典型城轨车辆转向架分析

项目5　城市轨道交通车辆转向架

【项目描述】

转向架是支撑车体及其载荷并引导车辆沿着轨道运行的走行装置。为了便于通过曲线,在车体和转向架之间设有心盘或中心回转装置,使转向架可以实现相对于车体的转动。为了改善车辆运行品质和满足运行要求,在转向架上设有弹簧减振器装置和制动装置。对于动车转向架上装有牵引电机和驱动装置,以驱动车辆运行。

【学习目标】

通过本模块的学习要求掌握以下基本知识：

1.掌握转向架作用及分类组成。

2.掌握转向架各部件的结构及工作原理。

【技能目标】

1.能认识城轨车辆转向架的各组成部分的基本结构、作用原理。

2.能说明典型城轨车辆转向架的结构特点。

3.能判断城轨车辆转向架的各种运用故障并能进行处理。

任务1　城市轨道交通车辆转向架的整体认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。城市轨道交通车辆转向架结构组成的初步认识。

【知识准备】

转向架又称为台车,是城轨车辆的走行部,它位于车体底架和钢轨之间,主要支撑车体的垂直载荷,产生并传递牵引力和制动力,引导车辆沿着轨道运行的走行装置。为了便于通过曲线,在车体和转向架之间设有心盘或回转轴,转向架可绕中心轴相对车体转动。每一辆车的两端各设一台两轴转向架,其结构是否合理将直接影响车辆的运行品质、动力性能和行车安全,因此,转向架是车辆的重要组成部分。客观地说,转向架是轮轨系统车辆安全运行和发展的核心技术。

由于各国铁路的铁道车辆及城轨车辆的发展历史和背景不同及技术条件上的差异,致使各国研制的城市轨道交通车辆转向架结构类型差异较大,同时由于在设计原则上的共识和实践经验促使城市轨道交通车辆的转向架形式上有许多相同之处：无磨耗轴箱弹性定位、复合制动系统。城轨车辆的转向架一般包括轮对轴箱装置、弹性悬挂装置、构架、制动装置、牵引电机与齿轮传动轴传动装置和转向架支撑车体装置。

(1)转向架的作用和组成

1)转向架的基本作用

①采用转向架可增加车辆的载重、长度和容积,提高列车运行速度。

②保证在正常运行条件下,车体都能可靠的坐落在转向架上。并通过轴承装置使车轮沿着钢轨的滚动转化为车体沿线路运动的平动。

③支撑车体,承受并传递来自车体与轮对之间或钢轨与车体之间的各种载荷及作用力,并使轴重均匀分配。

④适应轮轨接触状态的变化,充分利用轮轨之间的黏着,传递牵引力和制动力。

⑤保证车辆安全运行,能灵活的沿线路运行及顺利通过曲线。

⑥悬挂装置可根据客流的变化调整其刚度,以保证车辆客室地板面与站台面的高度相协调,方便旅客的乘降,这对城市轨道交通车辆尤为重要。

⑦转向架的结构便于弹簧减振装置的安装。以使其具有良好的减振特性,缓和车辆和线路之间的相互作用,减小振动和冲击,提高车辆运行的平稳性和安全性。

⑧对动力转向架来说,还要便于安装牵引电机及传动装置,以提供驱动车辆的动力。

⑨转向架是车辆的一个独立部件。在转向架与车体之间的连接件要少,结构简单,装拆方便,便于转向架独立制造和维修。

2)转向架的组成

一般地,城市轨道交通车辆的转向架采用二轴构架式转向架,并普遍采用无摇枕结构。主要特点：一系悬挂主要有金属螺旋弹簧、人字形(或称八字形)和锥型金属橡胶弹簧3种结构；二系悬挂主要有空气囊加橡胶金属叠层弹簧构成。无论何种形式的转向架,它们的基本组成部分和主要功能是相同的。西安地铁2号线车辆动车转向架结构如图5.1所示。

图5.1　动车转向架组成

1-构架组成；2-轮对轴箱装置；3-二系悬挂装置；4-基础制动装置；5-驱动装置；6-中央牵引

①轮对轴箱装置。轮对直接向钢轨传递质量,通过轮轨之间的黏着产生牵引力和制动力,并通过车轮的回转实现对车辆在钢轨上的运行(平移)。轴箱与轴承装置是连接构架和轮对的活动关节,它除了保证轮对进行回转外,还能通过轮对适应线路不平顺条件,相对于构架上下、左右和前后运动。轮对除传递车辆的质量外,还传递轮轨之间的各种作用力。

②弹性悬挂装置。为减少线路不平顺和轮对运动对车体产生的各种动态的影响,转向架在轮对与架构或构架与车体(摇枕)之间,设有弹性悬挂装置。前者称轴箱悬挂装置,后者称摇枕(或中央)悬挂装置,也称为一系悬挂装置和二系悬挂装置,一系悬挂装置用来保证一定的轴重分配,缓和线路不平顺对车辆的冲击,并保证车辆运行的平稳性,主要包括轴箱弹簧、垂向减振器和轴箱定位装置等。二系悬挂装置用以传递车体与转向架间的垂向力和水平力,使转向架在车辆通过曲线时能相对于车体回转,并进一步减缓车体与转向架间的冲击与振动,同时必须保证转向架安全平稳,主要包括二系弹簧、各方向减振器、抗侧滚装置和牵引装置。

③构架。构架是转向架的基础,主要包括侧梁、横梁和案卷其他零部件的安装或悬挂座,构架将转向架的各个零、部件组成一逐步形成整体,因此不仅要承受、传递各种载荷和作用力,而且其结构、形状和尺寸都应满足基础制动、弹性减振、轴箱定位等零部件组装的要求。

④制动装置。这里的制动装置指的是安装在转向架上的基础制动装置,主要包括制动缸、放大系统、制动闸片和制动盘,其作用是传递并放大制动缸的制动力,并将其传递给闸瓦或闸片,使其车轮或制动盘摩擦而产生制动力。

⑤驱动装置。驱动装置只安装在动车的转向架上,驱动装置主要包括牵引电机、车轴齿轮箱、联轴节或万向轮和各种悬吊机构等,主要是使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩,利用轮轨间的黏着作用,驱动车辆沿钢轨运行,牵引电机在列车运行中还起着产生牵引力和电制动力的作用。

⑥转向架中心牵引装置。转向架中心牵引装置由中心销系统和牵引拉杆组成,包括中心销、牵引拉杆系统；主要作用是传递牵引力和制动力,完成转向架相对于车体的回转运动,架车时悬吊转向架。

(2)转向架的主要技术要求和设计原则

1)主要技术要求

城轨车辆转向架的主要技术要求,主要体现在以下5个方面：

①保证最佳的黏着条件。轴重转移应尽量少,且轮轨间不产生黏-滑振动。

②良好的力学性能。尽量减少轮轨间的动作用力,减少轮轨间的应力和磨耗。

③质量轻且工艺简单。尽量能减轻自重,且制造和修理工艺简单容易。

④良好的可接近性。易于接近,便于检修。

⑤零部件标准化和统一化。结构和材质尽可能统一化。

2)设计的基本原则

城轨车辆转向架在设计时,要遵循以下基本原则：

①采用高柔性性空气弹簧悬挂系统,以获得良好的振动性能。

②采用高强度、轻量化的转向架结构,以降低轮轨间的动力作用。

③采用有效抑制蛇行运动的措施,提高转向架的动力学性能。

④采用复合制动模式,除采用空气制动装置外,还应考虑采用黏着和非黏着制动方式。

(3)转向架的分类

由于轨道交通车辆的转向架的用途不同,运行条件各异,加之各城市对轨道交通车辆的转向架的性能、结构、参数和采用的材料、工艺等有不同的要求,因此,出现了不同类型的转向架。归纳起来各种不同类型的转向架的主要区别在于：轴数和类型、轴箱的定位方式、弹性减振装置的形式、载荷的传递方式等。

1)轴数和类型

按轨道交通车辆的轴数分主要有2轴、3轴和多轴转向架,城轨车辆一般均是2轴转向架,也有个别采用单轮对(轮组)的转向架,铁路客、货车一般也是2轴,特殊情况下有3轴和多轴转向架。

按轨道交通车辆的轴重分,我国轨道交通车辆主要有B,C,D,E,F等类型,城轨车辆由于受线路和桥梁标准的限制,一般选用轴重较轻的B,C,D轴,我国铁路客、货车由于载重较大,因此一般采用D,E,F轴。

2)轴箱的定位方式

①拉板式轴箱定位的转向架。如图5.2(a)所示,用特种弹簧钢材制成的薄片形式定位拉板,其一端与轴箱连接；另一端通过橡胶节点与构架相连。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,对轴箱构架上下方向的相对位移就小。

②拉杆式定位的转向架。如图5.2(b)所示,拉杆的两端分别与构架轴箱销接,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5.2　轴箱拉板式和拉杆式定位方式

③转臂式定位的转向架。如图5.3所示,这种定位方式又称弹性铰定位,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。

④层叠式橡胶弹簧定位。如图5.3(b)所示,在构架与轴箱间装设压剪型层叠式橡胶,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。

图5.3　转臂式定位和层叠式橡胶弹簧定位

【小贴士】目前,城轨车辆的定位方式主要有转臂式定位、八字形橡胶堆轴箱定位和层叠圆锥橡胶轴箱定位3种。我国天津轻轨车辆和北京地铁车辆DK3型采用转臂式定位方式,上海地铁车辆(SMC)和广州地铁地铁车辆采用了八字形(也称人字形)橡胶堆轴箱定位方式,具有良好的三向弹性特性。西安地铁2号线车辆则采用了层叠圆锥橡胶轴箱定位方式。具体的结构将在任务3中作详细分析。

以上所述的定位方式,均为无磨耗的轴箱弹性定位的装置,通过对橡胶金属弹性铰或弹性节点的设计,可实现轴纵、横向不同定位刚度的要求,从而达到较为理想的定位性能。

⑤干摩擦导柱式定位。干摩擦导柱式定位方式是利用安装在构架上的导柱及坐落在轴箱弹簧托盘上的支持环之间的磨耗套产生摩擦而定位,城轨车基本上不使用这种定位方式,它最早使用于铁路旧型客车转向架。

3)弹簧减振装置的形式(悬挂方式)

①一系弹簧悬挂。如图5.4(a)所示,在车体与轮对之间,只设有一系弹簧减振装置。它可设在车体与构架之间,也可设在构架与轮对之间。

②二系弹簧悬挂。如图5.4(b)所示,在车体与轮对之间设有二系弹簧减振装置,即在车体与构架同设弹簧减振装置,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的衰减。

图5.4　弹簧悬挂装置图

4)摇枕弹簧的横向跨距

①内侧悬挂。如图5.5(a)所示,摇枕弹簧向跨距小于构架两侧梁纵向中心线距离。

②内侧悬挂。如图5.5(b)所示,转向架摇枕弹簧向跨距大于构架两侧梁纵向中心线距离。

③内侧悬挂。如图5.5(c)所示,摇枕弹簧向跨距与构架两侧梁纵向中心线距离相等。

图5.5　弹簧减振装置的横向跨距

5)车体与转向架之间载荷传递方式

①心盘集中承载。如图5.6(a)所示车体的全部质量通过前后两个心盘分别传递给转向架的两个下心盘。

②非心盘承载。如图5.6(b)所示车体的全部质量通过弹簧减振装置直接传递给转向架的构架,或通过弹簧悬挂装置与构架之间设的旁承装置传递,这种转向架虽然设有心盘回转装置,但它的作用是牵引和转动。

③心盘部分承载。如图5.6(c)所示车体部分质量按一定比例,分别传递给心盘和旁承,使它们共同承载。

6)车体与转向架之间的连接方式

按城轨车辆车体与转向架之间的连接方式的不同,可将转向架分为有心盘(或有牵引销)转向架、无心盘(或无牵引销)转向架和铰接式转向架(又称雅克比转向架)。

城轨地铁车辆转向架通常采用有心盘(或有牵引销)转向架,而轻轨车辆常常采用铰接式转向架。铰接式转向架与车体的连接,即要保证相邻两车体端部彼此连接传递垂直、纵向和横向载荷,又能保证车体两端在通过曲线时能彼此相对转动(垂向和横向)。其连接结构原理如图5.7所示。

图5.6　车体载荷的传递方式

图5.7　铰接式转向架的车体与转向架的连接方式

①具有双排球形转盘的铰接转向架。两相邻车体一端支于内盘,另一端支于外盘,转动盘通过摇枕弹簧与构架相连,构架坐落在轮对的两轴箱弹簧上。垂直载荷由转盘经摇枕→摇枕弹簧→构架→轴箱簧→轮对。纵向牵引与冲击力通过内外转盘传递。通过曲线时,相邻两车体可绕转动盘彼此回转。

②具有球心盘的铰接转向架。两相邻车体端部通过球心盘相互搭接,球心盘座固接于摇枕梁上,摇枕梁坐落在构架上,构架通过轴箱弹簧与轮对连接。

③TGV高速列车的雅克比铰接转向架。列车的中间车一端为支承端；另一端为铰接端。支撑端车体端墙的两侧设空气弹簧承台,中央设有下球心盘座,车体的载荷经弹簧台至空气弹簧,再到构架。相邻铰接端车体端墙的中央设有上球心盘,搭接于相邻车体支撑端的中央下心盘上,车体的一半质量经心盘传至支撑端,两车之间的纵向力也通过心盘传递。因此,中间车体呈三点支撑。

【任务实施】

本次任务的实施以我国北京和上海地铁典型的转向架为例,认识城轨车辆转向架的主要结构和特点。

(1)北京地铁典型转向架简介

1)北京地铁有摇枕转向架

如图5.8所示为我国北京地铁有摇枕转向架(DK3型转向架)的立体图,DK3型转向架是我国自行设计制造的,用于北京地铁车辆的转向架,它是无摇枕台空气弹簧式转向架。属于该系列的有DK1型、DK2型、DK3型、DK4型、DK8型以及DK16型等。该转向架主要由轮对轴箱装置、构架、摇枕弹簧装置、纵向拉杆和基础制动装置、牵引电动机及传动装置等组成。其基本特点如下：

①轴箱的定位方式采用转臂式中的轴箱弹簧水平放置、金属橡胶弹性铰销定位方式。

②采用心盘承载方式。

③采用爪形轴承固定牵引电动机的形式。

总而言之,这种转向架属于比较落后的,目前已停产。

图5.8　北京地铁有摇枕转向架(DK3型转向架)

1-轴箱弹簧；2-构架；3-摇枕弹簧；4-纵向拉杆；5-基础制动装置

2)北京无摇枕转向架

如图5.9所示为北京地铁无摇枕转向架的平面设计图。目前城市轨道交通的电动客车车辆普遍采用空气弹簧支撑无摇枕转向架。北京地铁无摇枕转向架是由长春客车厂于1994年研制设计的,其主要特点是：一系悬挂采用圆锥叠层橡胶弹簧,兼作轴箱定位装置；二系悬挂采用无摇枕空气弹簧,使转向架具有良好的运行性能、最低的振动噪声、最少的检修费用。

图5.9　北京地铁无摇枕转向架

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； 6——基础制动装置；7-牵引电动机；8-齿轮减速箱；9-齿轮联轴器

(2)上海地铁转向架

1)上海地铁第一类转向架

如图5.10所示为上海地铁第一类转向架,主要用于上海地铁1,2,4号线。其特点如下：

①1号线采用直流电动机牵引,其余采用交流电动机牵引。

②一系采用人字弹簧定位；二系采用空气弹簧定位,每个转向架设两个垂向减振器、一个横向减振器、一套抗侧滚扭杆,横向减振器在机构下侧,便于检修。

③抗侧滚扭杆的扭臂、连杆置于构架外侧,扭杆工作长度大,对车体侧滚运动反应灵敏且有效。

④轴箱部位呈拱形以适应人字弹簧定位要求。

⑤横梁两侧设悬臂式电动机座和齿轮箱吊座。

⑥中央牵引装置采用中心销、复合弹簧、心盘座、“Z”形牵引拉杆结构,均匀分配牵引力和制动力,中心销两侧设横向止挡。

⑦齿轮箱为一级减速,直流车齿轮箱箱体为卧式水平分型面,易于检修；交流车位横向垂直分型面,不便于检修；两种齿轮箱的大、小齿轮齿数及减速比也不同。

⑧直流车采用橡胶联轴节,电动机中心与小齿轮轴中心的同轴度要求高,齿轮箱吊杆长度可调；交流车采用机械联轴节,齿轮箱吊杆长度不可调,只需转向架进行台架试验时加垫片调整。

⑨直流车每辆车的两个转向架分别设一个和两个高度阀,即车体三点定位,易调整地板面高度,也易满足转向架均衡性要求；交流车每辆车的两个转向架均只有一个高度阀,即车体两点定位,易满足转向架均衡性要求,但调整地板面高度难度大。

图5.10　上海地铁1,2,4号线转向架

2)上海地铁第二类转向架

如图5.11所示为上海地铁第二类转向架,主要用于上海地铁3号线地铁车辆。其特点如下：

①一系采用转臂式轴箱定位,二系采用空气弹簧定位,每个转向架设两个垂向减振器、一个横向减振器、一套抗侧滚扭杆,区别在于横向减振器设在构架上方,不便检修。

②抗侧滚扭杆的扭臂、连杆置于构架内侧,扭杆工作长度小,对车体侧滚运动反应不够灵敏,效果较差。

③动车、拖车转向架构架不能互换。

④中央牵引装置采用中心销和橡胶堆结构,结构简单,易于检修,中心销两侧设横向止挡。

⑤牵引电动机为交流驱动电动机,齿轮箱为两级减速,结构较复杂。

⑥采用机械联轴节,齿轮箱吊杆长度不可调,台架试验时加垫片调整。

⑦每辆车的两个转向架分别设两个高度阀,即车体四点定位,易调整地板面高度,不易满足转向架均衡性要求。

图5.11　上海地铁3号线转向架(第二类转向架)

3)上海地铁第三类转向架

如图5.12所示为上海地铁第三类转向架,主要用于上海地铁1号线地铁车辆。其特点如下：

①采用锥形橡胶套定位,一系为锥形橡胶套。

②二系采用空气弹簧,每个转向架设两个垂向减振器、一个横向减振器、一套抗侧滚扭杆。横向减振器设在构架上方；抗侧滚扭杆的扭臂、连杆置于构架外侧,扭杆工作长度大,对车体侧滚运动反应灵敏且有效。

③中央牵引装置采用中心销和单牵引杆结构,其结构简单,易于检修,中心销两侧设横向止挡。

④牵引电动机为交流驱动电动机,齿轮箱为一级减速,齿轮箱箱体为卧式水平分型面。

⑤采用机械联轴节,齿轮箱吊杆长度不可调,台架试验时加垫片调整。

⑥每辆车的两个转向架分别设两个高度阀,即车体四点定位,易调整地板面高度,不易满足转向架均衡要求。

图5.12　上海地铁1号线北延伸列车转向架(第三类转向架)

【效果评价】

评价表

任务2　转向架构架的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架的使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

转向架构架的结构组成及功用。

(1)城轨车辆转向架构架的作用

转向架的构架是转向架的骨架,主要功能用于联系安装转向架各组成部分和传递各方向的力,并用来保持车轴在转向架内的位置。

(2)构架的组成

如图5.13所示为构架的组成,由图可知构架主要由左、右侧梁,一根或几根横梁及前后端梁组焊而成。侧梁是构架的主要承载梁,是传递垂向力、纵向力和横向力的主要构件,侧梁还用来确定轮对位置。横梁和端梁用来保证构架在水平面内的刚度,使两轴平行并承托牵引电机等。构架上还设有空气弹簧座、中心安装座、轴箱吊框、电机安装座、齿轮箱吊座、制动吊座、牵引拉杆安装座、高度控制阀座、抗侧滚扭杆座、减振器座和止挡等,用于安装相关设备。构架的强度和刚度对转向架的性能很重要,其主要破坏形式是裂纹和变形。

图5.13　构架的组成

(3)构架的分类

1)铸钢构架与焊接构件

按制造工艺分,城轨车辆转向架的构架主要有铸钢构架和焊接构架两种形式。

铸钢构架质量大,铸造工艺复杂,在使用中受到一定程度的限制,城市轨道交通车辆中一般不采用铸钢构架。焊接构架的组成梁件为中空箱形,质量轻,节省材料,又能满足强度和刚度的要求,因此,应用较广泛。尤其是压型钢板的焊接构架,其梁件可以按等强度设计,箱形截面尺寸可依据各部位受力情况而大小不等,使各截面的应力接近,并可合理地分布焊缝,减少焊缝数量,不但具有足够的强度,且质量轻,材料利用率更高,只是对制造设备要求较高,成本也较高,比如,我国上海、广州地铁均采用了压型钢板焊接构架。

2)结构形式

如图5.14所示,城轨车辆转向架的构架按结构形式分为开口式、封闭式、H形、日字形、目字形等,其判断依据主要由横梁的数目与位置决定,开口式、H形、日字形最为常见。

图5.14　构架

1-侧梁；2-空气弹簧座；3-横梁；4-轴箱吊框； 5-电机安装座；6-齿轮箱吊座

(4)转向架构架的设计原则

城轨车辆转向架构架与铁路车辆构架在设计时均须遵守以下原则：

①必须全面考虑构架与各有关零部件的相互位置关系,合理布置结构。

②构架各梁尽可能设计成等强度梁,以保证能获得最大强度和最小自重。

③构架各梁的布置应尽可能对称,以简化设计和制造。

④各梁本身以及各梁组成构架时,必须注意减少应力集中。

⑤除了保证强度外,应合理设计构架的刚度,使其具有一定的柔性。

⑥焊缝的结构尺寸和布置应选择合理,并注意消除焊接应力。

⑦在构架上需考虑设置机车车辆出轨使其复位的支撑部位。

【任务实施】

本次任务的实施通过我国几种典型的城轨转向架的构架结构的分析,对城轨车辆转向架构架结构组成功用进行理解,并掌握城轨车辆典型转向架构架各相关尺寸及关键尺寸。

(1)北京地铁10号线车辆转向架的构架

如图5.15和图5.16所示构架分别为北京地铁10号线车辆动车用构架和拖车用构架的结构示意图,由图可知其结构的主干部分完全相同,比如侧梁和横梁无缝钢管的尺寸是相同的,主要区别是根据各自所安装的设备的不同,例如,动车构架带有电机吊座、齿轮箱吊台等,都属于H形构架,钢板焊接结构的箱形侧梁,与侧梁相贯通的无缝钢管作为横梁。为降低质量,简化结构,其设计具有以下特点：

图5.15　北京地铁10号线地铁车辆转向架拖车构架

图5.16　北京地铁10号线地铁车辆转向架动车构架

①横梁用无缝钢管制成,并用无缝钢管作附加空气室,替代以前转向架用摇枕作为附加空气室。

②侧梁和无缝钢管的焊接是用圆环形板进行加强,辅助附加空气室位于横梁两端,用来增加附加空气室的容积。

(2)深圳地铁1号线车辆转向架构架

如图5.17所示为深圳地铁1号线车辆转向架的构架,由图可知这种构架由两根侧梁和两根横梁组成的焊接构架,并组成箱形结构,可承受较大的载荷,达到最优化的强度与质量之比值。构架形式为H形构架；动车转向架构架与拖车转向架是完全相同的,可以进行互换；每根侧梁的两端具有两个对称布置的一系弹簧座,用来固定一系圆锥叠层橡胶弹簧；构架侧梁两端设有4个起吊座；空气弹簧座位于侧梁的中心；制动单元座、牵引电机悬挂安装座、液压减振器吊座、抗侧滚扭杆安装座、高度阀杆及其他转向架安装部件的支撑座均焊接(或安装)在构架上。

图5.17　深圳地铁1号线地铁车辆转向架动车构架

1,3-构架侧梁；2-电机吊座

(3)ZMA080型转向架构架

如图5.18所示,ZMA080型转向架是中国南车株洲电力机车有限公司在上海轨道交通明珠线二期工程的地铁车辆中引进西门子公司技术的转向架。其结构是由两根侧梁和中间横梁组成,两根侧梁由中间横梁连接,构成无摇枕的H形结构,采用低合金高强度的钢板。构架的侧梁在转向架中间降低以便安装空气弹簧。侧梁上有制动单元的安装座,中间横梁上有支撑电机和齿轮箱的托架。

动车转向架和拖车转向架采用相同构架,带有动车转向架和拖车转向架需要的安装座,以保证可以完全互换。

图5.18　ZMA080地铁车辆转向架动车构架

【小贴士】一般地,客车转向架构架为焊接构架,货车转向架为铸钢构架。

【效果评价】

评价表

任务3　轮对轴箱装置的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

(1)轮对

如图5.19所示是城轨车辆轮对结构示意图。由图可知城轨车辆轮对是由一根车轴和两个同型号车轮通过过盈配合组装而成。轮对组装过程通常采用冷压或热套工艺,使车轮与车轴牢固地结合在一起,使用过程中不允许有松脱现象。

图5.19　轮对结构示意图

1-车轴；2-车轮

轮对的作用是引导车辆沿钢轨运动,同时还承受车辆与钢轨之间的载荷。因此,轮对应具有足够的强度,以保证车辆的安全运行。在保证强度和使用寿命的前提下,应减轻轮对的质量,并使其具有一定的弹性,以减少车轮与钢轨之间的动作用力和磨耗。

轮对的内侧距是保证车辆运行安全的一个重要参数。我国地铁采用与铁路通用的1435mm标准轨距,轮对在钢轨上滚动时,轮对内侧距应保证在最不利的条件下,车轮踏面在钢轨上仍有足够的安全搭接量,不致造成掉道,同时还应保证车辆在线路上运行时轮缘与钢轨间有一定的游隙。轮缘与钢轨间的游隙太小,可能会造成轮缘与钢轨的严重磨耗；轮缘与钢轨间的游隙太大,会使轮对蛇行运动的振幅增大,影响车辆运行品质。轮对内侧距有严格的规定：我国地铁车辆轮对内侧距为(1353±2)mm。轮对结构还应有利于车辆顺利通过曲线和安全通过道岔。

1)车轴

①车轴的种类。如图5.20和图5.21所示分别为拖车车轴和动车车轴的结构示意图,其主要区别是动车车轴配有齿轮箱与齿轮轮座。

②车轴各部分的名称。如图5.20所示的拖车由轴身、防尘板座、轴颈和轮座4部分组成,其中轴颈是安装滚动轴承和承载的部件,防尘板座是供安装防尘板的,轮座是车轴与车轮配合的部位,也是受力最大的部件,因此直径最大,与轮箍孔之间有一定的过盈量,轴身是两轮座的连接部分；如图5.21所示的动车车轴,前4部分和拖车车轴一样,只增加了安装齿轮的齿轮座。

③车轴材质和加工工艺。城轨车辆的车轴一般采用优质碳素钢加热锻压成型,现经过正火或正火后退火等热处理和机械加工后制成。为了实现轴承、车轮、传动齿轮等的安装,在车轴上相应位置设有轴承安装座,各安装座及轴身之间均以圆弧过度,以减少应力集中。

图5.20　拖车轮对及拖车车轴

1-轴身；2-防尘板座；3-轴颈；4-轮座

图5.21　动车轮对及动车车轴

1-轴身；2-防尘板座；3-轴颈；4-轮座右；5-齿轮座

④车轴的发展。车轴为转向架的簧下部分,降低簧下部分的质量对改善城轨车辆的运行品质和减少对轮轨动力作用有很大的影响。如采用空心车轴结构就可以减少轮对质量,从而降低车辆的簧下质量,一般空心车轴比实心车轴可减轻20%～40%的质量,因此,目前动车组和部分城轨车已经开始使用新型的空心车轴。

2)车轮

①车轮的分类。城轨车辆所使用的车轮按结构、形状、尺寸及材质分类有多种分类方法,现分述如下：

a.按其结构分为如图5.22(a)所示整体轮图和图5.22(b)所示的轮箍轮两种,整体车轮按其材质可分为辗钢轮和铸钢轮等。轮箍轮又可分为铸钢辐板轮心、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。城轨车辆主要使用整体轮,也有部分城轨车辆使用新型减振车轮,比如,西安地铁2号线的车轮加装了阻尼减振块,以达到降噪的目的。

b.按踏面的形状可分为锥形踏面、磨耗型和高磨耗型。目前城轨车辆普遍采用磨耗型踏面形状。

c.弹性车轮,目前,地铁、轻轨车辆及高速列车车辆也有部分采用弹性车轮的,这种车轮在轮心轮毂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。弹性车轮减小簧下质量,减小了轮轨之间的作用力,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。

d.按车辆制造的工艺分为整体辗钢轮、铸钢轮和新型铸钢轮。

图5.22　车轮

1-踏面；2-轮缘；3-轮辋；4-辐板；5-轮毂；6-轮箍；7-扣环；8-轮心

②车轮的结构。目前,我国城市轨道交通车辆普遍采用整体辗钢轮。整体辗钢轮由踏面、轮缘、辐板和轮毂组成。由于车轮踏面有特定的形状,各处的直径不同,因此在测量车轮直径时规定离轮缘内侧70mm处测得的直径称为名义直径,作为车轮滚动圆的直径。我国铁路客车的车轮标准直径为915mm,铁路货车的直径为840mm,城轨车辆的轮径以840mm为主。

轨道交通车辆的车轮的轮径小,可降低车辆的重心,增大车体容积,减少车辆簧下质量,缩小转向架固定轴距,但同时也会使车辆运行的阻力增大,使轮轨接触应力增大,踏面磨耗加快。

轮对的日常检查十分重要,轮缘及踏面磨耗过限、踏面擦伤、轮毂弛缓和车轴裂纹是常见故障,为使城轨车辆安全运行,对新造车同轴的两轮直径之差规定不能超过1mm,同一动车转向架各轮径差不得超过2mm。

③车轮的制造工艺与材料的发展。新型铸钢轮的生产工艺是采用电弧炉炼钢、石墨铸钢、雨淋式浇铸工艺。采用电弧熔炼钢水,钢水纯度高。采用石墨铸型,使铸件表面光洁,尺寸精度高。由于石墨导热性能优良,铸件凝固速度快、晶粒细化,可提高材质的力学性能和车轮的内在质量。采用雨淋式浇铸工艺,冒口和浇口设在同一位置,浇铸时钢水由轮辋、辐板至轮毂顺序凝固,补缩用的钢水自冒口沿补缩通道不断补充,达到最佳的补缩效果。铸成后的车轮,进行缓冷处理,使铸件各部位均匀冷却,以消除内应力。随后进行热轮抛丸用以清除表面余砂及氧化铁皮再进行加热、淬火以及回火等热处理工艺,对辐板要求进行抛丸处理,提高车轮的使用寿命。由于采用了先进的生产工艺,新型铸钢轮具有尺寸精度高、安全性好、制造成本低等优点。与辗钢轮比较明显的区别在于：铸钢轮直接由钢水铸造成型,工序减少,节约劳动力,生产能耗低；采用石墨型浇铸工艺,提高了车轮尺寸精度,几何形状好,内部组织均匀,质量分布均匀,轮轨间动力作用相对小；新型铸钢轮的辐板为深盆形结构(流线型结构),较辗钢轮耐疲劳,抗热裂性能更优。

④车轮踏面的形状。车轮与钢轨的接触面称为踏面,如图5.23(a)所示。早期的车轮踏面是锥形的,车轮踏面由两段不同坡度的直线组成,标准锥形踏面有两个斜度,即1：20和1：10,前者位于轮缘内侧48～100mm范围内,是轮轨主要接触部分,后者为离内侧100mm以外部分,各组成面均以圆弧面平滑过渡。如图5.24所示是磨耗率与运行千米数的关系,实践证明,锥形踏面车轮的初始形状,运行中将被很快磨耗。当磨耗成一定形状后,车轮与钢轨的磨耗都变得缓慢,踏面形状将处于相对稳定。如果新造轮踏面制成类似磨耗后相对稳定的形状,即磨耗形踏面,如图5.23(b)所示。在相同的走行公里下,可明显地减少踏面的磨耗量,延长轮对的使用寿命,减少换轮、旋轮的工作量,其经济效益十分明显。磨耗形踏面可减小轮轨接触应力,提高车辆运行的横向稳定性和抗脱轨安全性。

车轮轮缘踏面采取磨耗形轮廓具有如下理由：

①便于通过曲线。车辆在曲线上运行时,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。这样,造成在相同转角内,外轮行走的路程长而内轮行走的路程短,正好和曲线区间线路的外轨长、内轨短的情况相适应,使轮对较顺利地通过曲线,减少车轮在钢轨上的滑行。

②自动调中。车轮踏面做成一定磨耗形形状,使车轮踏面的中部有一定弧度,一般钢轨在铺设时也有指向线路中心的斜度,因此,钢轨对车轮作用力的方向是指向线路中心的。车辆在直线线路上运行,当轮对受到横向力的作用使车辆中心线与轨道中心不一致时,则轮对在滚动过程中能自动纠正偏离方向。

③能顺利通过道岔。线路上的道岔对车辆运行的平稳性和安全性影响极大,因此踏面的几何形状也应适应通过道岔的需求。由于尖轨前端顶面低于基本顶面,当轮对由道岔的尖轨过渡到基本轨时,为了防止碰撞基本轨,要求踏面具有一定的斜度。并把踏面的最外侧做成C5的倒角,以增大踏面的轨顶的间隔,保证车轮顺利通过道岔。

图5.23　车轮轮缘踏面外形

图5.24　磨耗率与运行千米数的关系

④使踏面磨耗比较均匀。由于车轮踏面具有一定斜度,当车轮在轨道上运行时,回转圆直径也在不停地变化,致使车轮在钢轨上的接触点也不停地变换位置,结果使踏面磨耗比较均匀。

⑤防止车轮脱轨。当车轮通过曲线时,常使轮缘紧靠外侧钢轨,如图5.25所示。此时如果车轮受到较大的横向力,则车轮可能从轮缘外侧面爬上钢轨而脱轨,但由于轮缘面有一定的斜度,尽管车轮有少量抬起,也会在车轮载荷的作用下顺着轮缘的斜坡滑至安全位置。这种情况不但在曲线上出现,在直线区段上轮对受较大的横向水平力时,也会出现。可见轮缘上斜度的大小,对车辆的运行安全有着十分重要的作用。

图5.25　顺利通过曲线

(2)轴承轴箱装置

轴箱装置是实现轮对与构架相互连接、相互运动的关键部件,起着承上启下的作用。它既是活动关节,也是连接轮对与构架的活动关节,又可传递牵引力、横向力和垂向力,还可实现轮对与构架间的垂向运动和横向运动。

1)轴承轴箱装置的组成、分类、作用

①轴箱装置的组成。轴承与轴箱的组合体称为轴承轴箱装置,如图5.26所示,城轨车辆的轴箱装置由轴箱和轮对轴承组成,轴箱由轴箱体、防尘挡板、轴箱盖以及轴端压板、防尘挡圈和密封等轴端附属装置等部件组成。

图5.26　装有ATP装置的城轨车辆的轴箱(西安地铁2号线)

②轴箱的分类。我国轨道交通车辆转向架曾使用过的轴承主要有滑动轴承和滚动轴承两种,它们的轴箱结构也有所不同,目前滑动轴承已基本淘汰,这是因为与滑动轴承相比较,滚动轴承可显著降低车辆的启动阻力和运行阻力,改善车辆走行部分的工作条件,减少燃轴(轴箱轴承烧损)的惯性事故,并大量地减少了轴承的维护和检修工作量,降低了运营成本。目前,城轨车辆普遍采用滚动轴承的轴箱装置。

城轨列车的轴箱根据所安装的设备不同而有所不同,有安装ATP测速电机的轴箱称为轴箱组成ATP,如图5.26所示为安装有ATP装置的轴箱；安装防滑测速装置的轴箱称为防滑轴箱组成,拖车的每根轴都安装有防滑装置。

③轴箱的作用。轴箱装置将轮对和构架联系在一起,使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿轨道的直线运动,并把车辆的质量以及各种载荷传递给轮对。具体作用可分述如下：

a.连接轮对与转向架构架,支撑人字弹簧的底部,支撑转向架构架。

b.承受和传递轮对与转向架之间的各种载荷,承受车体重力,传递牵引力、制动力。

c.给轴承内外圈定位,保持轴颈和轴承的正常位置,从而保证车轴正常安装位置。

d.使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动。

e.轴箱采用滚柱轴承,在提高承载能力的同时,降低了轴箱摩擦系数,减少了车辆启动和运行阻力,以适应城轨车辆高速运行、启动频繁、行车密度大的要求。

f.保持轴承油脂润滑,保证轴承良好的润滑性能,并具有良好的密封性,防止尘土、雨水等物侵入或油脂甩出,从而防止油脂润滑作用被破坏,避免烧轴事故。

2)城轨车辆滚动轴承的形式

由于城轨车辆允许轴重较大,一般为10～25t,在运行中也要承受变化的动静载荷的作用,因此,要求轴承的承载能力高、强度高、耐冲击、寿命长。滚动轴承按滚动体形状分类主要有圆柱滚动轴承、圆锥滚动轴承、球面滚动轴承等多种形式,一般城市轨道交通车辆都采用了圆柱滚动轴承或圆锥滚动轴承。

根据轴承结构特点,又可分为整体式轴承和分体式轴承。进口轴箱轴承的主要品牌为SKF和FAG,在我国铁路上广泛使用的轴承的生产厂商有：大连瓦房店、北京南口、哈尔滨等。

如图5.27(a)、(b)所示分别为我国深圳地铁所采用的双列圆锥滚动轴承和上海地铁、北京地铁和西安地铁2号车辆转向架所采用的圆柱滚动轴承轴箱装置,由图可知,轴承基本结构均是由外圈、内圈、滚子、保持架等4部分组成。

①圆柱滚动轴承。圆柱滚动轴承的滚子是圆柱形的,一般属于双列分体式轴承,采用聚合物保持架,采用迷宫环对润滑脂非接触式密封。轴承滚子既能承受径向力,又能承受轴向力。但圆柱滚动轴承的轴向力主要靠滚子端面和挡边承受,滚子端面与挡边之间的摩擦式滑动摩擦,摩擦力较大,容易导致轴温升高,降低润滑脂使用寿命,轴承使用寿命也会受到影响。

②圆锥滚动轴承。圆锥滚动轴承(TBU)目前运行比较广泛。TBU采用圆锥滚子,一般为整体式轴承,也采用聚合物保持架,其主要轴向载荷由滚道承受(20%～30%的载荷则由挡边承受)。一般采用传统的接触式橡胶密封,即卡紧式密封件,因而提高了润滑脂对污染的防护能力,延长了油脂寿命,并使轴承具有更好的性能和更长的寿命。

3)滚动轴承轴箱的密封形式

我国城轨车辆上采用的滚动轴承装置按密封形式的不同可分为橡胶油封式(见图5.28)和金属迷宫式密封式轴箱装置(见图5.29)。

图5.27　轴箱轴承

1,12-圈；2-滚子；3,14-内圈；4-保持架；5-中隔圈；7,10-密封； 8-车轴；9-防尘板座；11-滚柱；13-轴箱；15-内圈压板；16-轴箱盖

如图5.28(a)所示,橡胶密封式轴箱装置主要由轴箱体、轴承后盖、防尘挡圈、橡胶油封、轴承前盖和压板等组成。如图5.28(b)所示为轴箱体的结构示意图,它为铸钢筒形结构,两侧铸有弹簧托盘,用来安装轴箱弹簧等配件。

图5.28　橡胶油封式轴箱体

1-车轴,轴箱筒；2-防尘挡圈,轴箱耳；3-油封,弹簧托盘；4-后盖； 5,6-轴承蒙；7-压板；8-防松片；9-螺栓；10-后盖；11-轴箱体

如图5.29所示为金属迷宫式轴箱油封装置,由图可知,这种密封方式不带轴箱后盖,在轴箱体后端设有迷宫槽,迷宫槽的底部设有排水孔。

图5.29　金属迷宫式密封式轴箱装置

1-防尘挡圈；2-轴箱体；3-圆柱滚子轴承；4-轴温报警器安装孔； 5-密封圈；6-轴箱前盖；7-压板；8-压板螺栓；9-防松片

4)轴箱装置横向力传递顺序

假设相对于车体轮对向右偏移：

右端：车轴→防尘挡圈→轴承内圈→滚子→轴承外圈→轴箱→转向架→车体。

左端：车轴→螺栓→内圈压板→轴承内圈→滚子→轴承外圈→轴箱后盖→螺栓→轴箱→转向架→车体。

5)轴箱的定位方式

城市轨道交通车辆转向架轴箱定位方式主要有以下3种：

①转臂式定位。其结构如图5.30所示。定位转臂一端通过弹性节点与构架上的定位转臂座相连；另一端则用螺栓固定在轴箱体的承载座上。而弹性节点主要由弹性橡胶套、定位轴(锥形销套)和金属外套组成,其中弹性橡胶套的形状和参数对转向架走形性能影响较大。其优点是：轴箱与构架间无自由间隙和滑动部件,无摩擦损耗；构成的零件很少,分解、组装容易,且维修方便；轴箱的上下、左右及前后定位刚度可各自独立设定,比较容易满足转向架悬挂系统的最佳设计要求,即在确保良好乘坐舒适度的情况下,能够同时确保稳定的高速行驶性能和良好的曲线通过性能。

②八字形橡胶堆轴箱定位装置。如图5.31所示为上海地铁车辆(SMC)和广州地铁车辆采用的八字形(也称人字形)橡胶堆轴箱定位装置,该橡胶堆具有三向弹性特性,且可根据需要设计。通常kx：ky：kz=1：(2～2.5)：(10～12),即垂向刚度kx最小(约为纯剪的一倍),纵向刚度kz最大,如图5.32所示。在垂向载荷作用下,橡胶同时受剪切和压缩变形,改变其安装角度,可得到不同的垂向和纵向刚度,此安装一般取10°或11°。该定位装置的优点是无摩擦磨损,质量轻、结构简单,吸收高频振动和减少噪声等,寿命可达150万走行千米以上。

③层叠圆锥橡胶轴箱定位装置。层叠圆锥橡胶具有三向轴向特性,且其横向弹性可通过在圆周上开切口来调整。在垂向载荷作用下,橡胶主要受剪切变形,其结构如图5.33所示。层叠圆锥橡胶轴箱定位装置具有无摩擦磨损、质量轻、结构简单,吸收高频振动和减少噪声等优点。

图5.30　转臂式轴箱定位结构示意图

1-定位转臂(包括弹簧座)；2-轴箱；3-底部压板；4-垂向减振器；5-止挡管； 6-转臂凸台；7-弹簧套；8-螺旋弹簧；9-锥形套；10-柱形橡胶套；11-锥形销轴

图5.31　人(八)字形橡胶堆轴箱定位结构示意图

6)轴承游隙

轴承游隙包括径向游隙和轴向游隙两种。

①径向游隙。轴承径向游隙对轴承工作性能有着重要的影响,每一种轴承在一定的作用条件下,都有最佳的径向游隙,使轴承寿命高,摩擦阻力小,磨损小。

图5.32　人(八)字形橡胶堆(块)

图5.33　层叠圆锥橡胶轴箱定位装置结构示意图(北京市城轨车辆)

径向游隙分为原始游隙、配合游隙和工作游隙3种。原始游隙是未装配的轴承内外圈间的径向游隙,轴承装配后,内圈胀大,径向游隙减少,轴承工作后,随着温度升高,润滑油膜形成,径向游隙还需进一步减小。

游隙过小,会使轴承工作温度升高,不利于润滑,影响力的正常传递,甚至会使滚子卡死；游隙过大,是轴承压力面积减少,压强增大,使轴承寿命减少,振动与噪声增大。因此,选择合适的径向游隙是非常重要的。一般载荷大的轴承要求游隙较大,圆柱滚子轴承原始径向游隙一般范围为0.11～0.19mm。

②轴向游隙。轴向游隙的作用是避免滚子端部与内外圈挡边经常接触,所以轴向游隙也不宜过小,一般成对圆柱轴承轴向游隙为0.8～1.4mm。TBU轴承由于滚道承受轴向载荷,轴向间隙可以更小,其径向游隙和轴向游隙均可通过垫片调整到最佳状态。

7)滚动轴承润滑脂

一般采用锂基润滑脂,润滑脂性能好坏直接影响轴承性能和使用寿命。列车检修时要注意检查润滑脂状态,如有结块、明显融化、发臭等现象,应拆下轴承检查并更换润滑脂,通常润滑脂填充量为轴承内自由空间的30%～50%。润滑脂过少,轴承润滑不足,加剧轴承磨损,导致轴温升高；若填充过多,在高速情况下,特别容易引起轴承温度升高、油脂融化,并可能导致烧轴。

【任务实施】

本次任务实施建议在城轨车辆检修车间的轮轴检修班组进行。下面以西安地铁2号线地铁车辆为例进行本次任务的实施。

(1)认知西安地铁2号线地铁车辆车轴

图5.34　西安地铁2号线的车轴

如图5.34所示为西安地铁2号线所采用的车轴实物图,西安地铁2号地铁车辆的车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。

各学员在教师的指导下认识车轴的各组成部分及作用,具体如下：

①轴颈。安装滚动轴承和承载的部件。

②防尘板座。供安装防尘板和限制轴承过分内移作用。

③轮座。是车轴与车轮配合的部位,也是受力最大的部件,所以直径最大。

④轴身。是两轮座的连接部分。⑤齿轮箱安装座(动车车轴)。

(2)认知西安地铁2号线地铁车辆车轮

图5.35　西安地铁2号线的车轮

如图5.35所示为西安地铁2号线地铁车辆所采用的车轮的实物图。西安地铁2号线车辆的轮对采用的是整体辗钢轮,采用LM磨耗型踏面,车轮的轮径为840mm,磨耗极限轮径为770mm,硬度为266～320Hb.

各学员在教师的指导下认识车轮的各组成部分及作用,包括踏面、轮缘、轮辋、辐板和轮毂组成。

(3)认知西安地铁2号线车辆轴箱定位装置的保养

西安地铁2号线车辆轴箱定位装置如图5.36所示。

图5.36　西安地铁2号线轴箱定位装置

(4)城轨车辆轮对组装的基本知识

1)轮对组装的一般要求

为保证轮对组装的质量和运行安全,轮对在压装时须符合下列要求：组装成轮对的两个车轮须是同型号、同材质的车轮；如车轮是经平衡试验的,则两车轮的不平衡度应在同一侧面、同一直径平面内。组装表面必须清洁,不应有任何损伤。压装过盈量的范围应为轮毂孔直径的0.8%～1.5%。禁止用压力法移动车轮在轴上的位置,以调整轮对内侧距离。同一轮对上,车轮内侧面三处轮对内侧距的差值不得超过1mm。在同一轮对上的轮位差不得超过3mm。同一轮对上,两个车轮直径差不得超过1mm。厂、段修后,标准轮对内侧距为(1353±3)mm。车轮的轮缘踏面应符合要求。

2)轮对组装

如图5.37所示为轮对组装的生产现场图,轮对的组装采用压力机压入法。轮毂孔与轮座的接触部分应选用纯净的植物油(禁用桐油)润滑。压力机必须备有正确矫正的压力计和记录压装压力曲线图的自动记录器。压装时轮轴中心与压力机活塞中心应一致并并行压入。压装速度应保持均匀,压装速度范围应为30～200mm/min。压装过盈量应符合规定要求,以保证轮毂与轮座间有足够的结合力,又不致使轮毂因过盈量过大而使轮毂产生过大的塑性变形。

图5.37　轮对压装时的受力图

3)轮对检验

每个轮对组装后应进行压力曲线检验和电阻检验,不符合技术要求时为不合格品。最高运行速度超过120km/h的客车轮对装车前应进行动平衡试验。

图5.38　轮对压装良好曲线(L0/L≥80%)

如图5.38所示是轮对压装的合格曲线,具体要求很多,主要是起点陡升不得超过10t,全部曲线不得有跳吨,曲线中部不准有降吨,平直线长度不得超过该曲线投影长度的10%,平直线的两端均应圆滑过渡。

轮对组装后若压力曲线不合格,在原轴原孔的表面无损伤的情况下,允许重装一次；如超过规定最大压力吨数时应加工,达到质量要求后,允许再压装一次；第一次组装小于规定的最小压力吨数或过盈量不足时,均不得重装。允许重装的轮对,第一次组装不合格的压力曲线图表与第二次组装合格的压力曲线图表应合并保存。

每个车轮的压力曲线图上应填写下列内容：轴型、轴号、组装单位代号、左右侧别、车轮制造标记、轮座直径及轮毂孔直径(或配合过盈量)、最终压入力、压装年月日,并由操作者、工长、检查员和验收员盖章。车轮压装压力曲线图表必须由各单位统一保存,保存期限为6年。

【效果评价】

评价表

任务4　弹簧减振装置的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架的使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

城轨车辆在线路上运行时,由于线路不平顺、轨隙、道岔、轨面的缺陷和磨耗及车轮踏面的斜度、擦伤和轮轴的偏心等原因,必将伴随产生复杂的振动和冲击。为了提高城轨车辆运行的平稳性,保证乘客的舒适度,必须设置弹簧减振装置。

(1)概述

1)作用

弹簧减振装置也称弹性悬挂装置,主要包括弹性元件和减振器。弹簧减振装置的作用主要体现在两方面：一是使载荷比较均衡地传递给轮对,并使车辆在静载状况下(包括空、重车),两端车钩距离轨面高度应满足规定的要求,以保证车辆的正常联挂；二是缓和、减少因线路的不平顺、轨缝、道岔、钢轨的磨耗和不均匀下沉,或因车轮擦伤、车轮不圆、轴径偏心等原因引起车辆的振动和冲击。

弹簧减振装置将城轨车辆的转向架分为簧上部分与簧下部分,两者既有联系,又有区别,簧上、簧下的作用力既相互传递,而运动状态(位移、速度、加速度)又不完全相同。车辆动力性能的好坏,与弹簧减振装置的结构形式及参数选择密切相关。良好的弹簧减振装置,能使车辆运行平稳,振动小,噪声低、乘坐舒适性好,车辆结构及设备的松动及损坏少,同时对线路的冲击破坏少,对行车安全有积极意义。

2)分类

轨道交通车辆转向架的弹簧减振装置,按其悬挂数量的多少和方式可分为一系悬挂和二系悬挂两种形式。其中,二系悬挂有轴箱悬挂装置(或一系悬挂装置)和中央悬挂装置(或二系悬挂装置),轴箱悬挂装置设置在转向架构架与轴箱之间,中央悬挂装置设置在车体底架与转向架构架之间。采用二系悬挂可减小整个车辆悬挂装置的总刚度,增大静挠度,改善车辆垂向运动平稳性,减小车辆与线路间的动作用力。地铁、轻轨车辆的铁路客车都采用二系悬挂装置。

①一系弹簧悬挂的主要作用。

a.支撑轮对以上的车辆质量,使车辆载荷均匀地分配给各个轮对,防止车轮脱轨。

b.缓和来自轨道的各种冲击和振动,减少构架受力,减少车辆运行噪声。

c.给轴箱定位提供合适的横向、纵向定位刚度,既能保证转向架具有良好的曲线通过能力,又能保证转向架运行的横向稳定性。

d.传递牵引力和制动力。

e.保证动车转向架轮对与构架定位,使电机-联轴节-齿轮箱-轮对这个动力传递关系在各部件允许偏移范围内正常牵引、传动。

②二系弹簧悬挂的主要作用。二系弹簧直接支撑车体,或者通过摇枕支撑车体。为了提高乘坐舒适性,应采用大柔度弹簧。此外,二系弹簧还应具有良好的横向性能,以便转向架通过曲线时,能保证车辆的横向稳定性。目前,城轨车辆普遍采用空气弹簧作为二系弹簧。

城轨车辆采用的弹簧减振装置按其作用的不同,大体可分为3类：第一类为主要起缓冲作用的弹簧装置,如中央弹簧、轴箱弹簧和橡胶垫等；第二类是主要起衰减振动(消耗振动能量)作用的减振装置,如垂向、横向减振器等；第三类是主要起弹性约束作用的定位装置,如轴箱定位装置、心盘与构架之间的纵、横向缓冲止挡等。

(2)弹簧的特性与分类

1)弹簧的特性

弹簧的主要特性参数有挠度、刚度或柔度之分。

挠度是指弹簧在外力作用下产生的弹性变形的大小或弹性位移量,而使弹簧产生单位挠度所需的力的大小,称为弹簧的刚度,反之,在单位载荷作用下产生的挠度称为弹簧的柔度。

弹簧的特性可用弹簧的挠力图表示,如图5.39所示。纵坐标表示弹簧承受的载荷坐标, 图5.39(a)表示力与挠度呈线性关系,即弹簧刚度为常量。一般常见的螺旋圆弹簧就属此例。 图5.39(b)表示力与挠度呈曲线关系,即刚度随载荷的变化而化为非线性。图5.39(b)中曲线1的刚度随载荷增加而逐渐增大,如车辆上采用的橡胶弹簧、横向缓冲器就属于此特性。显而易见,在车辆悬挂系统中,为了减小振动,控制振动位移在一定范围内,不能使用曲线2的特性,即随载荷增加,刚度逐渐变小的弹簧。

图5.39　弹簧的挠力图

为了改善弹簧的特性,适应安装位置及空间大小的需要,在轨道车辆上时常采用组合弹簧,这些弹簧有串联、并联和串并联3种组合。

组合弹簧的总刚度、挠度(或称当量刚度、挠度)的特点：并联布置的弹簧系统的当量刚度等于各个弹簧刚度的代数和。串联布置的弹簧系统的当量挠度等于各个弹簧挠度的代数和。

2)弹簧的分类

①扭杆弹簧和环弹簧。

a.扭杆弹簧。如图5.40(a)所示,扭杆弹簧不同于螺旋弹簧,它只承受扭转变形,在载荷相同的情况下,扭杆弹簧比螺旋弹簧质量轻。扭杆弹簧为一根直棍,它的两端支撑在轴承支座上,端部固定两个曲柄,支座固定在构架上,当两个曲柄相反转动时,扭杆则产生抵抗扭矩。

b.环弹簧。如图5.40(b)所示,环弹簧由多组内、外环簧组成,彼此以锥面相互接触,当受到轴向载荷后,内环受压缩小,外环受拉伸长,从而使内环与外环的锥面产生轴向变形,同时内外摩擦面做功吸收能量。环簧常用于缓冲器中。

②橡胶弹性元件。橡胶元件的力学性能不同于一般的金属元件,橡胶的弹性模量比金属小得多,可以获得较大的弹性变形,容易实现预想的非线性特性；可以自由确定其形状,也可根据设计要求达到在各个方向上不同刚度的要求；橡胶具有较高内阻,对衰减高频振动和隔音有良好效果；橡胶密度小,自重轻。由于这些特性,橡胶元件在车辆上获得越来越广泛的应用,常常用于转向架弹簧减振装置和轴箱定位装置、钢弹簧支撑面上的橡胶缓冲垫以及各种衬套、止挡等。

图5.40　扭杆弹簧与环弹簧

在使用橡胶弹性元件时应予以特别注意：橡胶元件的性能(弹性、强度)受温度影响较大,一般随温度升高,刚度和强度有明显的降低。同时橡胶具有蠕变的特性,即当载荷加到一定值后,虽不再增载,但变形仍在继续,而当卸去载荷后,也不能立即完全恢复原状,因此橡胶弹簧的动刚度比静刚度大。另外,橡胶具有体积基本不变的特性；橡胶的耐高温、耐低温和耐油性能普遍较差,使用时间较长后容易老化。

(3)空气弹簧装置系统的组成

现代轨道交通车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪声方向发展,空气弹簧悬挂系统具有诸多钢制螺旋弹簧不具备的优点,空气弹簧的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性,大大简化了转向架的结构,使转向架实现轻量化和易于维护,因此,在城市轨道交通车辆转向架中广泛采用空气弹簧作为二系悬挂装置。

1)空气弹簧的优、缺点

①采用空气弹簧的主要优点：

a.空气弹簧能够大幅度提高车辆悬挂系统静挠度以降低车体的振动频率。

b.与钢弹簧相比,空气弹簧具有非线性特性,可根据车辆振动性能的需要,设计成具有比较理想的弹性特性曲线。在平衡位置振动幅度较小时(正常运行时的振幅),刚度较低,若位移过大,刚度显著增加,以限制车体的振幅。

c.空气弹簧的刚度随载荷而改变,从而保持空、重车时车体的振动频率几乎相等,使空车和重车状态的运行平稳性一致。

d.空气弹簧用高度控制阀控制时,可使车体在不同静载荷下,保持车辆地板面距钢轨面的高度基本不变,这一性能应用在地铁和轻轨上则可保持车辆的地板面与站台面的高度相协调。

e.同一空气弹簧可同时承受三维方向的载荷。利用空气弹簧的横向弹性特性,可代替传统的转向架摇动台装置,从而简化结构,减轻自重。

f.在空气弹簧本体和附加空气室之间装设有适宜的节流孔,可代替垂直安装的液压减振器。

g.空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音性能。

②采用空气弹簧的缺点。空气弹簧的缺点在于它的附件(如高度控制阀、差压阀)较多,成本较高,并增加了维护与检修的工作量。

2)空气弹簧悬挂系统的组成与结构

①空气弹簧的组成。空气弹簧悬挂系统如图5.41所示,主要由空气弹簧、附加空气室、高度控制阀、差压阀及滤尘器等组成。空气弹簧所需的压力空气,由列车制动主风管1经T形支管接头2、截断塞门3、滤尘止回阀4进入空气弹簧储风缸5,再经纵贯车底的空气弹簧主管向两端转向架供气。转向架上的空气弹簧管路与其主要连接软管6接通,压力空气经高度控制阀7进入附加空气室10和空气弹簧8.

图5.41　空气弹簧悬挂系统装置

1-列车制动主风管；2-支管接头；3-截断塞门；4-止回阀；5-储风缸； 6-连接软管；7-高度控制阀；8-空气弹簧；9-差压阀；10-附加空气室

②空气弹簧的结构。空气弹簧分膜式和囊式两类。目前应用较普遍的为膜式空气弹簧,它有两种结构形式,即约束膜式、自由膜式空气弹簧。

a.约束膜式空气弹簧的结构如图5.42所示,它由内筒、外筒和将两者连接在一起的橡胶囊等组成。这种形式的空气弹簧刚度小,振动频率低,其弹性特性曲线容易通过约束裙(内、外筒)的形状来控制,但橡胶囊工作状况复杂,耐久性较差。

图5.42　约束膜式空气弹簧

b.自由膜式空气弹簧的结构如图5.43所示,由于它没有约束橡胶囊的内、外筒,可以减轻橡胶囊的磨耗,提高使用寿命。其本身安装高度比较低,可明显减少车辆地板面距轨面的高度。质量轻,且其弹性特性可通过改变上盖边缘的包角加以适当调整,使弹簧具有良好的负载特性。因此,在无摇动台装置的空气弹簧转向架上应用较多。

图5.43　自由膜式空气弹簧

1-上盖板；2-紧急叠层弹簧；3-下盖板；4-橡胶囊

空气弹簧的密封要求高,以保证弹簧性能稳定和节省压缩空气。一般采用压力自封式和螺钉紧封式两种密封形式。压力自封式,是利用空气囊内部空气压力将橡胶囊的端面与盖板(或内、外筒)卡紧加以密封；螺钉紧封式,是利用金属卡板与螺钉夹紧加以密封。压力自封式的结构简单,组装检修方便,应用较广泛。

空气弹簧橡胶囊由内、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈组成。内层橡胶主要是用以密封,需采用气密性和耐油性较好的橡胶材质,外层橡胶除了密封外,还起保护作用。因此,外层橡胶应采用能抗太阳辐射和臭氧侵蚀并耐老化的橡胶材质,还应满足环境温度的要求,一般为氯丁橡胶。帘线的层数为偶数,一般为两层或四层,层层帘线相交叉,并与空气囊的经线方向成一角度布置。由于空气弹簧上的载荷主要由帘线承受,而帘线的材质对空气弹簧的耐压性和耐久性起着决定性的作用,故采用高强度的人造丝、维尼龙或卡普隆作为帘线。

③空气弹簧附件。

a.高度控制阀。高度控制阀是空气弹簧悬挂系统中的一个重要组成部件。可以每个转向架与车体连接处安装一个高度控制阀,位于转向架中间,也可安装两个高度控制阀,分别在构架两侧。心阀的上下运动即可控制各相关阀口的开启,连通主风管与空气弹簧的气路或连通空气弹簧与大气的气路,控制空气弹簧充气或排气。一般要求车辆载荷变化时地板面高度调整的时间不超过车站停车时间,地板面高度的变化范围为±10mm。高度控制阀只能用来补偿乘客质量的变化,而不能用于补偿车轮和转向架零件的磨损。图5.44为高度控制系统图。

图5.44　高度控制阀系统

1-高度调节阀；2-操纵杆；3-杆；4-支座；5-构架

b.差压阀。在左右空气弹簧出现超过规定的压力差时,使压力高的一端空气流向较低的一端,以防止车体异常倾斜的装置。在转向架一侧空气囊破裂时,另一侧空气囊的空气也能泄出,保证车辆仍能在低速下继续安全运行。压差阀的动作压力一般有1,1.2,1.5kg/cm2这3 种。压差阀动作压力的选择应综合考虑多方面的因素,在条件允许的情况下尽可能选择较小值,以减小车辆在过渡曲线上的对角压差,提高车辆的抗脱轨安全性。

c.排放阀。如图5.45所示,一般地,排放阀系统作为一个空气弹簧配套安全装置,与高度控制阀连接在一起。其功能是在高度控制阀排放能力超限时它能加速气囊排放。比如,当车辆突然充气而高度调节阀出现故障时可以尽快重新建立车体的正常高度,排放阀也会防止车辆因充气而出现过度升高,因此避免了在气囊上的过度牵引。排放阀1连接在空气弹簧上盖板的支座上。通过一根管与高度控制阀连接。操纵杆2控制阀排气(排到大气中)。操纵杆通过钢索3连接到蛇形减振器支撑的安全装置上,该减振器连接在构架上。当车体(旁承板)相对于构架运动时,对缆索施加牵引力,从而引起排放阀转动(β)。

在相对于操纵杆中心线VOM位置的行程“C”=40mm时开始排放。当行程“C”小于Cm=30mm,就不再排放。如果行程介于30～40mm,则有较轻的排放。

与弹簧4组成一体的安全装置5是用来防止排放阀在车体弹起40mm以上时,对车体进行限制。

图5.45　排放阀

1-排放阀；2-操纵杆；3-钢索；4-弹簧；5-安全装置

不过在大多数城市轨道交通车辆上没有安装该排放阀,而是采用空气弹簧异常上升止挡等结构来保证车辆的正常高度。

④空气弹簧悬挂的工作原理。如图5.46所示,车辆静载荷增加时,空气弹簧1被压缩使空气弹簧工作高度降低,这样高度控制阀2随车体下降,由于高度调整连杆3的长度固定,此时高度调整杠杆发生转动打开高度控制阀的进气机构,压力空气由供风管5通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧1和附加空气室8,直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时,空气弹簧1伸长使空气弹簧的工作高度增大,高度控制阀2随车体上升,同样由于高度调整连杆3的长度固定,高度调整杠杆4发生反向转动打开高度控制阀的排气机构,压力空气由空气弹簧1和附加空气室8通过高度控制阀的排气机构经排气口6排入大气,直到高度调整杠杆回到水平位置。

图5.46　空气弹簧悬挂系统原理图

1-空气弹簧；2-高度控制阀；3-高度调整连杆；4-高度调整杠杆； 5-供风管；6-排气口；7-节流孔(阀)；8-附加空气室；9-差压阀

(4)减振元件

1)减振元件的作用及分类

车辆上采用的减振器与弹簧一起构成弹簧减振装置。弹簧主要起缓冲作用,缓和来自轨道的冲击和振动的激扰力,而减振器的作用是减小振动,它的作用力总是与运动的方向相反,起着阻止振动、消耗振动能量的作用。通常减振器有使机械能转化为热能的功能,减振阻力的方式和数值的不同,直接影响振动性能。

城轨车辆上减振器按阻力特性可分为常阻力和变阻力两种减振器；按安装位置可分为轴箱减振器和中央减振器；按减振方向可分为垂向、横向和纵向减振器；按结构特点又可分为摩擦减振器和液压(又称油压)减振器。城市轨道交通车辆一般都使用液压减振器。如图5.47所示,是一种城轨车辆广泛使用的油压减振器的结构原理图。

图5.47　液压减振器

液压减振器主要是利用液体黏滞阻力所做的负功来吸收振动能量,它的优点在于它的阻力是振动速度的函数,其特点是振幅的衰减与幅值大小有关,振幅大时衰减量也大,反之亦然。这种“自动调节”减振的性能,正符合车辆的需求。

2)液压减振器的结构及工作原理

一般液压减振器主要由活塞、进油阀、缸端密封、上下联结环、油缸、贮油筒及防尘罩等部分组成,减振器内部还充有专用油液。液压减振器的工作原理可用图5.48来加以说明。

图5.48　液压减振器的工作原理

活塞把油缸分成上下两个部分,当车体振动时,活塞杆随车体运动,与油缸之间产生上下方向的相对位移。当活塞杆向上运动时(即减振器为拉伸状态),油缸上部油液的压力增大,这样,上下两部分油液的压差迫使上部分油液经过心阀的节流孔流入缸下部。油液通过节流孔时产生阻力,该阻力的大小与油液的流速、节流孔的形状和孔径的大小有关。当活塞杆向下运动时,(即减振器为压缩状态),受到活塞压力的下部油液通过心阀的节流孔流入油缸上部,同样也产生阻力。因此,在车辆振动时液压减振器起了减振作用。以上讨论的情况只有在活塞杆不占据油缸体积的条件下才是合适的,但实际上活塞杆具有一定的体积,当活塞上下运动时,使得油缸上部和下部体积的变化是不相等的。

设油缸直径为D,活塞杆直径为d,若活塞杆从初始位置Ⅰ向下移动距离s后达到位置Ⅱ。这样,油缸下部体积缩小 ,而上部体积增大 ,上下两部分体积之差为,下部排出的油液多于上部所需补充的量。为保证减振器正常工作,在油缸外增加一贮油筒,在油缸底部设有进油阀,当活塞杆由Ⅰ向Ⅱ位置运动时,油缸下部油液压力增大,迫使阀瓣紧紧扣在进油阀体上,同时,多余的油液通过阀瓣中间的节流孔流入贮油筒,使减振器正常工作。反之,活塞杆向上运动,则上部因体积缩小而排出的油液量将填充不足下部因体积增大而需要的油量,所欠油量从贮油筒经进油阀(阀瓣处于抬起状态)进入油缸下部,使减振器正常工作。

油液单向循环流动：在拉伸和压缩行程中,油液都是从工作缸经阻尼调整阀和导油管向蓄油缸作单向流动,导油管可使缸中偶尔出现的气泡消失,也能避免油缸中油液和空气混合而生成的乳化现象,从而保证减振器工作时具有稳定的液压特性。可实现不同的阻力特性：油压减振器中设有几个具有不同参数的阻尼调整阀,通过阀的组合使用,可形成各种不同的阻力特性。在试验时,可表现出不同的示功图。

减振阻力可调性：减振器在生产组装后检验其阻力数值时,如阻力不符合要求,可通过调整阻尼调整阀使其阻力符合规定值,减振器在长期使用后,如发现减振阻力由于零件磨损而有所下降,也可进行打开防尘盖进行调节。

横向减振器和垂向减振器的工作原理是差不多的,不同的是横向减振器蓄油缸下部有个空气包,当减振器被水平安置时,该空气包朝上,空气包内蓄的空气体积在减振器工作时改变,由此来补偿减振器内腔容积的变化。油压减振器由于压缩和拉伸时都是在一组节流阀上的同一个方向上进行节流,因此,只要活塞杆截面积和压力缸腔体截面积相等,让活塞拉伸时流过节流阀的油量和压缩时流过节流阀的油量相等,就可让减振器在拉伸和压缩时的阻尼对称。有不少种类液压减振器的节流阀分别在活塞体和液压缸底部,活塞节流阀在油液向上或向下流时都进行节流,液压缸底部阀单向节流。

3)液压减振器的使用

①减振器上下的联结环是减振器与车体及转向架构架连接的部分,通过穿入短销与其联结安装。

②液压减振器所用的油液对减振器的性能和可靠性起着重要的作用。要求油液物理、化学性能稳定,具有防冻性,在-40～+40℃范围内黏度不应有很大变化,无腐蚀性等。可使用锭子油、仪表油、变压器油以及其他专用油液。

③减振器的性能可通过试验台试验出来。试验台拉压减振器,使其活塞运动,测量拉压过程中的位移变化和载荷变化,软件绘出曲线图(示功图),得出最大最小载荷,计算载荷不对称率、阻力系数。

不对称率：即对减振器进行拉、压时载荷的对称性。允许范围为15%。

阻力系数：减振器的阻尼力和速度的比例就是阻尼系数(C)。C=F/V。

吸收功率：试件一个测试循环中所吸收功的平均值。

【任务实施】

本次任务实施建议在城轨车辆检修车间的轮轴检修班组进行。下面以西安地铁2号线地铁车辆为例进行相关任务的实施。

(1)认知西安地铁2号的油压减振器

1)西安地铁2号线车辆的横向油压减振器

如图5.49所示为西安地铁2号线地铁车辆的横向油压减振器的实物图。

图5.49　西安地铁2号线车辆的横向油压减振器

2)SKF1型油压减振器的内部结构及使用注意事项

如图5.50所示,SKF1型油压减振器主要活塞部分、进油阀部分、缸端密封部分和上下连接部分。此外还有防尘罩、油缸和储油缸,减振器内部装有油液。

①活塞部分。活塞部分是产生阻力的主要部分。如图5.50所示,活塞部分由活塞、芯阀、芯阀弹簧、阀套、调整垫、阀座等组成。在芯阀侧面下部开有两个直径为2mm和两个直径为5mm的节流孔。组装后,节流孔的一部分露出阀套,露出部分的节流孔称为初始节流孔,减振器的阻力主要决定于初始节流孔的大小。为了调整阻力的大小,在芯阀、阀套和阀座的底部,设有0.2mm和0.5mm厚的调整垫。在活塞的头部装有涨圈,它的主要作用是提高活塞的密封性,防止活塞磨耗以后阻力变化过大。

②进油阀部分。如图5.50所示,进油阀部分装在油缸的下端,是补充和排出油液的一个通道。在进油阀体上装有阀瓣和锁环。在阀瓣和阀体座上的阀口之间,以及进油阀体和油缸筒之间都要求接触严密,防止泄漏。

③缸端密封部分。如图5.50所示,油缸端部有专门的密封结构,一方面使活塞上下运动时起导向作用,使活塞中心和油缸中心线路始终保持一致；另一方面,防止油液流出和灰尘流入减振器内,影响减振器正常工作。当减振器工作时,油缸内油压最高可达2.5MPa,因此,密封是一个很重要的问题。SFK1型油压减振器的密封部分,曾进行过多次改进。现在采用的结构是在油缸筒上装缸端盖、密封弹簧、密封托架、密封圈,并通过密封盖及螺盖把这些零件紧紧压住。为了保持密封部分的性能,必须特别注意零件的各种加工精度,如同心度、垂直度和表面粗糙度等,减少零件之间的磨耗和变异。另外,在缸端上还压装一个由铸锡青铜做成的导向套。密封圈的作用是把漏过导向套和活塞杆之间缝隙的小量油液从活塞的杆上刮下来,经过缸端盖上的回油孔回到储油筒中。密封圈的材质必须用耐寒耐油的橡胶,要求橡胶在汽油中浸泡24h后没有膨胀和油蚀现象,并要求在低温下保持一定的弹性。密封圈的刮油齿要有合理的形状和高度,齿根应防止裂纹。

图5.50　SFK1型油压减振器结构原理图

1-压板；2-橡胶垫；3-套；4-防尘罩；5,8-密封圈；6-螺盖；7-密封盖；9-密封托垫； 10-密封弹簧；11-缸端盖；12-活塞杆；13-缸体；14-储油筒；15-芯阀；16-芯阀弹簧； 17-阀座；18-涨圈；19-阀套；20-进油阀体；21-锁环；22-阀瓣；23-防锈帽；24-螺母

④上下联结部分。如图5.50所示,它是油压减振器上下两端与转向架的摇枕和弹簧托板 上的安装座相结合的部分。橡胶垫的作用：一方面可缓和上下方向的冲击；另一方面,当摇枕和弹簧托板在前后左右方向有相对偏移时,橡胶垫可有变形,减少活塞与油缸、活塞与导向套之间的偏心,使活动顺滑减小偏磨。减振器两端加装防锈帽(因经常丢失,起不到应有的作用,现已取消)后可防止雨水浸入端部,避免螺母锈蚀。

⑤油压减振器的油液。我国南北气温相差很大,东北地区冬季严寒而南方地区夏季炎热,温度变化范围为-40～﹢40℃。减振器要在不同温度下正常工作,而且还要保证减振器在长期使用中性能不变,就必须合理选择减振器油液。减振器油液应满足以下要求：在-40～+40℃范围内黏度变化不大,-40℃不凝固；不应混入空气或产生气泡,无腐蚀性；润滑性能好,沥青、胶质、灰渣、杂质少；物理化学性能稳定,不易变质,价格便宜。

(2)认知西安地铁2号线的空气弹簧及附属配件

如图5.51和图5.52所示分别为西安地铁2号线的空气弹簧和安全钢索。学生在教师的指导下认知空气弹簧的结构、作用原理及常见故障,特别注意西安地铁2号线车辆没有抗侧滚扭杆,使用安全钢索防止车辆侧翻。

图5.51　西安地铁2号线的空气弹簧

(3)安全钢索

如图5.52所示,西安地铁2号线地铁车辆在构架的两外侧,靠近枕梁外侧各有一根安全钢索,安全钢索的功能是：当车辆出现异常状态时,即空气弹簧处于过充状态、高度调整阀、压差阀、减压阀同时处于故障状态时,由安全钢索将车体和构架拉住,限制空气弹簧的高度,保证车辆与限界之间的有效安全距离,从而达到保证车辆的行车安全。结构简单,便于维护。

安全钢索由活动端头、调整端头、钢丝绳组成。活动端头可使钢索的长度变化0～35mm；调整端头可使钢索的长度在0～35mm内进行调整,以满足车轮镟修后,对车辆地板面高度的调整。

图5.52　西安地铁2号线的安全钢索

【效果评价】

评价表

任务5　转向架牵引装置的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

车体和转向架之间纵向(驱动方向)作用力的传递是通过牵引装置来实现的,牵引装置由连杆组装、牵引座、中心销等组成。车体与转向架间的连接装置实际上就是二系悬挂系统,主要包括各种形式的旁承、弹性侧挡和各种减振器等(有的车辆还有抗侧滚扭杆装置)。由于它位于车体和转向架间且从各个方向传递两者间的所有作用力。在任务4中,我们已经对圆弹簧、橡胶弹簧和空气弹簧等以及各种减振器作了详细介绍,因此,本任务中主要学习牵引装置、弹性侧挡和抗侧滚扭杆装置等内容。

(1)概述

如图5.53、图5.54和图5.55所示,城轨车辆构架通过一套牵引连接装置向车体传递牵引力和制动力,并绕车体特定中心回转,牵引连接装置主要由中心销、牵引拉杆等部件组成。

图5.53　转向架牵引装置(一)

1-中心销；2-牵引梁；3-防尘罩；4-衬套；5-中心销套；6-横向油压减振器； 7-空气异常上升止挡；8-安装板；9-牵引叠层橡胶；10-横向缓冲橡胶

1)作用

牵引连接装置的作用可概括为以下几点：

①传力——传递车体与转向架间的垂向力、纵向力和横向力。

②轴重均匀分配——通过具体的弹簧配置,使得分配到每个车轴上的最终载荷基本均匀一致。

③保持转向架稳定——通过合理配置二系旁承的数量,使转向架静态和动态时均能保持稳定。

④运行横动(即横向弹性)——通过在车体和转向架之间设置合理的弹性装置,保证转向架能相对于车体在一定范围内弹性横动。

⑤容许相互回转——在通过曲线时,运行转向架相对于车体在合理范围内灵活转动。

通常情况下,垂直力主要由各种形式的旁承来传递,而纵向力和横向力则由牵引装置传递。

2)形式

车体与转向架间牵引连接装置有多种形式(见图5.54、图5.55),可简单概括为“有牵引销(或心盘)+旁承”和“无牵引销(或心盘)+旁承”两者形式。但根据不同的牵引装置结构,无牵引销(或心盘)形式又有单牵引拉杆式和四连杆机构式(即平行四边形机构)等多种不同形式。另外,铰接式转向架采用的铰接装置属于一种特殊的车体与转向架间的连接装置。

图5.54　转向架牵引装置(二)

1-中心销；2-牵引杆；3-减振器；4-牵引座；5-轴；6-起吊保护螺栓； 7-中心销导架；8-中心架；9-定位螺母；10-复合橡胶衬套

(2)有牵引销(或心盘)+旁承的牵引连接装置

有牵引销(或心盘)+旁承的牵引连接装置在传统车辆上采用比较广泛。这里以上海地铁车辆转向架为例进行说明。

1)结构原理

上海地铁车辆转向架采用空气弹簧传递车体与转向架间的垂向力,采用牵引销装置传递纵向力,采用弹性侧挡传递横向力。

该装置通过Z字形布置的双牵引拉杆将构架横梁与中心架(中间浮动梁)在纵向连接起来,同时中间架上的中心孔与安装在车底架下面的中心销(即中央牵引销)配合传递转向架与车体间的纵向力。而横向力除了依靠空气弹簧的横向刚度传递外,主要是通过弹性侧挡与中心销导架侧面接触来传递。具体结构如图5.56所示。

图5.55　转向架牵引装置(三)

图5.56　中央牵引销装置

1-中心销；2-中心销导架；3-复合弹簧；4-中心架；5-定位螺母；6-牵引杆；7-橡胶横向止挡

2)特点

该牵引销装置具有以下特点：

①相对于中心销呈中心对称布置(Z字形布置)的两个牵引杆,其一端与中心架(浮动梁)相连；另一端与构架相连。该牵引杆传递纵向力(牵引力或制动力),如图5.57所示。

②为了限制车体与转向架之间的横向位移,在中心销导架与构架间装有橡胶横向止挡,且每侧自由间隙为10mm。该横向弹性止挡可传递横向力。橡胶空气弹簧传递垂向载荷(左右各一个)。

图5.57　中央牵引装置呈Z字形

1-中心销座；2-中心销；3-连杆组装；4-牵引座

③橡胶空气弹簧结构。采用自由膜式橡胶空气弹簧,下部有层叠式橡胶块(当空气弹簧失效时,起应急支撑作用,以满足维持最低限度运行要求)。

④抗侧滚扭杆。在构架横梁中横穿有一根抗侧滚扭杆,该扭杆的抗扭弹性对车体的侧滚振动期起抑制和衰减作用。

3)抗侧滚扭杆装置

抗侧滚扭杆属于二系悬挂的一部分,与空气弹簧配合可较好地抑制车体侧滚运动。该装置包括一个具有抗扭特性的扭杆(轴)、两个扭臂和两个链接杆等。扭杆安装在有橡胶卡环的构架横梁下方,通过扭臂和链接杆的连接点、链接杆与车底架的连接点处均设有橡胶衬套。这些橡胶卡环和橡胶衬套可克服扭轴转动时的摩擦力,同时具有一定的缓冲作用。抗侧滚扭杆组成如图5.58所示。

图5.58　转向架牵引装置

1-抗侧滚扭杆安装；2-扭杆；3-转臂；4-垂向链接杆

抗侧滚扭杆装置的工作原理如图5.59所示。

当车体发生侧滚时(例如,车辆通过曲线时),水平放置的两个扭臂对于扭杆(扭臂与扭杆之间近似为刚性节点)分别有一个相互反向的力和力矩的作用,使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形,起到扭转弹簧的作用。扭转弹簧的反扭矩总是与车体产生侧滚的角位移的方向相反,以约束车体的侧滚运动。但当车体正常垂直振动时(即左右车体同向位移但不存在侧滚时),由于扭杆支座内安装有轴承(或橡胶卡环),因此,左右两个扭臂只使扭杆产生同向转动,而不起扭转弹簧作用,故对车体不产生抗侧滚作用。

图5.59　转向架牵引装置

从上述作用原理可知,抗侧滚扭杆装置巧妙地实现了既增强二系悬挂系统的抗侧滚性能,又不影响(或基本不影响)二系悬挂系统中原弹簧的柔软特性。

(3)中央牵引销+旁承的牵引连接装置

与上述上海地铁车辆转向架采用的结构非常相似的是另一种中央牵引销+旁承的牵引连接装置,其主要区别在于中央牵引销内布置有四组牵引橡胶堆(前后各两组,且左右对称)传递纵向力,如图5.60所示。由牵引橡胶堆代替前面的“Z”字形拉杆将中心架(即牵引梁,或称浮动梁)与构架横梁连接起来。横向力仍由横向弹性侧挡来传递。但在该图中,横向弹性侧挡直接与中心架左右两侧相配合。

(4)铰接式转向架的车体与转向架间的连接装置

铰接式转向架的车体与转向架间的连接装置在城市轨道车辆中运用较广,在高速动车组上使用的典型代表就是法国TGV。这种连接装置一方面要保证相邻两车体端部彼此连接传递垂向、纵向和横向载荷；另一方面又要保证车体两端在通过曲线时能彼此相对转动(垂向和横向)。主要有以下3种形式(见图5.7)。

1)转盘式——具有双排球形转盘的铰接形式

两相邻车体一端支于内盘,另一端支与外盘,转动盘通过摇枕弹簧与构架相连,构架坐落在轮对的两轴箱弹簧上。垂直载荷由转盘经摇枕——摇枕弹簧——构架——轴箱簧——轮对,如图5.7(a)所示。纵向牵引与冲击力通过内外转盘传递。通过曲线时,相邻两车体可绕转动盘彼此回转。

2)球心盘式——具有球心盘的铰接形式

两相邻车体端部通过球形心盘相互搭接,球心盘座固接于摇枕梁上,摇枕梁通过二系弹簧坐落在构架上,而构架通过轴箱簧与轮对连接(见图5.7(b))。

3)TGV式——TGV高速动车组采用的雅可比铰接形式

TGV高速动车组采用的铰接装置是由法国工程师Jaccobi设计的,它主要位于动车组的中间拖车之间。每辆中间车的一端为支承端,另一端为铰接端。支承端车体端墙的两侧设二系悬挂空气弹簧承台,中央部位设有下球心盘座,车体的垂向载荷经弹簧承台传至二系悬挂空气弹簧,再作用到构架上。而相邻车体的端部一定是铰接端,其车体端墙的中央部位设有上球心盘,该上球心盘搭接于相邻车体支承端的下心盘上,车体的一半质量首先经心盘传至支承端后,再传给二系悬挂弹簧和构架。两车辆之间的纵向力和横向力也通过心盘传递。中间车体呈三点支撑。其工作原理如图5.61所示；铰接关节结构如图5.62所示。

图5.60　转向架牵引装置

1-空气弹簧；2-牵引梁；3-横向减振器；4-牵引橡胶弹簧；5-横向弹性侧挡

图5.61　转向架牵引装置工作原理图

城市轨道交通车辆普遍采用了无摇枕结构的转向架,由于无摇枕,车体直接坐落于空气弹簧上,必须靠牵引装置来实现摇枕所具有的传递纵向力和转向功能,因此,要求牵引装置具备以下功能：

图5.62　铰接关节结构

①能够传递纵向的驱动力和制动力,同时允许二系弹簧在垂向和横向柔软地动作。

②纵向具有适当的弹性,以缓和由于转向架点头、车轮不平衡质量等引起的纵向振动。

③结构上应便于车体与转向架的分离和连接。

④由于取消了摇枕,需安装横向油压减振器、横向缓冲橡胶、空气弹簧异常上升止挡等,这些部件的安装和拆卸不能增加车体与转向架分离作业的工时。

【任务实施】

本次任务的实施以西安地铁2号线车辆中央牵引装置为例进行实施。

(1)中心销

如图5.63所示为西安地铁2号线地铁车辆中央牵引装置的中心销实物图,由图可知中央装置的中心销上端通过定位器和螺栓固定在车体的枕梁中心,下端插入牵引梁内,通过牵引销套将中心销与牵引梁固定在一起。牵引梁是传递牵引力和制动力的中间载体,一方面通过牵引销套与中心销连接；另一方面通过两根牵引拉杆与构架相连。

(2)牵引拉杆

如图5.64所示是西安地铁2号线地铁车辆的牵引拉杆装置的结构图,由图可知,牵引拉杆的主要作用是传递车体与转向架间的牵引及制动力。牵引拉杆采用橡胶衬套与中心销进行连接,确保车体与转向架之间能相对转动,使车辆顺利通过曲线。每套牵引装置使用两个呈“Z”字形布置的牵引拉杆。它的两端为弹性橡胶节点。牵引拉杆的一端与构架相连,另一端与牵引梁相连。

图5.63　中央牵引装置的中心销

图5.64　中央牵引拉杆装置的结构图

【效果评价】

评价表

续表

任务6　驱动装置的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆转向架生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示介绍城市轨道交通车辆转向架使用与检修。

【任务要求】

掌握转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

城市轨道交通车辆的动力转向架,不论是采用直流牵引电机还是交流牵引电动机,均需通过机械减速装置,才能将电动机的扭矩转化为轮对转矩,再利用轮轨的黏着作用,驱动车辆沿着钢轨运行,而牵引电动机的布置形式直接影响着转向架的动力性能。根据牵引电动机在转向架上(或车体上)配置的特征,以及电动机转轴与转向架轮对之间传动的特征,传动装置大致可分为6种结构形式。

轨道交通列车的驱动装置实际上就是指将机车或动车传动系统传来的能量有效地传给轮对的执行装置。对于液力传动机车或动车来说,其驱动装置包括牵引万向轴和车轴齿轮箱；对于电力传动机车或动车来说,其驱动装置包括牵引电动机、车轴齿轮箱和驱动机构。由于城轨车辆一般均采用电动车组的形式,因此,在本次任务中认知与电力传动、动车驱动装置的结构特点和工作原理。

驱动装置是机车、动车有别于一般轨道交通车辆的最主要特征,也是动力转向架最关键的技术之一。不同形式的驱动装置适合不同运行速度等级的机车或动车。一般观点认为：轴悬式驱动装置适合最高运行速度低于120km/h的机车或动车；架悬式驱动装置适合最高运行速度低于200km/h的机车或动车；最高运行速度高于250km/h机车或动车应该采用体悬式驱动装置。

(1)作用

城轨车辆驱动装置的作用是将牵引电动机的扭矩有效地转化为转向架轮对转矩,利用轮轨的黏着机理,驱使城轨车辆沿着钢轨运行。同时,城轨车辆的驱动装置也是一种减速装置,通过它可使高转速、小扭矩的牵引电动机驱动转变为具有较大阻力矩的动轴。城市轨道交通车辆对驱动装置有如下要求：

①驱动装置应保证能使牵引电动机功率得到有效发挥。

②电动机电枢轴应尽量与车轴布置在同一高度上,以减少线路的不平顺对齿轮的动作用力。

③电动机在安装上应有减振措施。

④驱动装置应不妨碍小直径动轮的使用。

⑤驱动装置本身应该简单可靠,具有最少量的磨耗件。

⑥当牵引电动机或驱动机构发生损坏时,应易于拆卸。

(2)结构形式

根据城轨车辆动车牵引电动机和减速齿轮箱安装悬挂方式的不同,驱动装置的结构形式可分为轴悬式、架悬式、体悬式3种。

1)牵引电动机横向布置

①轴悬式驱动。

②电机空心轴架悬式驱动。

③轮对空心轴架悬式驱动。

④挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动。

2)牵引电动机纵向布置

①单电机弹性轴悬式驱动。

②单电机架悬式驱动(全弹性驱动)。

③对角配置的万向轴驱动(架悬式)。

3)牵引电动机体悬式驱动

牵引电机有半体悬和全体悬之分。现代轻轨车辆和地铁车辆转向架大多采用挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动机构,而旧的轻轨车辆转向架常采用单电机架悬式驱动机构。

(3)牵引电机横向布置-刚性轴悬式驱动机构

所谓轴悬式,实际上是指将牵引电机一端与车轴相连(即车轴提供两个支承点),另一端与构架相连(即构架横梁或端梁提供一个支承点),其全部质量大约一半由车轴承担,另一半由转向架构架承担。而驱动扭矩传递,则由安装在电机输出轴上的小齿轮,直接驱动固定在车轴上的大齿轮来实现。在这里,“轴悬式”中的“轴”字其实就是车轴的“轴”之意。

1)结构原理图

如图5.65所示为牵引电机横向布置-刚性轴悬式转向架牵引装置的布置原理结构图,该形式是城市轨道交通车辆最古老的传动形式,直接利用牵引电动机驱动轴上的齿轮带动轮对轴传动扭矩,电动机驱动轴与轮对轴呈平行配置,牵引电动机的一部分质量通过两个爪形轴承支撑于轮对轴上；另一部分质量通过弹簧之于构架梁上,也称抱轴式。

图5.65　牵引电机横向布置-刚性轴悬式转向架牵引装置

1-牵引电机；2-电机弹性悬挂；3-驱动小齿轮；4-车轴上的大齿轮； 5-减速齿轮箱；6-爪形轴承；7-制动盘

2)特点

①结构简单,检修方便。

②簧下质量大,这种传动装置的很大一部分质量非弹性直接置于轮对轴上,增加簧下质量,对转向架的运行品质有不利影响,而且可导致轴承、齿轮和集电器等的强烈振动和磨耗。

③牵引电机、轴承和牵引齿轮等工作条件恶劣。

④传动的扭转弹性很低,可使集电器过载,甚至损坏。

3)适用范围

这种传动结构简单、固定,只适应于运行速度较低的轻轨车辆或有轨电车。

(4)牵引电机横向布置-架悬式驱动装置

所谓架悬式,实际上是指将牵引电机整个悬挂的构架上,其全部质量是由转向架构架承担。

如图5.66所示为牵引电机横向布置-架悬式驱动装置结构原理图,这种装置可采用电动机空心轴和高弹性的联轴器驱动齿轮减速箱来解决电动机直接置于轮轴增加簧下质量和传动件过小的扭转弹性导致的集电器过载的问题。由于牵引电动机质量由转向架构架全部承担,所以,这是一种典型的架悬式结构,同时由于电动机采用空心轴,因此,也可称为电动机空心轴式结构,可在空心电枢和齿轮减速箱的小齿轮之间设置可以动的橡胶高弹性的钢片联轴器。减速箱一端支于轮对轴上,另一端通过一个可动的纵向可调节的支撑铰接于构架上。空心轴传动由于其质量轻、作用可靠和耐久性,在城市轨道交通车辆中获得广泛应用,如图5.67所示为横向牵引电机空心轴驱式驱动的结构装配图。

图5.66　牵引电机横向布置-架悬式驱动装置

1-牵引电动机；2-小齿轮；3-驱动轴；4-大齿轮； 5-空心轴；6-联轴器；7-减速齿轮箱；8-制动盘

图5.67　横向牵引电动机空心轴式驱动结构装配图

(5)两轴一纵向驱动、骑马式传动装置

如图5.68所示为两轴一纵向驱动、骑马式传动装置,由图可知,这种结构沿转向架运动方向配置的牵引电动机连同齿轮减速箱组成一组合体跨骑在转向架的两轮对上,牵引电动机的两侧与带有法兰的减速箱组成一个自承载的组合体,牵引电动机驱动轴经齿轮减速后,借助于空心轴和橡胶联轴器与轮对周弹性连接。

两轴纵向驱动的优点为,转向架的轴距比以上两种形式可有较大的减小,有可能到2m以内。另外当一个轮对的黏着摩擦由于局部的蠕滑效应而遭到破坏时,则另一具有摩擦条件的轮对担当起后备保险的作用。同样,在加速和减速时所出现的轮对卸载将不起作用,因为一根轴卸载,另一根轴上就要承担附加的载荷,整个转向架所传动的摩擦力矩总和仍不变。而在单轴分离配置牵引电动机时,轮对的摩擦极限有被超过的危险,卸载的轮对就有可能打滑空转。

图5.68　两轴一纵向驱动、骑马式传动装置

1-牵引电机；2-联轴器；3-驱动锥齿轮；4-空心轴； 5-橡胶联轴器；6-轮轴；7-减速箱；8-制动盘

这种结构通过机械联结强制驱动转向架的两个轮对具有相同的角速度,若两轮对的车轮直径存在差异,也会造成轮对阻力上升和磨耗的增加。另外它的整个装置均由转向架的两轮对直接支撑,增加了簧下质量,增强了转向架运行的动力作用。

(6)全弹性结构的两轴一纵向传动装置

如图5.69所示全弹性结构的两轴一纵向传动装置。这种装置的牵引电动机完全弹性的固定于转向架构架的横梁上,电动机驱动轴经减速齿轮驱动万向接头空心轴,再经橡胶连杆联轴器将扭矩传递给轮对,由于电动机的质量由构架全部承担,因此,也称为架悬式结构,也由于轮对采用了空心轴,又称为轮对空心轴式结构。

(7)牵引电动机对角配置的单独轴一纵向传动装置

两牵引电动机对角悬挂于转向架构架的两横梁上,电动机与齿轮传动装置间扭矩的传递经由连杆轴实现,如图5.70所示。

齿轮减速箱一端弹性悬挂于构架的端梁；另一端抱在轮对车轴上。转向架上两套电动机及其传动装置独立配置,各自驱动一轮对。

图5.69　全弹性结构的两轴一纵向传动装置

1-牵引电机；2,5-联轴器；3-驱动锥齿轮；
4-万向接头空心轴；6-轮轴；7-减速箱；8-制动盘

图5.70　纵向传动装置

1-牵引电动机；2-连杆轴；3-驱动锥齿轮；4-轮轴；5-减速箱；6-制动盘

(8)牵引电动机置于车体上的传动装置

牵引电动机装于车体上,电动机驱动轴经万向联轴器将扭矩传递给置于转向架上的减速装置,从而是轮对转动。其驱动装置原理图如图5.71所示。由于牵引电动机质量由车体全部承担,因此称为体悬式。该传动方式广泛用于城市轨道交通车辆独立旋转车轮车辆的驱动。

图5.71　驱动装置原理图

1-牵引电动机；2-齿轮传动装置；3-轮轴；4-连杆轴；5-传动支撑；6-制动盘；7-制动装置

【任务实施】

本次任务的实施建议在城轨车辆驱动装置检修班组进行,下面以西安地铁2号线车辆的牵引电机驱动装置为例进行本任务的实施。

(1)牵引装置的总体认知

如图5.72所示为西安地铁2号线车辆牵引驱动装置结构装配示意图,由图可知,它主要包括齿轮箱组成、齿式联轴节和牵引电机。齿轮箱采用分体式球墨铸铁箱体,齿轮为斜齿轮、一级减速,传动比为7.69；润滑油采用：SpiraxEP80(shell),润滑方式为飞溅润滑。齿轮箱大齿轮安装在车轴上,另一端通过吊杆与构架上的齿轮箱吊座相连。齿式联轴节可适应电机侧和小齿轮侧的偏角,满足电机轴和小齿轮轴的相对位移要求,同时可完成传递扭矩的作用。牵引电机完全悬挂在构架上。

图5.72　牵引驱动装置结构图

牵引装置的主要作用是：①使牵引电机的扭矩转化为轮对上的转矩,利用轮轨之间的黏着作用,驱动车辆沿着钢轨运行。②牵引电机在列车运行中起着产生牵引力和电制动力的作用。③牵引电机安装在动车转向架上,一个动车转向架配有两个牵引电机。每个牵引电机控制一根轴。

(2)联轴节

如图5.73所示为西安2号线地铁车辆动车牵引驱动装置的联轴节的实物图。西安地铁2号线地铁车辆动车转向架的每根车轴都安装一套,联轴节使齿轮箱与牵引电机相连。由两半个联轴节组成,分别位于牵引电机输出端和齿轮箱输入轴。联轴节采用弹性连接,具有自动复位(定位)对中功能。

图5.73　牵引驱动装置的联轴节

(3)牵引电机与齿轮减速箱

如图5.74和图5.75所示分别为西安地铁2号线的电机与齿轮减速箱的实物图。学员在教师的指导下认知电动机与齿轮减速箱的结构与作用。带有联轴节的齿轮箱传动装置具有传递牵引力矩和传递制动力(即电制动力)的作用。齿轮箱悬挂装置固定在转向架构架上,具有支撑齿轮传动装置和调节齿轮箱高度的作用。

图5.74　牵引驱动装置的电机与齿轮减速箱

图5.75　齿轮减速箱

【效果评价】

评价表

任务7　典型城轨车辆转向架分析

【活动场景】

利用多媒体介绍几种城市轨道交通车辆转向架的结构。

【任务要求】

了解几种地铁转向架的作用、分类及组成。

【知识准备】

城市轨道交通车辆包括电动车组、高架轻轨等,一般均为电动车辆。城市轨道交通车辆的转向架可分为动力转向架和非动力转向架,也可称为动车转向架和拖车转向架。随着城市轨道的快速发展,目前城轨车辆的转向架形式多样,结构各异。本次任务,我们选择几种典型的城市轨道交通车辆的转向架,应用前面在任务1-任务6所学的知识,对其进行分析。

(1)北京地铁DK3型地铁车辆转向架

DK型转向架是我国设计制造的用于北京地铁车辆的转向架,属于该系列的有DK1,DK2, DK3,DK6及DK7等多种型号。

1)组成

如图5.76所示为北京地铁DK3型地铁车辆转向架,由图可知,它主要由轮对轴箱、轴箱定位装置(一系悬挂)、构架、摇枕弹簧装置(二系悬挂)、驱动装置、基础制动装置等组成。

图5.76　北京地铁DK3型地铁车辆转向架

1-轴箱弹簧；2-构架；3-摇枕弹簧；4-纵向拉杆；5-基础制动装置

2)结构特点

①轴箱定位装置。轴箱弹簧水平放置+金属橡胶弹性销定位属于转臂式轴箱定位,如图5.77所示。

②摇枕弹簧装置。上部通过心盘与车体相连——心盘承载,即心盘传递全部载荷(包括垂向力、横向力、纵向力)。下部通过空气弹簧和纵向拉杆与构架相连——空气弹簧传递垂向力和横向力,而纵向拉杆传递纵向力(牵引力或制动力)。具体结构如图5.78所示。

③驱动装置。每台转向架配置两台牵引电机。牵引电机一端通过爪形轴承支于轮轴上；另一端悬于构架横梁上。牵引电机通过齿轮传动装置将扭矩传递给轮对,齿轮传动装置由齿轮减速箱、齿式联轴节和减速箱悬吊装置3部分组成,如图5.79所示。

图5.77　北京地铁DK3型转向架轮对轴箱弹簧装置

1-轴箱体；2-滚道座；3-钢球；4-弹簧前盖；5-轴箱弹簧；6-螺栓；
7-弹簧定位座；8-橡胶缓冲垫；9-螺母；10-外套；11-硫化橡胶；12-内套；13-心轴

图5.78　DK3型转向架摇枕弹簧装置

1-下旁承及垫板；2-空气弹簧；3-空气管路；4-中心销；5-下心盘及垫板；
6-摇枕；7-空气弹簧下座；8-碗形橡胶垫；9-定位堵；10-节流孔；11-橡胶囊； 12-橡胶垫；13-弹簧上盖；14-纵向拉杆；15-高度控制阀；16-电磁阀及止回阀；17-差压阀

3)转向架力的传递过程

①垂向力(即重力)。车体(上心盘)→下心盘→摇枕→空气弹簧→构架侧梁→轴箱定位销和水平弹簧→轴箱→车轴→车轮→钢轨。

图5.79　传动齿轮和联轴节

1-齿式联轴节；2-主动齿轮；3-从动齿轮；4-减速箱；5-半联轴节；6-定位隔板

②横向力(离心力等)。车轮→车轴→轴箱→轴箱定位销→构架侧梁→空气弹簧和牵引拉杆座→摇枕→心盘→车体。

③纵向力(牵引力或制动力)。车轮→车轴→轴箱→轴箱定位销→构架侧梁→牵引拉杆(即纵向拉杆)→摇枕→心盘→车体→车钩。

(2)北京首都机场ART车辆转向架

ART(Advanced Rapid Transit)车辆是一种先进快速运输车辆,现运营于北京首都国际机场快线,由庞巴迪公司生产制造。ART转向架分A车转向架和B车转向架,具体结构如图5.80和图5.81所示。

1)结构特点

ART转向架为四轮内轴承型,包括有预制钢构架以及提供有可转向的车轴、叉臂、第二级空气弹簧悬挂和摇枕。最大设计速度为120km/h,最大运行速度为110km/h,承载17000kg.

通过空气弹簧悬挂,垂向负载从车身摇枕传输到转向架摇枕。这些负载通过低摩擦旁承传输到转向构架上。转向架具有可转向机构,它允许车轴在曲线段时转向。机构的几何形状是对称的,以改善转向架的动态行为。转向架也配备有推进元件、制动设备、集电装置和转速计。

通过外叉臂、转向机构、转向构架和转向架摇枕,纵向力从LIM传输到车辆。中心销提供转向构架和摇枕之间的相互旋转。牵引和制动力通过弹性安装牵引杆从转向架摇枕传输到车身。

2)转向架的主要尺寸

转向架的主要尺寸参数如下：

图5.80　A车转向架结构组成图

1-电流集电器；2-横向减振器；3-垂直减振器；4-转速计；5-接地电刷； 6-牵引杆；7-安全吊索；8-气囊；9-横向缓冲器；10-LIM；11-轨制动器

(3)南京地铁转向架

南京地铁车辆的走行部由两台轴承外置式无摇枕转向架组成。转向架主要由构架、轮对和轴箱、驱动装置(仅限动车转向架)、减振装置、中央牵引装置和其他辅助装置组成。在南京地铁列车的下面安装了12个转向架,其中8个动力转向架和4个拖车转向架。

这些转向架有以下标志：PBW——动力转向架,配备WSP(车轮轮缘润滑器)；PB——动力转向架,如图5.82所示；TBEX——先行拖车转向架,如图5.83所示；TBIN——中间拖车转向架,如图5.84所示。

图5.81　B车转向架结构组成图

1-电流集电器；2-横向减振器；3-垂直减振器；4-转速计；5-接地电刷； 6-安全吊索；7-气囊；8-横向缓冲器；9-LIM；10-轨制动器

图5.82　动车转向架(PB)

图5.83　先行拖车转向架(TBEX)

图5.84　中间拖车转向架(TBIN)

对于6节车厢的结构,转向架的位置如下：

转向架主要技术参数见表5.1.

表5.1　转向架主要技术参数

1)构架

构架是转向架的主体,由压制成型的钢板P275NL1(NFEN10028-3)焊接成H形全封闭的箱形结构,包括两个对称的“S形弯管”侧构架,通过横向构件在它们的中央连接,如图5.85、图5.86所示。

图5.85　动力转向架构架

1-空气簧接口；2-管道支架；3-电动机连接件；4-横向缓冲器托架； 5-制动装置连；6-横向构件；7-扭接连杆托架；8-侧构架

构架的主要作用是承受和传递载荷,并焊有牵引电动机、齿轮箱和减振器的吊座、弹簧悬挂装置的接口以及空气制动管道的支架等。

2)轮对和轴箱

轮对是车辆走行部分之一,它由车轮和车轴组成。

图5.86　拖车转向架构架

1-空气簧接口；2-管道支架；3-横向缓冲器托架； 4-制动装置连接件；5-扭接连杆托架；6-侧构架

①车轮。车轮是采用R9T优质钢的整体辗钢轮,按照UIC812第3部分制造。新轮的直径为840mm,磨损后的车轮直径限值是770mm；车轮磨损极限通过轮缘外表面的槽示出。车轮采用压力配合装配在车轴上。每个车轮都配备有注油口,这样可利用油压从车轴上拆卸车轮。

②车轴。车轴是采用锻造后机加工的整体车轴,材料是AIN钢。由于负载和受力不同,所以有动车轴和拖车轴之分。新的车轴轮座拥有198mm的标称直径,提供了5mm的余量,这样如果在更换车轮期间发生损坏,可以进行加工。

车轴两端伸进轴箱的部分称为轴颈,安装轴承和承受车辆载荷；压装车轮的部分称为轮座；车轴中部是轴身。动车转向架的轴身上安装有齿轮箱,传递电动机产生的转矩驱动轮对,再通过构架和中央牵引装置带动车辆前后运行。

3)轴箱

装配在轴颈上的部件是迷宫式轴箱,采用的是滑脂润滑的滚柱轴承,它不需要加满轴承滑脂。轴箱的主要作用是连接轮对与转向架构架,承受垂向和侧向载荷,保持轴颈与轴承的正常位置。采用滚柱轴承降低了轴箱摩擦因数,减少了车辆启动和运行阻力,可适应地铁车辆高速运行、停车频繁、行车密度大的要求。

轴箱外侧是轴箱盖,可使轴承免受灰尘、雨水的侵害,还用于安装传感器和接地回流装置。

4)驱动装置

①电动机。每个动力转向架都配备有两个ALstom4LCA2138型牵引电动机,这两个电动机横向安装在转向架构架横向构件上。如果连接件发生故障,连接转向架横向构件的两根安全索和电动机上的安全凸缘则防止电动机下落到轨道上。

电动机配备了传感器将电动机速度数据传输到车身内的控制和监视系统。

②联轴器。动力通过EscoFTRN70挠性联轴器从电动机传输给齿轮箱。联轴器包括两个半联轴器,每个半联轴器都通过压力安装在电动机或齿轮箱的锥轴上。

联轴器的设计允许电动机和齿轮箱在所有方向都可进行相对移动。两个半只联轴器用环螺栓连接,可轻易地分开。

③齿轮箱。齿轮箱(见图5.87中3)是WatteeuwSHA910两级减速齿轮箱,一个输入轴装有一级小齿轮(27齿),一个中间轴装有一级齿轮(78齿)、二级小齿轮(27齿),输出轴装有一二级齿轮(65齿)。传动比为(65X78)/(27X27)=6.9547.

图5.87　驱动装置

1-连接构架；2-安全锁；3-Watteeuw齿轮箱；4-连接构架；5-扭接连杆；
6-安全凸缘(安装在构架)；7-Esco联轴器；8-电动机速度传感器；9-牵引电动机

齿轮由调质钢制成,并采用圆柱形螺旋齿形结构以减少齿轮箱的噪声。齿轮箱安装在车轴上,它通过配备两个弹性末端轴承的扭接连杆连接转向架横向构件。

齿轮和轴承由齿轮箱中的油进行喷溅润滑,齿轮箱中的油通过油井和油槽系统输送给轴承。齿轮箱配备了磁性放油塞、有油位表的加油塞和通气器。如果扭接连杆发生故障,齿轮箱则接触固定在转向架构架的安全凸缘,从而防止了绕车轴旋转。

5)减振装置

①一系悬挂。一系悬挂如图5.88所示。一系悬挂位于轴箱和转向架构架之间,由带橡胶止挡的螺旋弹簧组成,橡胶止挡在高载荷下起作用。一系悬挂包括一个垂向减振器。一系悬挂在轮组与转向架之间传输驱动和牵引力,使轨道上转向架稳定并允许将直线运行转换成曲线运行。

一系悬挂属转臂型悬挂。轮对的导向由径向臂来完成,转臂通过弹性衬套与构架连接。在车轴中心线上方的两个同轴螺旋弹簧提供了垂直方向的刚性,横向和纵向刚性则由安装在转臂端部并连接转向架构架中扼架的弹性衬套提供。

转臂在车轴轴承箱顶部,轴承箱用支撑板固定在悬挂中。安装在支撑板尖端和转向架构架端部的液压缓冲器提供缓冲功能。位于螺旋弹簧内部的弹簧动弯曲限制器限制转向架向下移动。接触转臂尖端的止动销限制转向架向上移动,因此,当转向架提起时,悬挂使轮组与轮架保持相对位置。

图5.88　一系悬挂

1-同轴螺旋弹簧；2-弹性衬套；3-转臂；4-支撑板；5-一系缓冲器；6-止动销

填隙片安装在弹簧上座下面用于补偿不同的车轴质量和重心,这样可保证转向架保持水平。优化一系悬挂的特性,可降低轮轨间的磨耗、转向架摆动和滚动角。

②二系悬挂。二系悬挂的主要功能是使乘客感到舒适。该悬挂对车身进行挠性支撑,使得车身相对于转向架移动且与此同时提供横向重新定心功能。二系悬挂如图5.89所示。

图5.89　二系悬挂

1-车身接口；2-空气簧；3-二系垂直缓冲器；4-纵向缓冲器； 5-抗侧滚扭杆；6-抗侧滚扭杆力臂；7-抗侧滚扭杆轴承

a.两个空气簧,位于转向架与车身之间,用于支撑列车的质量。使弹簧膨胀的空气直接从车身通过空气簧顶板中的孔板提供。每个空气簧都有一个整体式弹性材料(金属弹簧),从而保证在没有膨胀的情况下紧急悬挂。

b.两个对角的垂直减振器,安装在转向架构架与车身之间,对车体上的垂向运动起阻尼作用。

c.横向减振器,安装在转向架与中心销之间,横向减振器和两个弹性止挡用于缓冲及控制车体的横向运动。

d.抗侧滚扭杆,安装在转向架下面。抗侧滚扭杆通过抗侧滚扭杆力臂连接车身,目的是当车体发生侧向振动倾斜时,在抗侧滚扭杆力臂端部作用一力偶,使抗侧滚扭杆产生扭转变形,利用抗侧滚扭杆轴承来减少和缓和车体的侧滚运动。

为了补偿车轮的磨损,当车轮半径磨损达到12mm时,在空气簧与转向架构架之间安填隙片。

6)中央牵引装置

转向架与车身之间的接头传输转向架与车身之间的牵引力与制动力。该接头由在车身下面用螺栓连接的中心销构成,该中心销与位于转向架横向构件中央的弹性牵引中心咬合。转向架纵向和横向载荷通过中心销传到车体上。车体和转向架接触处(在中心销处)与运行轨道顶面之间平均高度大约为432mm。

中央牵引装置包括一套预加应力的弹性材料块,该弹性块安装在中央平衡器上,如图5.90所示。中心销安装进平衡器中央的弹性轴承中。中央牵引装置在转向架与车身之间传输纵向力。弹性块在纵向预加了应力,其行程受硬限制器的限制。中央牵引装置有足够的弹性使得车身可相对于转向架旋转、滚动和垂直及横向移动。横向移动受固定于中心销的两个弹性限制器限制。

图5.90　中央牵引装置

1-横向限制器；2-预加应力的弹性块；3-平衡器；4-中心销

南京地铁转向架中央牵引装置的牵引中心允许车身提起转向架。为了补偿车轮的磨损,当车轮半径磨损量达到12mm时,在提吊止动螺钉与牵引中心之间安装了填隙片。

7)基础制动装置

每个转向架的制动由4个踏面制动单元(每个车轮一个)来提供,如图5.91所示。对于4种转向架类型,它们的制动器设备都相同。拴接在转向架侧构架上的4个单元制动器保证了制动。两个对角单元制动器装置也配备了停车制动器,也可通过拉出紧急缓解锁闭销人工松开停车制动器。

图5.91　基础制动装置

1-刚性管道；2,5-工作/停车制动器装置；3,7-工作制动器装置； 4-双制动闸瓦；6-车身空气接头；8-双向排风阀

制动装置自动补偿制动闸瓦的磨损并将制动闸瓦与车轮之间的间隙保持在稳定值。

供气从车身到达转向架侧基础制动装置并用固定于导轨的刚性不锈钢管输送给制动装置,该导轨焊接在转向架构架上。不同的管通过螺旋形接头连接。

每个转向架都配备了双向制动阀,该制动阀按照轮组WSP探头提供的速度信号调节单个轮组的制动负荷。

8)其他辅助装置

①WSP系统。所有转向架车轴的一端都配备了WSP(车轮防滑传感器)系统,该系统防止制动期间车轮打滑。包括固定于车轴端部并在探头前面旋转的齿轮。每次轮齿通过探头前面时就发出信号。信号的频率与车轮速度成正比。在探头与齿轮之间没有任何接触。

②接地回线装置。车轴的另一端配备接地回线装置(除去各个拖车转向架车轴中配备车速表的车轴)。

接地回线装置保持了固定元件(转向架构架)与旋转元件(车轴、车轮)之间的电气连续性。通过将回流直接传输给车轴,接地回线装置对车轴箱轴承进行简单而又有效的保护。接地回线装置通过接地地线连接转向架或直接连接车身。拖车转向架接地回线装置有单独的电刷,动车转向架装置则有两个电刷,如图5.92所示。

图5.92　动车转向架

1,3-双电刷接地回线装置；2,4-WSP探头

③车速表。如图5.93所示,各个拖车转向架车轴中都有一个车轴配备车速表。车速表由与固定在车轴端部驱动板咬合的销驱动,该车速表提供ATC系统列车速度信息。

图5.93　拖车转向架

1-车速表；2,6-WSP探头；3-PTI天线(仅TBEX)； 4-ATC天线(仅TBEX)；5-双电刷接地回线装置

④PTI天线。如图5.93所示,PTI天线安装在各个先行拖车转向架(TBEX)的横向构件外侧,它为列车外侧控制和监视系统提供车站停车的列车位置信息。

⑤ATC天线。如图5.93所示,先行拖车转向架(TBEX)的外侧端有ATC天线。该天线固定在臂部,而臂部固定在侧构架的前面。ATC天线向列车内侧控制和监视系统提供列车在轨道上的位置信息。

⑥在车轮轮缘润滑器WSP。如图5.94所示,车轮轮缘润滑器WSP是在车轮上涂一层薄薄的润滑材料,然后该材料沉积到轨道上可减少车轮的磨损。

图5.94　车轮轮缘润滑器WSP

1-杆夹；2-杆夹托架

A车的先行拖车转向架的外侧轮对、B车的PBW转向架的内侧轮对和C车的PBW转向架的内侧轮对配备了车轮法兰润滑器。

固定在杆夹的润滑杆元件靠压在车轮上从而进行润滑。杆夹固定在拴接于一系悬挂前面的托架上。

(4)天津滨海快速轨道交通车辆转向架

天津滨海快速轨道交通车辆动车转向架如图5.95所示。

1)构架

构架分为动车转向架构架(见图5.96)和拖车转向架构架,它们的主要结构相同,属于H形构架。都是钢板焊接结构的箱型侧梁、与侧梁相贯通的无缝钢管做横梁,且尺寸一致。主要区别在于所安装的设备不同而有所差别,如动车构架带有电动机吊座、齿轮箱吊台等。

为降低构架质量,简化结构,采取如下措施：

①横梁用无缝钢管制成。

②侧梁作空气簧附加气室。

③侧梁和无缝钢管焊接处用环形加强版。

2)二系悬挂装置

如图5.97所示,二系悬挂装置主要包括空气簧、高度调整阀、水平杠杆、调整杆、压差阀、抗侧滚扭杆等。

①空气簧。为了改善车辆的乘坐舒适性和通过曲线的性能,天津滨海快速轨道交通车辆采用了低横向刚度的新结构空气簧,能缓和车体的垂向和横向振动。构架侧梁内腔作空气簧 的附加气室,空气簧的下部通风口与附加空气室连接,上部进风口与车体上的空气簧充气管路连接。空气簧气囊与附加气室设有节流孔,对车体的垂向振动起到衰减作用,因此二系不需要加装垂直油压减振器。气囊下部的叠层橡胶堆可以减小车辆通过曲线时气囊的载荷。当空气簧内无空气压力时,橡胶堆能起到一定的垂直减振作用,保证车辆安全行驶(需要限速)。空气簧的正常工作高度为(200±2)mm,其高度是通过测量车体底架的工艺块下平面(与空气簧上平面共面)与构架的工艺块间的距离来确定。

图5.95　动车转向架

1-转向架构架；2-一系悬挂装置；3-二系悬挂装置；4-牵引装置；5-轮对；
6-齿轮减速箱；7-齿式联轴器；8-牵引电动机；9-基础制动装置；10-ATP安装梁

②高度调整阀。在每辆车的转向架和车体间安装4个高度阀,调节空气簧的充气、排气。高度阀用来检测车体与转向架间由于乘客负载引起的高度变化,使车辆地板面与站台面保持高度一致。它不能用于补偿车轮和转向架等零件的磨损引起的车辆高度变化。高度阀不感带为±5mm。

图5.96　动车转向架构架

图5.97　二系悬挂装置

③压差阀。当一个空气簧失压,两空气簧内部的压差达到限度时,压差阀就会发生动作,将两个附加空气室导通,使另一个空气簧也同时卸压,防止车辆倾翻。

④抗侧滚扭杆,如图5.98、图5.99所示。抗侧滚扭杆横向贯穿转向架,扭杆臂上端与车体联结,在构架的下方靠近摇枕外侧有安装座。该装置能抑制车辆的侧滚,对车辆的垂向、横摆、点头、摇头及沉浮等振动不产生影响。

图5.98　抗侧滚扭杆装置示意图

图5.99　抗侧滚扭杆组成

3)牵引装置

牵引装置包括横向止挡、中心销、复合弹簧、牵引梁、牵引拉杆、横向减振器等。中心销的上端通过定位器和4个螺栓固定在车体的枕梁中心,下端插入牵引梁内,通过复合弹簧将中心销和牵引梁结合在一起,牵引梁和构架之间通过两个呈“Z”形布置的牵引拉杆连接。复合弹簧是由钢圆弹簧和橡胶硫化在一起,通过挤压复合弹簧,消除中心销、复合弹簧、牵引梁之间的间隙,实现无间隙牵引,复合弹簧的橡胶变形还可满足车体和转向架之间的相对转动,从而消除磨耗。

①横向止挡。为适应于低横向刚度的空气簧,横向止挡采用柔性横向缓冲器,能有效的抑制车辆的横向振动。横向止挡的特性曲线如图5.100所示。

图5.100　横向止档特性曲线

②牵引梁。牵引梁通过两根拉杆悬挂在构架上。

③牵引拉杆。每台转向架使用两个呈“Z”形布置的牵引拉杆。它的两端为弹性橡胶节点。牵引拉杆的一端与构架相连；另一端与牵引梁相连。

④横向减振器。在车辆发生横向振动时,横向减振器会施加适当的阻尼力来改善车辆的横向特性。

⑤整车起吊功能。在牵引梁和构架之间设有垂向止挡,在一系设有安全吊。车辆起吊时转向架连同轮对也一同被吊起。

⑥车轮踏面磨耗时车体高度的调整。车轮经过镟修后,需要对车辆的地板面高度重新调整,主要是通过增加调整垫来实现的。在空气簧和构架上的空气簧座之间加调整垫,安装调整垫后,缝隙处需添密封胶,以免雨水渗入而引起空气簧座生锈；在中心销与车体枕梁之间加调整垫。

4)一系悬挂装置

一系悬挂装置主要部件有：转臂节点装置、轴箱弹簧、垂向减振器、安全吊等,如图5.101所示。

图5.101　一系悬挂装置

一系悬挂装置采用双圈螺旋弹簧、转臂式轴箱定位,加装垂向减振器。安全吊在转向架整车起吊时,连接一系簧下部分,将转向架整体起落,保护垂向减振器不受损坏。

5)轴箱和轴承

轴箱主要由箱体、前盖、轴箱压板、防尘挡圈和密封垫等组成,圆柱滚子轴承安装在轴箱内。轴箱结构组成根据所安装的设备不同有4种(见图5.102)：普通轴箱组成,安装ATP测速电机的轴箱组成(ATP)、安装防滑测速装置的轴箱组成(防滑)、安装接地回流的轴箱组成(接地)。动、拖车的每根轴都安有防滑装置。

图5.102　轴箱组成

6)轮对

车轮采用整体辗钢车轮,LM磨耗形踏面,踏面硬度256～310HB,车轮直径为8400mm,其主要目的是为了保证车轮具有70mm的镟修量,保证车轮的使用寿命。4个车轮为一组,统一转向架的轮径之差不大于0.5mm,同一辆车的轮径之差不大于2mm,在车轮上钻有一注油孔,在注油压装完成后,在注油孔加注油螺堵,以防污物进入孔内。

对于动车轮对需在动车轴上装热传动齿轮的全套零、部件之后,再注油压装车轮。

7)基础制动装置

基础制动装置采用单侧踏面单元缸制动。每台转向架设有4个单元制动缸,分为两个具有停放功能的单元制动缸和两个不具有停放功能的单元制动缸,使用高磨地铁闸瓦。单元制动缸对闸瓦间隙能自动调整,还设有手动复原装置,通过手动复原装置也可调整车轮及闸瓦间的间隙,使制动闸瓦和车轮踏面之间的距离保持在5～10mm。

8)ATP安装梁

ATP安装梁仅安装在动车车辆的1位端转向架,通过螺栓固定,在空载状态下,通过加调整垫调整ATP下端面距轨面的高度,如图5.103所示。

图5.103　ATP安装梁

9)驱动装置

驱动装置安装于动车转向架上,包括齿轮减速箱、交流电动机、齿式联轴器,如图5.104所示。

图5.104　驱动装置

(5)上海、广州地铁1号线电动客车转向架

上海、广州地铁1号线电动客车转向架均是德国DueWag公司制造的无摇枕空气簧转向架,结构基本相同,与其相似的还有上海地铁2号线及新加坡地铁的转向架。

每辆车装有两台转向架,转向架分为动车转向架和拖车转向架两种,两者的主要区别是前者装有两套驱动装置,如图5.105所示。

1)轮对轴箱装置

轮对由整体辗钢和车轴压装而成,车轮滚动圆直径为840mm,允许磨耗最小直径为770mm。

动车转向架轴身上装有齿轮减速箱13,将牵引电动机的扭矩传递给轮对,牵引车辆沿轨道运行。轮对两端装有轴箱装置,采用SKF双排单列圆柱滚子轴承,轴箱体位铝制品。轴箱装置的作用是将轮对和构架联系在一起,使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动,并把车辆的质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,防止燃油。在轴箱盖上装有速度传感器15和接地装置16等。

图5.105　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-空气簧和弹性元件；6-垂向油压减振器；
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；11-Z形拉杆；
12-牵引电动机；13-齿轮减速箱；14-基础制动装置；15-速度传感器；16-接地装置

2)弹簧减振装置

弹簧减振装置包括一系悬挂(八字形叠层橡胶弹簧)、二系悬挂(空气簧)、垂向液压减振器、横向液压减振器、抗侧滚扭杆及横向橡胶缓冲挡等。

八字形叠层橡胶弹簧4安装在轮对轴箱和构架之间,它是由多层橡胶和钢板经硫化制成的弹性元件。根据八字形的倾角和橡胶的层数,可达到所要求的轴箱弹簧的静扰度,并且能做到保证轴箱和构架之间在纵向和横向不同定位刚度的要求。

在车体和构架之间装有空气簧和叠层橡胶堆组合而成的弹性元件,它起着传递载荷、减振、消音等作用。当空气簧失效时,叠层橡胶堆还起着应急、保证车辆低速安全运行的要求。在车体和构架间还装有垂向油压减振器,分别用来衰减车辆垂向和横向振动。为了保证车辆地板面距轨面的高度不受乘客多少的影响,在车体和构架之间装有自动高度调整阀,它调节空气簧橡胶囊内的压缩空气(充气、排气或保持压力),使车辆地板面不受车内乘客多少和分布不均的影响,始终保持水平,并和轨面保持规定的距离。

为了衰减车辆的侧滚振动,在构架的横梁中穿有一根抗侧滚扭杆,两端装有力臂杆和连杆,并与车体连接。当车体发生侧滚振动、向一侧倾斜时,再在转向架两侧的两力臂杆端部作用有一力偶,使抗侧滚扭杆产生扭矩变形,扭杆的抗扭刚度对车体的侧滚振动起着抑制和衰减的作用。

为了限制车体和构架间的横向位移,在构架横梁中部的上方与中心销座之间装有横向橡胶缓冲挡。

3)构架

构架如图5.106所示。构架由钢板压制成形、经焊接而成,在水平面呈“Ⅱ”字形,其侧梁和横梁为封闭箱形结构。两侧梁的两端设有导框4,用来安装八字形叠层橡胶弹簧；侧梁中部设有空气簧安装座8,两横梁3的中部设有牵引电动机安装座9和齿轮箱吊座11；横梁的下部设有牵引拉杆安装座。构架上还设有连接抗侧滚扭杆、自动高度调整阀以及单元制动机等部件的安装座。

图5.106　构架

1,2-侧梁；3-横梁；4-导框；5-轴箱拉杆座；6-轴箱圆弹簧安装座；7-起吊座； 8-空气簧安装座；9-牵引电动机安装座；10-轴箱橡胶减振器安装座；11-齿轮箱吊座

4)牵引装置

牵引装置位于转向架中部,起着连接车体和转向架的作用。在车辆经过曲线时彼此可作少许转动,并能有效的传递纵向力(牵引力和制动力),其结构如图5.107所示。由中心销1、中心销2、复合弹簧3、牵引梁4、牵引拉杆6等组成。

图5.107　牵引装置

1-中心销；2-中心销座；3-复合弹簧；4-牵引梁；5-螺母；6-牵引拉杆；7-横向橡胶止挡

对中心销采用过盈配合,压装在中心销座上。中心销座通过螺栓固定在车体底架上,中心销与牵引梁间设有复合弹簧。相对中心销呈斜对称布置有两根牵引拉杆,其一端与牵引梁相连,另一端与构架相连,牵引拉杆接头设有橡胶弹性缓冲套。为了限制车体与转向架之间的横向位移,在中心销座与构架之间装有横向橡胶止挡,每侧自由间隙为10mm。

5)基础制动装置

基础制动装置采用德国克诺尔制动机公司生产的PC7Y型和PC7YF型踏面单元制动器,制动传递效率高,如图5.108所示闸瓦为合成材料,质量轻、耐磨耗。该踏面单元制动器带有闸瓦间隙调整器,可自动调整闸瓦间隙,使制动缸活塞行程始终保持在规定范围内,空气消耗量稳定。闸瓦更换后,一般不需要再调节行程,即可进行下一次制动。其中,PC7YF型踏面单元制动器集停车制动的弹簧制动器与单元制动器于一体,结构紧凑、维修方便,并带有手动辅助缓解装置。

每台动车转向架装有两台牵引电动机,电动机平行于车轴吊挂在构架横梁的电动机吊座上,并用螺栓紧固。每一根车轴均装有单级齿轮减速箱,电动机轴经弹性联轴器与齿轮减速箱的小齿轮相连,减速后驱动轮对。为减少轮轨磨耗,广州地铁在第一列车和第五列车的前后轮对上分别装有一套轮缘润滑装置,利用压缩空气将润滑油从喷嘴喷射到轮缘上,从而使钢轨和轮缘之间的磨耗得到改善。

图5.108　基础制动装置(PC7YF型路面单元制动装置)

1-制动缸；2-制动活塞；3-闸瓦托；4-缓解活塞；5-缓解风缸；6-活塞；7-弹簧；8-螺纹套筒； 9-缓解拉环；10-活塞杆；11,13-制动杠杆；12-活塞；14-闸瓦间隙调节；15-闸瓦托吊

【知识链接】

(1)法国巴黎地铁带橡胶轮的转向架

为了提高地铁车辆运行的平稳性,最大限度地降低转向架运行所产生的轮轨噪声,法国设计了带橡胶轮转向架,广泛应用于巴黎地铁车辆。这种转向架的结构特征是：在轮对钢轮的外侧设置橡胶轮胎；在转向架两轮对的外侧装设导向小橡胶轮；相对应地在两钢轨的外侧装设工字形橡胶轮走行滚道,滚道的水平面与轨面平齐,另在线路的两侧与导向小橡胶轮对应位置安装侧向导向轨,以供转向架走行时导向之用。

①当车辆在直线段运行时,由于橡胶轮直径大于钢轮,橡胶轮在专用工字形滚道上运行,承受车体的各种载荷。这时钢轮的踏面与轨面脱离接触,并保持一定的间隙,利用导向小橡胶轮沿导向轨接触导向,以保证转向架的横向稳定性。

②当车辆进入曲线区段时,这时橡胶轮专用滚道的水平面逐渐下降,橡胶轮与滚道逐渐脱离接触,而钢轮与钢轨逐渐接触,并依靠轮缘与钢轨接触导向。

③转向架采用转盘摇枕梁,螺旋弹簧支撑,垂直液压减振器减振。当直线区段运行时,橡胶轮起着轴箱一系弹簧作用,中央弹簧(螺旋弹簧)为二系悬挂系统,动力性能优良,噪声低,比一般转向架可降低5～8dB(A)。当曲线运动时,钢轮支撑,轮缘钢轨导向成为一系弹簧悬挂系统。

(2)低地板转向架

在城市有轨电车中,为便于残疾人和儿童直接从车站站台推入车内,要求整车地板面高度设计成仅300～350mm,使车地板与站台平齐,故需将转向架设计成特殊的结构,即所谓低地板转向架。在欧洲和北美的城市有轨电车上十分流行采用这种形式的转向架。

1)组成

如图5.109所示为低地板转向架的结构示意图,由图可知,这种转向架由轮组及轮组架、一系橡胶弹簧、构架、二系碗形橡胶堆弹簧、万向轴驱动装置和磁轨制动装置等组成。

图5.109　低地板转向架的结构

1-轮组及轮组架；2-一系橡胶弹簧；3-构架；4-磁轨制动装置； 5-二系碗形橡胶堆弹簧；6-万向轴驱动装置；7-牵引电机

2)结构特点

①采用轮组结构而非传统意义上的轮对,即左右车轮之间无固定车轴相连,而通过轮组架连接在一起(只有无车轴才能实现整车低地板)。

②轴箱定位采用转臂式,即由转臂梁(轮组架)+橡胶簧实现定位。

③驱动装置采用万向轴机构,即牵引电动机(放置在车体上——称体悬式)通过万向轴驱动左右相互关联的牵引齿轮箱和车轮。

④基础制动采用磁轨制动装置。

⑤三个力的传递过程。

垂向力(即重力)：车体→二系碗形橡胶堆弹簧→构架侧架→轮组架和一系橡胶簧→轴箱→车轴→车轮→钢轨。

横向力(离心力等)：车轮→车轴→轴箱→轮组架→构架横梁→构架侧梁→二系碗形橡胶堆弹簧及侧挡(图中未画出)→车体。

纵向力(牵引力或制动力)：车轮→车轴→轴箱→轮组架→构架(横梁)→牵引拉杆(图中未画出)→车体→车钩。

(3)独立旋转车轮转向架

独立车轮的基本原理是依靠重力复原力对车轮外侧的假设支点形成随偏转角变化的回复力矩,使车轮始终保持与轨道处于平行状态,具有自动调节功能。通常,左右两车轮由一根横向拉杆连接形成类似四连杆机构,使两车轮相互调节。

独立旋转车轮转向架的特点为：左右两车轮有相同的偏转角；左右车轮可以有不同的转速。这种形式独立旋转车轮的核心技术是轴箱装置：在满足与车轮固结的短车轴相对轴箱可以自由转动的同时,还允许产生相对偏转；内部有类似汽车后桥中的差速机构,车轮相对于轴箱可产生±150°的偏转角度。

独立车轮轮副结构虽然结构简单,但为了获得良好的曲线通过性能,必须采取必要的强制性导向措施。由于迫导向转向架非常适用于车辆的小半径曲线通过,因而在部分装用独立车轮转向架的轻轨车上被采用,其中最具创新构思的是瑞士辛德勒(Schindler)公司与SIG公司联合设计的Cobra车组,其转向架主要由两套独立车轮轮副结构组成。车轮导向机构采用了径向装置,利用相邻车与本车在曲线上的相对转角,通过一纵向设置的推拉杆及杠杆使前后两独立车轮轮副处于径向位置。采用这种迫导向方式,可使该车组能够通过的最小曲线半径达11.8m。如此小的曲线半径,用传统轮对式转向架是无法实现的。

(4)单轮对转向架

单轮对转向架广泛用于轻轨车辆。主要由构架、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引装置、转向架基础制动装置5个部分组成。

①构架。采用封闭型结构,为箱形梁断面,主要由侧梁、端梁组成。在构架侧梁的两端设两空气弹簧座,内侧端梁下凹,用于安装牵引拉杆座,并设有两盘形制动吊座及横向止挡座,外侧端梁设定位杆座,利用构架内腔作为空气弹簧的附加气室。

②一系悬挂装置。车轮形式有两种方案：橡胶弹性车轮、整体碾钢车轮。采用橡胶弹性车轮的主要目的是降噪和减小轮轨作用力。城市轻轨车辆的运行速度不高,采用弹性车轮的安全性较容易保证。若采用弹性车轮,则无法采用踏面闸瓦制动；若采用整体碾钢车轮,对制动方式则没有限制。为了降低簧下质量,车轮直径都选840mm。车轴为标准车轴。一系弹簧的形式也有两种方案：一是圆锥形金属橡胶弹簧；二是人字形橡胶弹簧。

③二系悬挂装置。主要包括空气弹簧、横向油压减振器、横向止挡、导向杆等。空气弹簧设置于构架四角,其主要目的是为了增加转向架的结构稳定性。空气弹簧的内压可以比只用一个空气弹簧的低,这样可以降低横向刚度。除了在两侧的空气弹簧间设有差压阀,同侧的两空气弹簧也设置差压阀,以均布载荷。为了适应大范围的载重变化,设置了高度调整阀和空重车阀。单轮对转向架构架只有中间一个支点,构架将产生点头振动,为此设置了定位杆来限制或衰减这一振动。

④牵引装置。由于只有一个轮对,无法采用中心销牵引方式,采用了单拉杆结构。构架上的牵引点接近或低于车轴中心线高度。

⑤转向架基础制动装置。对于拖车转向架,制动装置主要取决于车轮结构。而动力转向架的车轴上须安装齿轮箱等,采用轮盘制动。由于采用单轮对,制动盘比常规二轴转向架的数量减半,单位制动功率会有明显的增加。采用整体碾钢车轮时,在仅靠盘形制动无法满足要求的情况下,还加设了踏面闸瓦制动,而对采用橡胶弹性车轮则无法实施,须使用其他制动方式。为避免车轮的滑行或擦伤,还需设置电子防滑系统。

【任务实施】

本次任务的实施以西安地铁2号线地铁车辆的转向架为例,对城轨车辆的转向架结构和工作原理等进行全面的综合认知与实践。

(1)整体认知

如图5.110和图5.111所示为西安地铁2号线地铁车辆动车转向架的实物照片,教师可引导学生全面认知转向架的结构、零件的编号、名称、作用、结构和基本工作过程和原理等。

图5.110　西安地铁2号线转向架总体结构

(2)主要特征

西安地铁2号线车辆转向架的主要特性：

①轻量化设计。无摇枕结构,质量降低；转向架横梁使用无缝钢管,兼作空气弹簧附加空气室,质量降低；一系悬挂使用圆锥形橡胶弹簧,质量降低。

②低横向刚度的空气弹簧。采用横向刚度小的空气弹簧来改善车辆乘坐舒适性。

③低横向刚度的轴箱橡胶弹簧。采用低横向刚度的轴箱橡胶弹簧,减轻了车辆通过曲线时的横向力,从而提高了车辆在曲线上的运行性能,无摇枕车体支撑方式和橡胶弹簧式轴箱定位。

图5.111　西安地铁2号线转向架总体结构

(3)构架组成

如图5.112所示为西安地铁2号线的构架组成,属于H形构架,采用钢板焊接箱形侧梁和横梁,侧梁的下部焊接有托板组成,用于安装制动缸,横梁为无缝钢管结构,横梁上对角焊接有电机吊座、齿轮箱吊座和牵引拉杆座,分别用于安装牵引电机、齿轮箱吊杆和牵引拉杆。

图5.112　构架组成

1-侧梁组成；2-横梁；3-纵梁组成；4-电机吊座；
5-齿轮箱吊座；6-托板组成；7-牵引拉杆座；8-安全钢索座

(4)轮对轴箱装置

轮对轴箱装置主要包含车轮、车轴、轴箱组成、轴箱弹簧等,又可分为轮对组成、轴箱组成和一系悬挂装置3个部分,分别如图5.113、图5.114、图5.115所示。

图5.113　西安地铁2号线的轴箱装置

图5.114　西安地铁2号线的轮对轴箱装置结构示意图

图5.115　轮对轴箱装置

1-车轮；2-车轴；3-阻尼器；4-防尘挡圈；5-轴箱；6-轴箱弹簧； 7-滚动轴承；8-测速齿轮；9-吊耳；10-轴箱端盖；11-支架

1)轮对组成

车轮和车轴为过盈压装配合形式,轮对组装满足相关标准要求。车轮直径为840mm,公差为(+2,+6),其主要目的是为了保证车轮具有70mm的镟修量,保证车轮的使用寿命。如图5.116所示车轮加装有降噪阻尼器,有效地降低车辆通过曲线时,轮轨间由于侧滑、挤压、摩擦而产生的高频噪声。车轴轴颈间距为1930mm,轴颈直径为120mm。

图5.116　西安地铁2号线的车轮降噪阻尼器

2)轴端组成

轴端组成主要由轴箱、轴箱轴承、轴箱前盖、轴端压板、防尘挡圈和“O”形密封圈等组成。根据轴端安装设备的不同,轴端组成又分为3种,分别为防滑轴端安装组成、普通轴端安装组成和ATP测速轴端安装组成。3种轴端安装组成的结构基本相同,分别如图5.117和图5.118所示。

图5.117　防滑轴端安装组成(上)和接地轴端安装组成(下)

图5.118　ATP测速轴端安装组成

轴箱轴承采用双列自密封圆柱滚子轴承,安装在轴箱体内,轴承在制造厂已填充了润滑脂,不需要再添加润滑脂。密封罩能够把润滑脂封闭在轴承组里并防止污物进入。轴承可满足80万km或使用时间6年内免维护的要求。

3)一系悬挂装置

如图5.119所示为一系悬挂装置的结构图,为减轻质量,一系悬挂装置采用圆锥叠层橡胶弹簧。两个螺栓将轴箱弹簧上端固定在构架上的一系弹簧座上。轴箱的顶部和转向架构架的止挡之间的距离正常应保持在(115±5)mm。动、拖车转向架使用相同的轴箱弹簧。同一转向架尺寸差应不大于2mm,在保证轮重分配的前提下,联轴节调整完毕后同一转向架上的该尺寸差应不大于4mm,调整垫总的插入厚度不应超过10mm。

图5.119　一系悬挂装置

4)二系悬挂装置

如图5.120所示为二系悬挂装置,主要由空气弹簧、高度调整装置、安全钢索3个部分组成,各部分配合共同完成转向架的二系悬挂功能。

图5.120　二系悬挂装置

1-空气弹簧；2-高度调整装置；3-安全钢索

①空气弹簧。采用低横向刚度的新结构空气弹簧,可大大改善乘坐舒适性和通过曲线的性能,能缓和车体的垂向和横向振动。转向架构架横梁内部做空气弹簧的附加空气室,空气弹簧的下部通风口与附加空气室连接,上部进风口与车体的管路连接。空气弹簧的胶囊气室与附加空气室间有节流孔,对车体的垂向振动起一定的衰减作用,因此,不需要加装垂直油压减振器。胶囊下部的叠层橡胶堆是为了通过曲线时减小胶囊的载荷。另外,当空气弹簧内无空气压力时,叠层橡胶堆能起到一定的垂直减振作用,也能保证车辆安全行驶(需要限速)。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,“O”形圈需涂润滑脂进行保护。空气弹簧的正常工作高度为(200±2)mm,其高度的保证是通过测量车体底架的工艺块下平面与构架的工艺块之间的距离,此距离为(255+t)±3mm。此处t为空气弹簧下调整垫的厚度。

②高度调整装置。每个空气弹簧对应安装一套高度调整装置,如图5.121和图5.122所示,用于自动调节空气弹簧的充气、排气,主要包括高度阀、高度阀调整杆、水平杠杆和安全吊链等。

高度调整装置用来检测车体与转向架之间由于乘客负载变化而引起的高度变化,并针对高度变化情况对空气弹簧进行充、放气,进而保证车辆处于恒定的平衡高度。高度阀安装在车体上,高度阀调整杆下端安装在构架上,上端与水平杠杆的一端相连,水平杠杆的另一端穿过高度阀的转轴。这样,车体与转向架之间的高度变化就转化为水平杠杆的角度变化,完成了高度阀的打开或关闭。高度阀调整杆的两端使用球形关节轴承,能满足车体与转向架间相对位移的要求。高度阀不感带为±5mm。高度调整装置不能用于补偿车轮和转向架等零件的磨损。

为了保证车辆的运行安全,在两个空气弹簧的附加气室之间安装差压阀。当两空气弹簧内部的压强差达到限度值(100±13)kPa时,差压阀就会发生动作,将两个附加气室导通。这样就可避免某一个高度阀故障而过充或任意一个空气弹簧爆破而导致的车辆过度倾斜,保证车辆安全运行。

图5.121　高度调整装置

1-高度阀；2-水平杠杆；3-高度阀调整杆；4-安全吊链

图5.122　高度调整装置

5)牵引装置

每个转向架设一套中央牵引装置,如图5.123所示,采用传统的“Z”形拉杆结构,主要由中心销、牵引梁、横向挡、横向减振器、中心销套和两个牵引拉杆组成。

中心销的上端通过定位脐和6个螺栓固定在车体的枕梁中心,下端插入牵引梁内,通过中心销套将中心销与牵引梁固定在一起,牵引梁和构架间通过两个呈“Z”布置的牵引拉杆连接；中心销套为橡胶金属件,内、外层均为金属件,中间层为橡胶件,这种结构消除了中心销、中心销套、牵引梁之间的间隙,实现了无间隙牵引,中心销套中的橡胶层变形还可满足车体和转向架间的相对转动,从而消除磨耗。而中心销、牵引梁与中心销套的配合均为金属件之间的配合,消除了橡胶蠕变的影响,保证了性能的稳定。

图5.123　牵引装置

1-牵引梁组成；2-中心销；3-横向挡组成；4-横向减振器；5-中心销套；6-下盖；7-牵引拉杆

牵引梁采用钢板焊接结构,可以看成是小型化的转向架摇枕。牵引梁通过两根牵引拉杆悬挂在转向架构架上。中心销采用整体式铸件结构,结构简单,强度裕量大,安全性高。横向挡组成由柔性横向缓冲器和刚性的横向止挡组成。采用柔性的横向缓冲器是为了与低横向刚度的空气弹簧相适应,能有效地缓解车辆的横向振动。采用刚性的横向止挡是为了限制车体的横向位移,保证车辆满足限界要求。在车辆发生横向振动时,横向减振器会施加适当的阻尼力,来改善车辆的横向悬挂特性。每台转向架使用两个呈“Z”形布置的牵引拉杆。它的两端为弹性橡胶节点。牵引拉杆的一端与构架相连,另一端与牵引梁相连。在牵引梁和构架间设有垂向止挡；在中心销落入牵引梁中心孔后,将下盖用大螺栓安装在中心销上。当需要对车辆进行起吊时,在吊起车体的同时,下盖会与牵引梁贴合,牵引梁和构架间的垂向止挡也会贴合,传递垂向力的作用,将转向架一同吊起。

6)基础制动装置

基础制动装置采用单侧踏面单元制动缸的制动方式,如图5.124所示。每台转向架有4个踏面单元制动缸,分为两个具有停放功能的踏面单元制动缸和两个不具有停放功能的踏面单元制动缸；使用高耐磨合成闸瓦。

踏面单元制动缸能对车轮和闸瓦的磨耗间隙进行自动补偿,同时还设有手动复原装置,通过手动复原装置也可以调整车轮及闸瓦间的间隙,使制动闸瓦和车轮踏面间的距离保持在5～10mm。具有停放功能的踏面单元制动缸还配有手动缓解闸线,手动缓解闸线的把手安装在侧梁上部,可以在必要时很方便的手动缓解停放制动,制动配管采用立体折弯钢管,钢管与钢管、钢管与软管间采用螺纹连接形式,密封性能较好,方便安装和拆卸。

7)驱动装置

如图5.125所示,驱动装置包括齿轮箱组成、齿式联轴节和牵引电机。齿轮箱采用分体式球墨铸铁箱体,齿轮为斜齿轮、一级减速,传动比为7.69；润滑油采用：SpiraxEP80(shell),润滑方式为飞溅润滑。齿轮箱大齿轮安装在车轴上,另一端通过吊杆与构架上的齿轮箱吊座相连。齿式联轴节可适应电机侧和小齿轮侧的偏角,满足电机轴和小齿轮轴的相对位移要求,同时可完成传递扭矩的作用。

图5.124　基础制动装置

1-带停放制动的单元制动缸；2-单元制动缸；3-制动配管；4-手动缓解拉链

图5.125　驱动装置

1-齿轮传动装置；2-联轴节；3-牵引电机

【效果评价】

评价表

项目小结

城市轨道车辆走行部主要以转向架的形式出现,并为二轴构架式转向架。转向架的分类有多种方式,如从转向架结构形式分,有构架式和侧架式；从二系悬挂结构分为：有摇动台、无摇动台及无摇枕结构转向架等。但不同转向架的基本组成和主要功能是相同的。由以下几个部分组成：构架、轮对轴箱装置、弹性悬挂装置、制动装置、牵引电机与齿轮变速传动装置等。

构架是转向架的组装基础,主要有铸钢构架和焊接构架等形式。由侧梁、横梁、端梁等组成,还有电机安装座、齿轮箱吊座、制动吊座等。

轮对是由一根车轴和两个相同的车轮通过过盈配合组成,其车轮与钢轨的接触面称为踏面。轮对踏面具有一定的斜度,称为锥形踏面；如果新造轮踏面制成类似磨耗后相对稳定的形状,即为磨耗形踏面。

地铁、轻轨车辆普遍采用滚动轴承轴箱装置。轴承基本结构由外圈、内圈、滚子、保持架组成。

轴箱定位装置是指约束轮对与轴箱之间相对运动的机构,它对转向架的横向动力性能、抑制蛇形运动具有决定性作用。常见的定位装置的结构形式有：拉板式定位、拉杆式定位、转臂式定位、层叠式橡胶弹簧定位、导柱定位等。

弹簧减振装置也称弹性悬挂装置,包括弹性元件及减振器。地铁、轻轨车辆都采用二系悬挂装置。空气弹簧悬挂系统在城市轨道交通车辆中广泛用于二系悬挂装置。车辆上采用减振器与弹簧等一起构成弹簧减振悬挂装置。

牵引装置用来实现车体与转向架之间的纵向力传递。普遍采用牵引杆与中心销的弹性连接结构,车体与转向架之间既能传递纵向力,又能作横向的相对运动。

城市轨道交通车辆的动力转向架,通过机械减速装置,将电机的扭矩转化为轮对转矩,有多种驱动形式,如爪形轴承的传动、横向牵引电机-空心轴传动、两轴-纵向驱动等。

地铁和轻轨是城市轨道交通车辆的两种主要形式,其转向架种类繁多,各有特点,如摇动台式、无摇枕式、橡胶轮式、单轮对式、独立旋转车轮式等。

思考与练习

1.城市轨道交通车辆转向架的作用有哪些?

2.城市轨道交通车辆转向架是如何分类的?其结构如何?

3.构架的作用有哪些?如何分类?其结构如何?

4.什么是踏面?使用磨耗型踏面有何好处?

5.轴承的基本结构是怎样的?纵、横向力传递顺序又是怎样的?

6.简述车辆悬挂装置的作用及分类。

7.简述空气弹簧悬挂系统的组成、作用原理。

8.中央牵引连接装置的作用有哪些?

9.简述一种地铁、轻轨车辆转向架的结构和性能。