地铁车辆转向架技术的最新进展

摘要：本文对地铁车辆转向架的作用和种类以及转向架的各部结构如构架、轮对、轴箱、悬挂装置、基础制动装置、中央牵引单元、轮缘装置、辅助装置和驱动装置等的最新进展进行了较为详细的叙述，文中最后还对转向架制造过程中和制造完成后投入运用前的试验进行了概述。

关键词：地铁车辆转向架、技术结构部件进展试验

中图分类号：F407.472 文献标识码：A 文章编号：

引言：

第二次世界大战后，在国外，一部分从事飞机制造的技术研究人员转移到了铁路部门，他们的加入极大地推动了铁道车辆运动学的研究，并取得了丰硕的成果，包括定量地弄清了车轮踏面形状、回转阻力、轴箱支承刚度等各种参数与车辆运行性能的关系。这个时期也是车轴轴承从滑动轴承移向滚动轴承的时期。进入上世纪50年代后，转向架构架是钢板或型钢铆接组装，之后变为铸钢制造，随着焊接技术和强度评价法的进步以及探伤技术的发展，又变为钢板焊接结构。同时，车轴设计、制造技术和整体辗钢车轮以及车轴超声波探伤法也取得了进展，并逐步成为成熟技术，使列车转向架的设计、制造进入一个新时代。

车辆运行时，受到来自线路上的冲击、车轮与钢轨间的横向移动、驱动系统的振动、加在作用车体上的风压等，产生了各个方向的振动，有纵向、垂向、点头、横向、摇头和测滚6种形式。车轮在钢轨上运行时，要求平稳地在直线上运行和顺畅地通过曲线，减少作用在钢轨和车辆上的应力，这些均与转向架的结构和系统参数的选择有着重要关系。

转向架是城轨车辆最重要的部件之一。转向架支承着车体的重量，并将轮对和车辆的一系悬挂系统减振元件（弹簧和减振器）收容在构架内，其上还安装有驱动装置（电机和齿轮箱以及牵引装置）。因此，必须满足以下要求：

（1）具有曲线通过和直线运行时足够可靠的安全性；

（2）减少振动噪声，有良好的舒适性；

（3）磨耗和故障少，易维修；

（4）重量轻，成本低；

（5）对线路的动作用力小。

1转向架的作用和种类

1.1 转向架的作用

1）转向架作为车辆最重要的部件之一，在垂向具有支承作用，在纵向具有传递牵引力和制动力的功能，在横向具有使车辆沿轨道运行的导向作用；

2）转向架式车辆，可以根据转向架定距（中心距）的变化，适应车辆的长度、定员的变化；

3）转向架相对于车体可以自由回转，车辆可以顺畅地通过曲线，特别是小半径曲线；

4）转向架采用了弹性悬挂系统，保证了车辆具有良好的动力学性能和舒适性；

5）安装了牵引电机、传动齿轮箱和基础制动等走行部必不可少的部件。

曲线通过性能一直是铁道车辆动力学研究的重点，是评价车辆性能的重要指标。大量的理论和试验研究指出，通过优化转向架悬挂参数、改变轮轨型面以及采用主动控制技术都对改善车辆动力学性能有重要作用，为此，在转向架设计时，应予以特别关注。

1.2 转向架的种类

1）摇枕吊挂式

车体通过心盘坐落在摇枕装置上，而摇枕吊挂在转向架构架侧梁上，使车体和转向架的横向移动成为可能，并缓和了车体的横向振动，同时，对垂向振动起到了减振作用。摇枕装置由上摇枕、下摇枕、吊杆和摇枕弹簧构成。转向架构架的侧梁通过轴箱弹簧支承在车轴上。

2）螺旋弹簧横向刚性式

由于结构简单，利用螺旋弹簧的横向刚性，兼顾抑制车辆的动摇，省略了吊杆和销等磨耗部件，起到了缓冲作用，并提供了复原力，上摇枕直接通过摇枕弹簧连接到构架上，有利于减轻重量和维修。

3）车体直接空气弹簧式

车体通过空气弹簧支承在摇枕上，牵引力从转向架构架经过心盘传到摇枕上，由于空气弹簧不能传递牵引力，所以，通过拉杆传到车体上。车体重量经过摇枕、通过旁承支承在转向架侧梁上，旁承、吊杆起到防止蛇行运动的作用。

4）无摇枕式

省略了作为摇枕装置的摇枕，以实现转向架的轻量化和维修的简单化，这种转向架称作无摇枕转向架，车体与转向架直接由空气弹簧连接，由于运行中振动等原因产生的转向架构架和车体间的相对位移，由空气弹簧的变形来吸收，这种结构的转向架，由于没有摇枕使结构简单，可以大幅度地实现轻量化，同时，由于没有了心盘、旁承等滑动部分，具有易维修特征，成为当前转向架的主流。

传递车体与转向架牵引力时，在容许横向和摇杆相对运动的同时，采用了Z型拉杆等牵引装置。仅由空气弹簧的变形提供转向架回转阻力，使蛇行运动稳定。日本是世界上最早在地铁上采用了这种无摇枕转向架，欧洲为确保高速列车的运行稳定性，首先引入到高速车辆上。

随着轨道交通运输的现代化，为制造出高性能的城轨车辆，作为走行部的转向架，在提高安全性、改善舒适性、实现轻量化和易维修等方面都取得了巨大进步。

2转向架的结构

2.1 基本结构

转向架由构架、枕梁装置、弹簧装置、轴承、轴箱、基础制动装置等构成。转向架构架由左右侧梁、连接它的横梁、端粱等框架组合而成。枕梁装置在中央有心盘，与设置在车体底架枕梁的中心销组合而成，可以相对于车体自由回转。为适应车辆轻量化的要求，构架采用经济性好、可靠性高的压型钢板焊接结构。二系弹簧装置从采用螺栓弹簧和液压减振器并用演变为空气弹簧，使得车辆运行性能和舒适性得到很大提高。这种空气弹簧式转向架。由于空气压力可以随着载荷的变化而自动调节，使列车的高速性能和舒适度更好，同时，转向架结构也大幅度简化。

2.2 转向架构架

转向架构架一般为“H”型结构，为转向架的主要承载部件。最近多采用横向对称的2片侧梁和横梁的整体焊接结构，以实现轻量化和简统化。侧梁通过轴箱和一系悬挂由轮对纵向支承。横梁在横向连接侧梁，通过设在中心的心盘或中心销使转向架相对于车体回转。空气弹簧和横向减振器的安装座设置在侧梁中部。横梁上设置有牵引电机吊座、齿轮箱吊座和牵引拉杆座。抗侧滚扭杆座设置在左右侧梁的下部。侧梁端部的四个起吊座可吊起构架或整个转向架。构架的疲劳寿命要求满足30年以上。构架应采用有限元法进行应力分析，并对疲劳寿命进行预估。构架完成后需进行结构强度试验。除保证强度之外，还要求有足够的刚度，以保证载荷分布均匀。一系悬挂装置一般采用圆锥形橡胶弹簧。

2.3 轮对组成

（1）车轮

车轮与钢轨接触的面称作踏面，带有1/10～1/20左右的锥度，在线路的曲

线部分，车辆以外侧车轮踏面直径大、内侧车轮踏面直径小的部分运行，可以顺畅地通过曲线。轮缘的作用是不让车轮从钢轨上脱轨，并且可以改变运行方向。车轮除去轮箍的部分称作轮心。根据制造方法和结构，车轮有以下2种。

弹性车轮

轮心和轮箍之间插入橡胶等弹性元件，利用其剪切力或压缩力支承轴重，减

缓冲击和防止噪声的车轮称为弹性车轮。

整体辗钢车轮

这是将轮心和轮箍做成一体的车轮，强度大，制造简单，重量也比带轮箍的车轮轻，并且没有因过热轮箍弛缓的危险，因此，安全度高，被广泛采用。

（2）车轴

车轴分动车用和拖车用，此外，根据长度或承载力大小的不同，有各种形状。动车用的，由于为驱动轴，所以，有齿轮座，其上镶配齿轮。车体的载荷通过轴箱支承在轴颈上，由于要高速运转，需精密加工，以满足完全的圆形。轮心座是固定车轮的部分。过去实心轴用得多，最近也使用轻量化的空心车轴。

2.4轴箱

轴箱将车体的重量传递到轴颈上，为联系构架和轮对的活动关节，保持同一转向架轮对之间的相对位置，将轮对的滚动转化为车辆沿钢轨的平移运动，在运行中相对于构架产生垂向、横向和纵向位移，以适应于线路的变化，轴箱还是对轴承给油的装置。

滚动轴承利用滚子的滚动摩擦，阻力小，特别是起动阻力小，所以，广泛采用这种轴承。这种轴承有圆锥、圆柱和球面滚子。车辆一直用圆锥滚子轴承，但是，最近的转向架也有用圆柱滚子轴承的。圆柱轴承比圆锥轴承有如下特点，由于容许轴向有一些移动，可以减轻轮缘磨耗；结构简单、小型、轻量；容易装卸轴承箱和轴承。

2.5悬挂装置

2.5.1一系悬挂装置

为了衰减线路不平顺和轮对运动对车体造成的影响，在轮对和构架之间设置的弹性悬挂装置称为一系悬挂装置（又称轴箱悬挂装置），同时将车体的重量均匀地分配到各个轮对上，以使车辆具有良好的平稳性和稳定性。一系悬挂装置一般由二个圆锥形橡胶弹簧和具有其安装座的轴箱构成，一系悬挂装置若采用钢弹簧则还应包括相匹配的液压减振器。

橡胶弹性元件的力学性能不同于一般的金属元件，其弹性模量比金属小得多，可以获得较大的弹性变形，并且很容易实现设计要求的非线性特性；可以按要求确定其形状，并满足各个方向（垂向、横向、纵向）对刚度不同的要求。由于橡胶元件具有较高的内阻，对衰减高频振动和隔音效果显著。同时橡胶密度小，重量轻，广泛用于城轨车辆转向架的一系减振元件。其缺点是，性能（弹性和强度）受温度影响较大，并使用时间长后容易老化，一般寿命为6～8年。

液压减振器是利用液体粘滞阻力作负功来吸收能量的一种减振元件。一般，减振器的阻尼特性即阻力与振动速度成线性关系。减振器的阻力特性也经常采用

示功图来表示，其横坐标为减振器活塞的行程，纵坐标为阻尼力，而封闭的椭圆形面积为减振器在一个振动周期内消耗的功。一般，减振器主要由活塞、进油阀、缸端密封、上下联结、油缸、储油筒和防尘罩等部件构成。

2.5.2二系悬挂装置

二系悬挂由空气弹簧、高度阀、差压阀和液压减振器等部件构成。其主要作用是，保证车辆的乘坐舒适度和平稳性。

每辆车的重量由四个空气弹簧支承，并提供车体与转向架之间的垂向、横向和回转刚度。空气弹簧下部带有一个辅助橡胶弹簧，在空气弹簧无气时的紧急状态下提供支承刚度。车辆高度由每车的4个高度阀及车体与转向架之间的机械链接控制，高度阀按照载荷的变化控制空气弹簧中的空气压力。左右两个空气弹簧之间连接了一个差压阀，当某一个空气弹簧破损或高度阀故障使空气弹簧过充时，差压阀可确保两个空气弹簧同时排气，防止车体过于倾斜而超出车辆的动态限界。每个转向架设有一个横向液压减振器，安装在车体中心销和转向架构架侧梁之间。

空气弹簧的刚度较低，可以降低车辆的自振频率；具有变刚度特性，在正常运行时（平衡位置）的刚度较小，一旦位移过大，刚度显著增加，从而限制车体的振幅，刚度随载荷的大小而变化，保持不同载客状态下（Aw0、Aw2 、Aw3）车辆的运行平稳性不变；通过高度阀的控制可以保证不同载客（Aw0、Aw2 、Aw3）状态下车辆地板面高度不变，从而保证车辆地板面与站台面的高差不变；空气弹簧的突出优点还在于可以吸收高频振动和具有隔音性能。空气弹簧具有非线性特性，可以根据车辆动力学性能的要求设计出比较理想的弹性特性曲线。

2.6基础制动装置

空气制动系统中的制动执行机构称之为基础制动装置，根据制动方式的不同，主要有闸瓦制动和盘形制动两种形式。最简单的闸瓦制动是单侧闸瓦踏面制动装置，一般，采用单元制动器进行制动。单元制动器为单个供气动作，体积小、占用空间少、轻便灵活、灵敏度高，带有闸瓦间隙自动调整器。在少数速度较高的城轨车辆上有采用盘形制动的。制动系统应具有防滑功能。在每列车上，还必须按规定设置停放制动装置。

2.7中央牵引单元（转向架与车体的连接装置）

目前，城轨车辆普遍采用了无摇枕转向架，车体直接坐落在空气弹簧上，由于没有了摇枕，必须靠牵引装置实现过去摇枕所具有的传递牵引力和转向功能。牵引装置必须具有如下功能。

（1）能够传递纵向力（牵引力、制动力、纵向冲击力），同时允许空气弹簧

在横向和纵向的微小位移；

（2）纵向具有一定的弹性，以缓和运行中出现的纵向冲动；

（3）结构上应便于车体与转向架的连接和分离。

2.8轮缘装置

列车端部的转向架上布置有轮缘装置，在过曲线时，对轮缘间进行，以减少钢轨和轮缘的磨耗和降低噪声。

2.9辅助装置

转向架上还装有列车运行必备的ATC(列车自动保护装置)天线和速度传感器等。

2.10驱动装置

城市轨道交通车辆的动力转向架，需通过机械减速装置，才能将牵引电动机的扭矩转化为轮对的扭矩，再利用轮轨间的粘着作用，驱动车辆沿着钢轨运行。这种牵引电动机的扭矩传到动轮上的装置称作驱动装置，由齿轮箱、动力传动轴、联轴节等构成。

驱动装置应具备的作用如下。

（1）不得损害动轮轴的上下左右的运动，齿轮装置啮合顺畅。

（2）簧下重量小。

（3）结构简单，维修检查方便，耐久性高。

（4）扭矩弹性传递，动轮轴上的振动冲击不影响到牵引电动机。

每台转向架配置两台牵引电动机，采用架悬式，电动机与轮对平行按装，用

螺栓紧固在构架横梁的电机吊座上。牵引电动机通过齿式联轴节、齿轮减速箱将扭矩传给轮对。齿式联轴节由两个半联轴节、两个齿轮套及两个弹簧等组成。齿轮减速箱采用圆柱斜齿轮传动及迷宫式密封装置。齿轮箱体为分箱式铸钢结构。箱体内放有一定量的油，箱体上还设有油针、放油堵、检查盖、透气塞等。齿轮箱悬吊装置将箱体一端弹性地吊挂在构架横梁的齿轮箱吊座上，吊杆下部设有球面关节轴承。齿轮箱应按照牵引系统的规定，与牵引电机一起进行联合运转试验。

3转向架试验

转向架在制造过程中和制造完成后投入运用前要进行充分的试验，以保证转向架在投入正式运营的安全可靠。试验分例行试验和型式试验。例行试验应每辆车都进行，检验合格后方可出厂。

1）型式试验

属下列情况之一时，应进行型式试验：

（1）新型转向架的定型鉴定；

（2）已定型的转向架转厂生产时；

（3）转向架的结构、材料、工艺有重大改进设计，可能影响其性能及行车

安全时。

型式试验项目按本标准规定及有关图纸和技术文件规定的要求执行。

2）试验内容

表1转向架试验

结束语

地铁车辆转向架的发展是随着铁道车辆技术的进步而逐步发展起来的，主要表现在：转向架构架由铸造，变为焊接结构；由最初的有摇枕转向架发展为今天广泛采用的无摇枕转向架，整体辗钢车轮得到普及应用；车轴超声波探伤的普及；轴箱轴承的滚动轴承化；空电联合制动和防滑技术的应用；采用的交流牵引电机，特性好、重量轻、控制精确，寿命长，这些技术使地铁车辆转向架的技术更加成熟和安全可靠。我们深信，随着科学技术的进步，地铁车辆转向架的技术进步会得到更快的发展，更加先进。

参考文献

[1]中国城市轨道交通协会信息[J],2012.2(2):1-3.

[2]王野，地铁转向架介绍.[R]∥长春轨道交通客车装备有限责任公司，2010.

[3]佐藤芳彦.新干線テクノロジ-〔M〕.东京：株式会社山海堂，2004.

[4]松本雅行.電気鉄道〔M〕.东京：森北出版株式会社，2007.

[5]CJ/T365-2011，地铁与轻轨车辆转向架技术条件，[S].北京：中国标准出版社，2011.12.