设置传动装置就是使论证的牵引力与速度的关系接近于理想牵引特性，从而使柴油机功率得到充分发挥。

在高速工况下，速度受到最大运用速度v_max的限制；在低速工况下，牵引力受到机车黏着的限制，根据轮轨的黏着条件（不发生空转）。机车可能实现的最大论证牵引力F_max不能大于机车的最大黏着牵引力F_黏max。

F_Kmax≤F_黏max

（7.5）

F_黏max＝1000PW_max　（N）

（7.6）

式中　P——机车质量，kN；

　　　W_max——机车最大物理黏着系数。

4.内燃机车的3个特征速度

（1）机车的最大运用速度

机车的最大运用速度v_max是设计机车给定的最大速度，根据这个速度确定传动装置、走行部等结构和参数，校验曲线通过以及选用制动方式等。

机车最大运用速度的确定是个比较复杂的问题，并由多种因素决定。按照任务的不同，对机车的最大运用速度有不同的要求：线路允许的最大速度，如通过曲线的限制速度；机车制动能力所允许的最高速度等。

机车的最大运用速度就是在综合考虑上述因素以及运行品质、强度等因素后确定的，机车的试验速度一般要求比最大运用速度大10km/h。

①机车计算速度

机车牵引规定质量的车列通过计算（限制）坡道的最低运行速度称为机车计算速度v计，或者说，用以计算机车牵引质量的速度称为计算速度。

②机车持续速度

机车持续速度v持是指机车在全功率工况下，其冷却装置的能力所能允许的持续最低速度。

对液力传动内燃机车来说，在持续速度v持下，液力工作油的油温允许接近平均值。因此，液力传动机车的持续速度是由冷却液力工作油的能力决定，实际运用中，要求机车的最低持续运行速度不低于v持，总之，冷却液力工作油的能力是v持的决定因素。

（2）内燃机车的3个特征牵引力

内燃机车的3个特征牵引力是指启动牵引力、计算牵引力和持续牵引力。

①启动牵引力

机车启动时所能发出的最大牵引力称为启动牵引力。

根据统计资料，对于成组驱动的机车，可取

F_启＝0.33P

（7.7）

式中　F_启——启动牵引力，kN；

　　　P——机车质量，kN。

②计算牵引力

在全功率工况下，对应机车的计算速度v计下的牵引力称为计算牵引力F计。计算牵引力受计算速度的机车黏着的限制。根据实验，对于成组的动力机车，可取

F＝0.23P（kN）

（7.8）

③持续牵引力

机车在全功率工况下运行时，对应持续速度的牵引力称为持续牵引力。

5.工程车辆的限界要求

为保证地铁的运营安全，一切建筑物、设备设施在任何情况下均不得侵入地铁的建筑接近限界。与机车、车辆直接相互作用的设备，在使用中不得超过规定的侵入范围。

地铁线路在设计时已经规定了相应建筑物的接近限界和机车车辆限界，并根据要求制订了限界图和限界门。地铁工程车设计要求必须满足车辆的限界要求，工程车到达地铁后要经过相应的限界门检验后，才能在相应的车辆段和正线上运行。

投入使用后的工程车，如需进行改造，必须符合车辆限界的要求，在不能确定的情况下，必须重新进行限界门检测，不符合要求的必须整改合格后才能上线运用。在检修和运用中，要加强工程车侧门、走行部的紧固检查，防止因侧门打开、部件松脱而造成侵界从而引发行车事故。

6.工程车辆的车体和车架

机车车体的作用在于保护机车上的机器设备不受雨、雪、风、沙的侵袭，并通过隔音、隔热改善乘务人员的工作条件。

车体底架是机车各种设备如柴油机、传动装置及车体的安装基础，同时又承受和传递垂向力、纵向力、横向力。因此，要求底架在铅垂面和水平面内具有足够的强度和刚度，以保证安装在它上面的各种设备和部件的工作安全可靠。

车体分非承载式车体及承载式车体两种。非承载式车体不必进行特殊设计，只要求能保证其本身工作可靠所必需的强度和刚度即可。承载式车体，即车体及车架作为一个整体结合在一起，成为一个完整的、具有足够强度和刚度的、能更好地承受各种方向的力的承载体系。

（1）非承载式车体及车架

①非承载式车体

按车体外形分，非承载式车体分罩式（外走道式）和棚式（内走道式两种）。

a．罩式车体

罩式车体：外形矮小，动力室、冷却室内不通行，司机室布置在机车的一端或中部，当工作人员检查机器设备时，必须打开车体侧面的门。西安地铁的JW0201、JW0202就是罩式车体。

b．棚式车体

棚式车体外形高大，其内部除安放柴油机、传动装置外，还有供工作人员通行的走道，以便在运行中随时进行设备检查和排除临时发生的故障。这种车体的司机室布置在车体的一端或两端。西安地铁的GD0201、GD0202、GD0203就是棚式车体。车体由外表面和骨架组成，在外表面和内壁之间填充隔音、隔热材料。

②非承载式车架

非承载式车体的车架，一般为中梁承载式车体。中梁承载式车架一般包括中梁、侧梁、横梁、端梁、车钩牵引箱、上心盘、架车座等部分。中梁是车架的主要受力部件。例如GD0201接车的主车架由左、右两根纵向中梁，前后牵引梁，中间横梁和外围板组成，具有足够的强度和刚度。

（2）承载式车体及车架

①承载式车体

按结构形式的不同，承载式车体分为桁架式和框架式两种。

a．桁架式侧壁承载车体

桁架式侧壁承载车体一般由桁架、侧壁、斜杠、底架、车顶和司机室等部分组成。这种结构的优点是：车体外壁不承受载荷，可以对电焊工工艺要求低些。缺点是侧壁斜杠、侧壁开孔的大小和位置往往受到限制，同时也不能最大限度地减轻机车的质量。

b．框架式承载车体

框架式承载车体具有加强的立柱。由立柱、中间杠、上下弦杠构成框架。由框架覆盖在其外面的钢板构成侧壁，承受全部载荷和纵向力。这种结构的优点是：车体有增大的强度和刚度；侧壁开孔不大受限制；能最大限度地减轻机车质量。缺点是对钢板和焊接工艺有较高要求。

②承载式车体的底架

无论是桁架式侧壁承载车体还是框架式承载车体，其车底架一般都由箱形侧梁、牵引梁、横梁和纵梁组成。机车上设备的质量是通过底架结构而传到侧壁上去的。纵向力是通过端部牵引梁而传到侧壁。

承载式车体的底架与非承载式车架相比较，承载式车体的底架没有两根贯穿车辆上的长粗工字梁。因而使车架高度降低，质量轻、节约钢材。一般大功率机车多采用框架式承载车体。

7.车钩及缓冲器

车钩及缓冲器是机车车辆的重要部件，它们的用途是：将机车与车辆连接成列车，在列车运行中传递牵引力，缓和及衰减在列车运行中由于牵引力变化和制动力前后不一致而引起的冲击和振动。因此它们具有连接、牵引和缓冲作用。

列车牵引时，机车牵引力经车架、车架上的缓冲铁、缓冲器、车钩尾框和尾销作用给车钩，冲击力（压缩力）与牵引力相反，它是经缓冲器传递给车架。总之，牵引力或冲击力都是经缓冲器传递的，所以在牵引或制动过程中产生的冲击力都可通过缓冲器得到缓冲和衰减，以提高机车车辆运行的平稳性。

（1）车钩

车钩由钩体、钩舌、钩舌锁铁、钩锁、钩舌销和钩提组成。钩体、钩舌、钩舌锁铁由铸铁制成。地铁工程车一般使用13＃车钩。

车钩的主要作用有：①闭锁位置。为机车车辆联挂后的车钩状态，此时两钩抱合。②开锁位置，是摘车时的位置。③全开位置，是准备连挂钩时的位置。

车钩能相对于车体上下左右略作移动，以适应机车车辆通过曲线和坡道。

（2）缓冲器

缓冲器用来减少机车车辆受到冲击时产生的作用力，以防止机车车辆损坏。缓冲器一般有板弹簧缓冲器和橡胶缓冲器两种。

8.工程车的走行部

走行部是支撑车体并担负机车、车辆沿着轨道走行的支撑走行装置。工程车辆走行部分为车架式走行部和转向架走行部。铁路发展的初期，世界各国大多采用将轮对安装于车体下面的二轴车上的车架式结构。西安地铁的接触网作业车就是这种结构。

由于通过小半径曲线的需要，二轴车的轴距不能太大，另外，机车（车辆）的轴重、长度和容积均受到限制。如果把两个或多个轮对专用的构架（或侧架）连接，组成一个小车，称为转向架，车体坐落在两个转向架上，由于这种带转向架结构具有许多明显优势，因此现代大多数轨道机车（车辆）的走行装置都采用转向架结构形式。西安地铁的内燃机车和网轨检测车就是这种结构。

为了改善车辆的运行品质，在走行部上设有弹簧减振装置和制动装置等，有转向架的车辆，为了便于通过曲线，一般在车体和转向架之间设有心盘或回转轴，转向架可以绕一中心轴相对车体转动。

（1）车架式走行部

车架式走行部，相当于整个车架就是一个转向架。其结构包括轮对、轴箱和弹簧装置。

①轮对：是走行部的重要部件，是直接向钢轨传递机车质量，通过钢轨间的黏着产生牵引力或制动力，并通过轮对的回转实现机车在钢轨上的运行。轮对主要由车轴、车轮及驱动装置组成。

②轴箱：轴箱是联系车架和轮对的活动环节，它除了保证轮对进行回转运动外，还能使轮对适应线路等条件，相对于车架上下、左右和前后活动、轴箱装在车轴两端座上，用来将全部簧上载荷包括铅垂方向的动载荷传递给车轴，并将来自轮对的牵引力或制动力传到车架上，轴箱有滚动轴承轴箱和滑动轴承轴箱之分。地铁工程车一般采用滑动轴承轴箱。

③弹簧装置：用来保证一定的轴重分配，缓和线路不平稳对机车的冲击并保证机车在垂向的运行平稳性。弹簧装置一般由弹簧（圆弹簧、板弹簧、橡胶簧）减振器组成。

两轴车的轴箱分别通过弹簧装置和轴箱拉杆直接连接到车架上，其他驱动机构，基础制动装置与有转向架的机车基本相同。

图7.1

图7.2

（2）转向架的功能与结构

大多数机车的走行部采用转向架机构。其任务是：

①承受车架以上各部分的质量，包括车体、车架、动力装置以及辅助装置等。

②保证必要的黏着，并把轮轨接触处产生的轮周牵引力传递给车架车钩，牵引列车前进。

③缓和线路不平顺对机车的冲击和保证机车具有较好的运行平稳性。

④保证机车顺利通过曲线。

⑤产生必要的制动力，以便使机车在规定的制动距离内停车。

（3）转向架的主要组成部分：

①构架：是转向架的骨架，承受和传递垂向力及水平力。

②弹簧装置：用来保证一定的轴重分配，缓和线路不平稳对机车的冲击并保证机车在垂向的运行平稳性。

机车的弹簧装置一般由弹簧（圆弹簧、板弹簧、橡胶簧）、均衡梁、各连接件（杠件、销、垫片、螺帽等）和减振器组成。

设置在转向架与轴箱之间的弹簧装置是一系弹簧，设置在车体与转向架之间的是二系弹簧。采用两系弹簧悬挂，可减少弹簧装置的合成刚度，改善机车在铅垂方向的运行平稳性和减少机车对线路的作用力。

减振器不仅可以装在铅垂方向，也可装在水平方向。减振器有摩擦减振器和液压减振器两种，其中液压减振器主要是利用液体黏滞阻力做负功来吸收振动能量，地铁工程车一般是采用液压减振器。

③车体与转向架的连接装置：用以传递车体与转向架间的垂向力及水平力（纵向力如牵引力或制动力，横向力如通过曲线的车体未平衡离心力等），使转向架式机车通过曲线时能相对于车体回转，它既是承载装置，又是活动关节。

④轮对和轴箱：轮对直接向钢轨传递机车质量，通过轮轨间的黏着产生牵引力和制动力，并通过轮对的回转实现机车在钢轨上的运行。轴箱是联系构架和轮对的活动环节，它除了保证轮对进行回转运动外，还能使轮对适应线路等条件，相对于构架上下左右和前后活动。

地铁工程车一般采用滚动轴承轴箱。

⑤驱动机构：将机车动力装置的功率最后传递给轮对。机械、液力传动内燃机的驱动机构由万向轴、车轴齿轮箱等组成。电传动内燃机车的驱动机构由牵引电机、车轴齿轮箱组成。

万向轴由法兰盘、花键套、花键轴、十字头组、轴承盖等组成。

车轴齿轮箱结构有：单缓车轴齿轮箱、两级车轴齿轮箱。单级车轴齿轮箱只有一对锥齿轮。它的优点是结构简单、质量轻；缺点是减速比不大。两级车轴齿轮箱由一对锥齿轮及一对圆柱齿轮构成。它的优点是减速比比较大，缺点是结构复杂。

⑥基础制动装置：由制动缸传来的力，经杠杆系统增大若干倍，传递给闸瓦，使其压紧车轮，对机车进行制动。

（4）转向架的分类

转向架的形式有多种多样，其主要区别在于：转向架的轴数和类型，弹簧悬挂系统的结构与参数，轴箱定位方式，垂向载荷的传递方式，轮对支撑方式，制动装置的安装类型等多方面，机车的转向架主要按照转向架的轴数、弹簧悬挂方式，轴箱定位方式等分类。

①按转向架的轴数分类

按轴数分类，转向架有二轴、三轴和多轴。西安地铁的内燃机车、网轨检测车等就是二轴转向架，铁路客货运主型东风DF4内燃机车、韶山SS型电力机车的转向架就是三轴转向架，国外大功率机车还有四轴转向架。如美国的DD-35型内燃机车的转向架就是四轴转向架。

转向架的轴数一般是根据机车或车辆总重和每根车轴的允许轴重确定的，例如，某机车有两根三轴转向架，转向架的每根允许轴重为25t，因此，其最大质量（自重与载重之和）不能超过150t（6×25＝150）。

②按弹簧装置的悬挂方式分类

按照弹簧悬挂方式分为一系弹簧悬挂转向架和二系弹簧悬挂转向架。

a．一系弹簧悬挂转向架：在采用一系弹簧悬挂的车辆上，在车体至轮对之间，只设有一系弹簧悬挂减振装置。所谓“一系”，就是指车体的振动只经过一次（空间三维方向均包括）弹簧减振装置实施减振。该装置在转向架中设置的位置，有的是设在车体（摇枕）与构架之间；有的是设在构架与轮对轴箱之间。采用一系弹簧悬挂，转向架构造比较简单，便于检修、构造，成本比较低。一般一系弹簧转向架多用于低、中速机车。

b．二系弹簧悬挂转向架：在采用二系弹簧悬挂的车辆上，在车体至轮对之间，设有二系弹簧悬挂装置。在转向架中同时有摇枕弹簧减振装置和轴箱减振装置，使车体的振动经历2次弹簧减振装置衰减。

显而易见，二系悬挂的转向架结构比较复杂，采用的零部件数目明显增多，但由于它是从上向下返回再从上向下先后两次充分利用从车体底架至轮对之间的有限空间，具有较大的弹簧装置总静扰度，并对摇枕悬挂和轴箱悬挂分别选择各自的阻尼及刚度，确定适宜的扰度，明显地改善了车辆的运行品质。所以，二系悬挂多用在高速机车上。

另外，多系悬挂转向架，因其结构过分复杂，而且只要设计合理，二系悬挂装置已能满足车辆运行平稳性要求，因此，多系悬挂很少使用。

除了以上分类方式外，还可按机车车速进行分类，可分为高速转向架（车速在200km/h及以上），快速转向架（车速为140～200km/h），以及普通转向架（车速在140km/h以下）。

9.弹簧与减振器

机车的弹簧装置一般由弹簧（圆弹簧、板弹簧、橡胶簧）、均衡梁、各连接件（销、垫片、螺母等）和减震器组成。

弹簧装置有两个作用：一是给机车各轴以一定的质量分配，并使所分配的质量在车轮行经不平线路时不致发生显著变化；二是当机车车轮行经不平稳处或车轮不圆而发生冲击时，弹簧装置可缓和其对机车的冲击。

（1）机车常用的弹簧

①圆弹簧

圆弹簧一般安装在转向架构架和轴箱之间作为一系弹簧，这种弹簧比较轻，静扰度小，工作灵敏，但无减振能力，可与减振器配合使用。

有时圆弹簧的尺寸受到安装处所的位置限制或者簧条太粗，为了利用弹簧内部空间，往往采用双圈圆弹簧，甚至三圈圆弹簧来代替单圈圆弹簧。为了防止因震动而导致内外圈卡死，两个弹簧的螺旋方向应相反，地铁绝大多数工程车辆使用的就是这种弹簧。

②橡胶弹簧

橡胶弹簧一般安装在车体与转向架之间作为二系弹簧，这种弹簧减振性能好，特别是能吸收高频振动的能力；并且质量轻，不存在突然折损的可能，使用中不需经常检查。

（2）液压减振器

现代机车上，广泛采用圆弹簧与减振器相结合，既达到能衰减振动，又能保持弹簧装置工作灵活的目的。减振器不仅安装在铅垂方向，也可安装在水平方向，减振器有摩擦减振器和液压减振器两种。

①摩擦减振器

摩擦减振器是借摩擦面的相对滑动产生阻尼的减振器，摩擦减振器结构简单，成本低，制造维修比较方便，缺点是摩擦力随表面状态的改变而变化，摩擦力与振动速度基本无关，所以可能出现低速时阻尼过大，影响弹簧的灵敏度；较高速度下出现阻尼不足，振幅过大。

②液压减振器

液压减振器主要是利用液体黏滞阻力做负功来吸收振动能量。液压减振器的优点在于它的阻力是振动速度的函数，因此它有较好的减振性能，得到广泛应用，地铁工程车多是采用液压减振器。

10.车体与转向架的连接装置

车体与转向架的连接装置的作用是：保证机车的质量、纵向力（牵引力及制动力）、横向力的正常传递，轴重的均匀分配和车体在转向架上的安定；允许转向架在机车进出曲线时能相对于车体回转运动，因此，它既是承载装置，又是活动关节。

车体与转向架之间的连接装置有多种类型，普遍使用的有两类：一类为有心盘（或牵引销）和旁承的结构；另一类为有牵引杆装置和旁承相结合，地铁工程车辆一般采用有心盘（或牵引销）和旁承的结构。

（1）有心盘（或牵引销）和旁承的连接装置

在车体与转向架之间的连接装置中，心盘（或牵引销）只传递总向力和横向力，车体质量全部由盘承传递。盘承可以是弹性的，也可以使刚性的，根据设计要求的不同，一个转向架上可以设置2个盘承，也可以设置4个盘承。

西安地铁内燃机车就是这种连接装置，转向架与车体的连接有牵引销和4个盘承，牵引销只传递纵向力和横向力，并作为机车过曲线时，车体与转向架相对回转的中心，车体质量全部由4个盘承支撑，盘承在车体与转向架相对回转式，还启动摩擦副的作用。

（2）有牵引杆装置和旁承的连接装置

为了传递牵引力，降低牵引电，使转向架相对于车体转动和横动，以及在转向架中部空间被其他部件占用的时候，在液力传动、电传动内燃机车上多采用杆件系统来替代心盘（或牵引销的作用），这套杆件系统就叫牵引杆装置。

牵引杆机构的特点是转向架并没有固定的回转中心，而是在一个有限面的范围内变动，并且允许车体相对于转向架横向移动。

11.轴箱和轮对

轴箱是联系构架和轮对的活动关节，它除了保证轮对进行回转运动外，还能使轮对适应线路等条件，相对于构架上下、左右和前后摇动，轮对直接向钢轨传递机车质量，并通过钢轨间的黏着产生牵引力和制动力，通过轮对的回转实现机车在钢轨上的运行。

（1）轴箱

轴箱装在车轴两端端颈上，用来将全部簧上载荷包括铅垂方向的动载荷传给车轴并将来自轮对的牵引力或制动力传动到构架上去，此外，它还传递轮对与构架间的横向及纵向作用力。

图7.3

轴箱对构架而言是个活动关节，轴箱与构架的连接方式对机车的运行品质有很大影响，这一连接通常称为轴箱定位。轴箱定位应保证轴箱能够相对于转向架构架在弹簧振动方向作垂向运动，在机车通过曲线时还能少量横移。

轴箱定位一般分为导框定位、无导框定位和W型橡胶堆式定位3种形式。

①导框式定位轴箱

一般结构上，导框是焊在构架侧壁上的一个铸钢件，轴箱上的导槽和构架上的导框相配合组成导框定位。

轴箱导框定位中，轴箱在导框内可上、下移动，也可在规定的轴箱内对构架的横动量范围内左、右移动。考虑到机车振动、轴重分配不均等引起的弹簧变形可能使轴箱碰到侧梁或轴箱托板，轴箱顶至侧梁底面的距离和轴箱底部至轴箱托板的距离有一定要求，为了便于修理，在轴箱导框与轴箱相接触的摩擦面上，各装有耐磨的衬板，为了保证车轮经线路不平处时轴箱可作垂向运动而不被卡住，侧面衬板上、下部可做成倾斜面，在机车保养上应定期向轴箱与导框之间加润滑油。

②无导框定位

无导框定位也称拉杆式定位，它是指轴箱用两根带有橡胶关节的轴箱拉杆与构架相连接，当轴箱上、下跳动时，两个轴箱拉杆分别以构架拉杆做的两个心轴为圆心做一定弧度的上、下摆动。如果拉杆为纯钢性的，则轴箱中心的运动轨迹为一条曲线，即一方面上下跳动，一方面转动；但由于拉杆两端是橡胶关节，所以在实际上，轴箱中心运动的轨迹接近一条直线。

轴箱拉杆由拉杆体、长芯轴、短芯轴、橡胶套、橡胶垫、卡环及端盖组成。拉杆的两端通过长、短芯轴与轴箱拉杆座连接。

采用这种带有橡胶关节的轴箱拉杆定位方式，轴箱可依靠橡胶关节的径向、轴向及扭转弹性变形，实现各个方向的相对位移，使轮对与构架的联系成为弹性，适当增加它的横向刚度和纵向刚度，可以显著改善机车的运行平稳性。

这种无导框轴箱的优点是：轴箱与构架不需要润滑，也不存在磨损，轮对不能横向运动，有利于改善蛇形运动；轮对与构架的弹性连接具有缓和冲击、隔音的作用，轮对磨耗比导框定位的小，因此，无导框轴箱已在我国轻型机车上广泛采用。地铁的内燃机车就是这种拉杆式定位轴箱。

应该指出，采用拉杆定位的轴箱，轴箱相对于构架的上、下位移，将受到拉杆轴套的约束，实际上就相当于在垂向加入了一个并联弹簧，因而使一系列弹簧悬挂的刚性增大。

③V型橡胶堆式定位轴箱

采用这种V型橡胶堆式轴箱定位方式，V型橡胶堆支承构架质量起轴箱弹簧作用，还能传递纵向力及横向力，每一轴箱前后各装一个金属橡胶夹层弹簧。一端与车架固结，另一端与轴箱固结，此橡胶弹簧在垂向载荷作用下，橡胶受到剪切机压缩变形，改变橡胶弹簧的安装角度，可以得到不同的垂向刚度和纵向刚度。

V型橡胶弹簧具有质量轻、结构简单、吸收高频振动，减少噪声等优点，但是弹性能力强的橡胶容易老化。地铁的网轨检测车就是这种V型弹簧定位轴箱。

（2）轮对

轮对是机车走行部分最重要的部件之一，它由车轴和车轮组成。

图7.4

轮对的主要作用是：机车全部质量通过轮对支承在钢轨上；通过轮对与钢轨的黏着力产生牵引力和制动力；通过轮对滚动使机车前进，此外，轮对在机车运行中的受载作用力比较复杂繁重，当车轮行经钢轨接头、道岔等线路不平顺处，轮对承受全部垂向和纵向的冲击。

轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成。在车轴与车轴部位采用过盈配合，使两者牢固地结合在一起，为保证安全，绝对不允许有任何松动的现象发生。

因此，对车辆轮对的要求是：应有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行；应在强度足够和保证一定使用寿命的前提下，使其质量最小，并具有一定弹性，以减小轮轨之间的相互作用力，应能适应车辆直线运行，同时又能顺利通过曲线，还应具有必要的抗脱轨的安全性。

在车轮的故障中，有踏面磨耗、轮缘磨耗、踏面擦伤与剥离、车轮裂纹等，它们直接威胁到行车安全，因此，必须加强检查，及时发现并妥善处理。

（3）车轴

车轴是机车转向架中最重要的部件之一，铁路机车车辆的车轴绝大多数是圆截面心轴，它的质量好坏直接关系到运行的安全，所以在制造和维修中，必须严格要求。

由于车轴各部位受力状态不同及装配的需要不同，其直径也不一样，车轴分轴颈、轮座、轴身、防尘板座4部分。各部位作用如下：

①轴颈：用以安装滚动轴承（或安装滑动轴承的轴瓦），负担着车辆质量，并承载各方向的静、动载荷。

②轮座：是车轴与车轮配合的部位。

③轴身：是车轴中央部分，该部位受力较小。

④防尘板座：为车轴与防尘板配合部位，其直径比轴径大，比轮座直径小，两者之间是轴颈和轮座的中间过渡部分，以减小应力集中。

图7.5

图7.6

车轴所受的载荷有：

①机车的自重和动态附加载荷，由车轴齿轮箱经过从动齿轮传动轮对的扭矩。

②牵引力的弯曲作用：通过曲线时的侧压力，车轴齿轮箱的轴颈载荷等。

由于主要的应力都是交变的，所以多数车轴的折损是由疲劳所引起。实践证明，车轴的开裂多发生在3个区域，即在轴颈的圆肩部分；在轮座的外缘部分；在车轴的中央部分，所以在设计车轴时，必须尽可能地减少车轴上的应力集中。为此，在车轴上不同直径连接处，均用圆弧过渡，并且圆弧半径要尽可能大些。

（4）车轮

目前我国铁路机车车轮绝大多数使用整体辗钢轮，它包括踏面、轮缘、轮辋、轮毂和辐板等部分。

①踏面：车轮与钢轨的接触面称为踏面。

②轮缘：一个突出的圆弧部分成为轮缘，保持机车、车辆沿钢轨运行。

③轮辋：是车轮上踏面最外一圈。

④轮毂：是轮与轴相互配合的部分。

⑤辐板：是联结轮毂与轮辋的部分，辐板上一般有两个圆孔，便于轮对在机加工与机床固定和搬运轮对之用。

直径较大的车轮，是把轮箍套装在轮心上，轮心重装在车轴上，轮心还是套装车轴齿轮箱从动齿轮的部分。

踏面滚动圆直径即为车轮的名义直径，一般左右两轮缘内侧距离为1353mm。

轮缘和踏面是和钢轨直接接触的部分。为了使轮对在钢轨上平行运行，顺利通过曲线，降低轮缘和踏面的磨耗，延长镟修时间，轮缘和踏面应有合理的外形，我国规定的车轮外形，如图7.7所示。

图7.7　车轮轮缘踏面外形

车轮踏面需要作成一定斜度，其作用是：

①便于通过曲线。机车车辆在曲线上运行，由于离心力的作用，轮对偏向外轨，于是在外轨上滚动的车轮与钢轨接触的部分直径较大，而沿内轨滚动的车轮与钢轨接触部分直径较小，使滚动中的轮对、外侧的车轮沿外轨行走的路程长，内侧的车轮沿内轨行走的路程短，这正好和曲线区间路线的外轨长内轨短的情况相适应，这种可使轮对比较顺利地通过曲线，减少车轮在钢轨上的滑行。

②可自动调中。在直线线路上运行时，如果车辆中心线与轨道中心线不一致，则轮对可在滚动过程中自动纠正偏离位置。

③踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。

从以上分析可知，车轮踏面必须有斜度，而斜度的存在也是轮对发生蛇行运动的原因。

锥形踏面与钢轨的接触，仅为狭小面积接触，因此产生局部磨耗，使轮箍呈凹形，但踏面到达某种凹形程度后，外形便相对稳定，如果把轮箍外形设计成磨耗型轮箍外形，轮轨接触条件就能稳定，因此国内外提出了采用曲形踏面（或称磨耗型踏面）设计，曲线踏面的优点是：延长了镟轮公里和减少镟轮时的车削量，在同样的接触应力下，允许更高的轴重，以减少曲线上的轮缘磨耗。但曲形踏面的缺点是降低了机车的运行临界速度。

车轮的形状、尺寸、材质是多种多样的，按其用途可分为客车用、货车用、机车用。车轮按其结构分为整体轮与轮箍轮。

12.驱动机构与制动装置

机车驱动机构的作用是将机车动轮装置的功率最后传递给轮对。根据机车传动方式的不同，其驱动机构也有不同。

电传动机车的驱动机构是一种减速装置，实现高转速、小扭矩的牵引电动机的力矩较大的动轴。

机械传动机车的驱动机构是由离合器、变速箱、传动轴、固定轴、换向阀、车轴齿轮箱等主要部件组成。

液力传动机车的驱动机构由传动箱、万向节、传动轴、固定轴、车轴齿轮箱等部件组成。

目前地铁工程车辆没有电传动机构，都是机械传动和液力传动方式。

（1）万向轴（图7.8）

万向轴是传动系统中的主要部件之一，它将各传动部件联接成一个完整的部件，将柴油机的功率传至各部件，使机车能正常运行。

万向轴由法兰盘、十字节、花键轴等组成。实践证明，采用万向轴传递动力效率高，还具有工作稳定、维护简单等优点。

机车的万向轴是在高速或者重载下工作的，其本身尺寸比较大，所以组成比较复杂，一般情况下万向轴必须通过动平衡试验，以提高平稳性和可靠性，延长万向轴和轴承的使用寿命。

图7.8　万向轴

图7.9　车轴齿轮箱

（2）车轴齿轮箱（图7.9）

车轴齿轮箱是整个驱动系统中的最后一环，它的作用是将万向轴的功率改变方向后传给机车轮对，所以车轴齿轮箱中一定要有一对锥齿轮。车轴齿轮箱可分为两种类型：一类是一级齿轮箱，又称单级箱；另一类是二级齿轮箱，又称两级箱。

①单级车轴齿轮箱

单级齿轮箱只有一对锥齿轮。它的优点是结构简单、质量轻；缺点是减速比不大。

②两级车轴齿轮箱

两级车轴齿轮箱由一对锥齿轮及一对圆柱齿轮构成。动力的传递是先圆柱后锥齿轮。这种结构的特点是锥齿轮低速不高，但是会受到来自车轮与钢轨的冲击影响。

（3）车轴齿轮箱平衡杆

车轴齿轮箱是用滚动轴承自由支承在车轴上的，当机车牵引时，由于受轮对牵引力的反扭矩作用，齿轮箱有向下翻转的趋势，因此车轴齿轮箱必须用平衡杆来支撑。设计平衡杆时应注意使其平行于轨面，在位置允许的情况下越长越好，以便减少机车运行中因振动而受到的垂向力。

支座应具有合适的弹性，弹性大，则由于簧上部分振动而引起的平衡杆中的力就小，但是弹性过大，会因车轴齿轮箱在动轴上的旋转角度过大而影响万向轴的正常工作。

一般车轴齿轮箱平衡杆一端通过橡胶缓冲垫与转向架构架连接，另一端通过关节轴承与车轴齿轮箱的拉臂座连接，可以适应转向架与轮对之间的横向及垂直位移。

13.基础制动装置

机车进站要停车或者遇到紧急情况下要求紧急停车，或者在下长大坡道控制车速时，都需要在机车上设制动装置，以提供必需的制动力。内燃机车上一般除了安装机车基础制动装置外，还有其他制动装置，如电传动内燃机车上装有电阻制动装置，液力传动机车上装有液力制动装置，此外还有停车状态时的手制动装置。

地铁工程车上都装有空气制动装置和手制动装置，空气制动装置和手制动装置都是通过基础制动装置最后作用在轮对上的。

基础制动装置的作用是将制动缸鞲鞴的推力（或者手制动装置手柄上的力）经杠杆系统增大后传给闸瓦压紧轮箍，通过轮轨黏着产生制动。

基础制动有单侧制动和双侧制动之分，每个轮对有4块闸瓦分别挂在车轮的两侧，称双侧制动；每个轮对只有两块闸瓦分别挂在左右车轮的一侧，称单侧制动。

单侧制动构造简单且容易布置，但制动时轴箱受力不平衡，闸瓦压力大，单位面积发热量大，摩擦系数低，制动效果比双侧制动差。一般在小功率、速度低的机车上采用单侧制动，大功率，高速度机车采用双侧制动。

基础制动装置由于经常使用，必须产生磨损，致使轮瓦间隙不断增大，这样制动缸鞲鞴行程会增加，因而降低了制动效果。为此，必须调节基础制动拉杆，使闸瓦接近车轮踏面。

一般同一轮对左右两侧的制动杠杆托架上安装有横向连接拉杆以限制闸瓦制动时横向窜动，防止闸瓦偏磨。

当闸瓦磨耗到厚度小于规定值时必须更换，而且同一轮对上的闸瓦同时更换。

14.曲线通过概述

（1）机车的振动

机车是一个多自由度的振动系统，作用于机车上的各种激扰力使它产生复杂运动的过程，引起机车振动的因素可概括为3类：线路的构造和状态、轮对的构造和状态、柴油机-传动机组和辅助机组的构造和状态。由于这些因素引起振动是随机车速度的增加而加剧的，所以高速机车振动问题显得比较突出。

为了保证机车运行平稳舒适、减轻对机车本身和线路的破位作用、确保行车运行品质。故采用理论分析与实验相结合的方法，研究机车在运行中产生的力学过程，掌握机车转向架的振动规律，以便合理设计机车有关结构，正确选定弹簧装置、轴箱定位横动装置、减速器等参数，并为有关零部件的强度计算提供必要数据。

（2）机车的蛇行运动

由于车轮的踏面为锥形，加上轮缘与钢轨存在间隙，当轮对中心在行进中偶然偏离直线轨道的中心时，两轮便以不同直径的滚动圆在钢轨上滚动，使轮对在行进中发生横向摆动，围绕其重心的垂轴来回摇动，这种波形运动称为蛇行运动。蛇行运动是铁路机车车辆特有的运动。

假定机车车体与转向架连接的二系弹簧悬挂装置中有横动装置，即允许机车车体转向架横移。则机车的蛇行运动可分为：

①车体蛇行：车体剧烈侧摆并伴以摇头、侧滚，通常在速度不是很高时出现。

②转向架蛇行：转向架构架侧摆和摇头振动很大，车体振动相对较小，通常出现在较高速度行驶时。

③轮对蛇行：如果轮对在构架的定位刚度很硬，则轮对和转向架一起蛇行运动；如果轮对在构架中的定位刚度较软，则在高速下会发生轮对剧烈侧摆和摇头。

随着机车运行速度从低到高的增加，车体蛇行首先发生，通常称为一次蛇行，转向架蛇行称为二次蛇行。

剧烈的蛇行运动不仅破坏机车车辆运行的平稳性，而且还破坏线路，甚至会引起脱轨事故，以致严重妨碍列车速度的提高。这个问题在铁路工作者深入研究之后，采取了有效措施，使列车稳定运行的速度达到350km/h以上。

（3）机车的曲线通过概述

机车车辆通过曲线一般是依靠轮缘引导的，由于机车质量大、轴阻强（特别是两轴车）、通过曲线时轮轨间产生横向的相互作用力，所以机车通过曲线远比车辆困难。大的横向相互作用力能够引起大的钢轨应力，轮缘磨耗和钢轨磨耗严重时还可能使机车脱轨。

地铁线路曲线比较多，钢轨磨耗比较严重，严重的磨耗会增加机车镟轮或更换轮对，也增加了钢轨打磨和更换工作量，所以研究机车车辆曲线通过和设法改善机车车辆曲线通过，具有重要意义。

机车曲线通过有两个互相联系的研究内容：几何曲线通过和动力曲线通过。

①几何曲线通过

几何曲线通过研究机车与线路的几何关系，机车自身相关部分在曲线上的几何关系，研究机车的几何曲线通过，也为研究机车的动力曲线通过提供有关数据。

研究几何曲线通过主要解决以下问题：

a．确定机车所能通过的曲线的最小半径，以及通过最小半径所需的轮对横动量。

b．给出机车转向架通过曲线时的转心位置。

c．确定在曲线上机车转向架对于车体的偏转角，以及车体与建筑限界的关系。

②动力曲线通过

动力曲线通过主要研究机车以不同速度通过曲线时与线路的相互作用，探讨机车安全通过曲线的条件和措施，为机车和线路的强度计算和轮缘磨耗提供有关数据。

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