低地板独立旋转车轮动力转向架设计

张徐，黄运华，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031)



低地板独立旋转车轮动力转向架设计

张徐，黄运华，李相欣，王旭嘉，全克博

(西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031)

介绍了独立旋转车轮转向架在城市轨道交通中实现低地板的优势，提出了一种低地板独立旋转车轮动力转向架的设计方案.并利用有限元软件ANSYS根据UIC 615—4对转向架构架进行静强度分析.

低地板；独立车轮转向架；静强度；转向架构架

0 引言

当今世界，城市轨道技术越来越受到各个城市的青睐.一段时期来，城市轨道交通得到了大力发展，有力地缓解了能源紧张和环境污染的问题.但是传统轻轨车辆上下车困难的问题一直难以解决，为了解决这一问题，新型低地板轻轨车辆随之出现[1-2]，并得到广泛的应用.

低地板轻轨列车的地板面距离轨面的高度一般要求在350 mm以下.独立旋转车轮转向架由于取消了中间车轴，恰恰能够满足降低车辆地板面的要求.其在城市轨道交通上的应用也越来越广泛，各种新型独立旋转车轮转向架也得到了快速发展.

1 运用典型及其导向原理

独立旋转车轮转向架主要运用在低地板车辆上，导向方式主要有四种：①德国西门子公司开发的Combino系列城轨车辆，其动力转向架的导向方式采用纵向耦合[3].转向架左右两侧各安装一个电机，左右电机分别驱动左右侧车轮.当前、后车轮的轮轨接触点处滚动圆产生半径差时，由于同侧的前后两个车轮具备相同的转速，必然会发生轻微滑动，从而产生纵向蠕滑力进行导向;②法国阿尔斯通公司生产的Citadis系列低地板有轨电车，其Arpege动力转向架[4]采用横向耦合[5]，即通过轴桥将左右车轮耦合在一起，使之具备和传统轮对相仿的导向能力;③Frederich教授研制的EEF转向架[6].此转向架为单轴转向架，主要依靠车轮自身，一个由重力复原力和横向蠕滑力绕轮轨接触点外侧的回转中心而产生复原力矩，使轮对在曲线上自动地处于径向位置，且在直线上不会产生轮缘贴靠钢轨的现象;④SIC和ABB联合研制的Cobra转向架，采用铰接式、模块化设计[7].转向架采用迫导向机构，使车辆具有良好的曲线通过性能.

2 转向架总体方案设计

2.1 转向架设计要求及参数

由于低地板车辆通常要求具有较强的小半径曲线通过能力，而解耦后的独立旋转车轮转向架在通过曲线时由于不具备纵向蠕滑力，不能使转

图1 转向架总体三维模型

向架以贴近径向位置的状态通过曲线，因此在本次设计中加入了迫导向机构，当转向架在通过曲线时，依靠车体与转向架之间的转动，带动迫导向机构工作，使前后轮对以接近径向位置的状态通过曲线.此次设计的低地板动力转向架的主要参数[8-9]如下：轨距1 435 mm，轴距1 800 mm，地板面高度300 mm，轴重10 t，自重6 t，运行速度80 km/h，轮径660 mm，最小曲线半径30 m，最小竖曲线半径1 200 m.转向架总体模型如图1.

2.2 基本结构

构架为焊接箱形结构，消除了转向架的菱形变形，实现了构架的轻量化要求.构架采用内侧式悬挂构架(构架安装在轮对内侧)，相对于外侧式悬挂构架，内侧式悬挂构架的重量较轻，结构更加紧凑，可节省安装空间.

轮对采用小直径弹性车轮，降低了簧下质量，改善了轮轨间作用力.横向采用“下凹”式轴桥进行定位，当通过曲线时，左右车轮可按不同转速通过半径不同的内外轨，来减轻轮轨间的冲击和磨耗.轴箱采用叠层圆锥橡胶定位，叠层圆锥橡胶具有三向弹性特性.在垂直载荷作用下，橡胶主要受剪切变形.

二系悬挂装置采用空气弹簧，具有非线性特性，可以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.和高度控制阀并用时，保持车辆地板面距离轨面的高度不变.

横向减振器采用液体粘滞阻力所做的负功来吸收振动产生的能量的油压减振器.牵引拉杆使用单拉杆机构，将牵引拉杆的牵引座设在转向架横梁的中间位置，一端连接在车体的安装座上，在转向架和车体有效地传递牵引力和制动力.

迫导向机构由两个四连杆机构组成，分别安装于转向架两侧.迫导向机构利用车辆通过曲线时转向架相对车体所作的摇头角位移，迫使轮对处于径向位置.

转向架在构架外侧设有2套牵引传动系统，包括牵引电动机、齿轮箱以及联轴节.牵引电动机通过弹性悬挂节点完全吊挂在构架上.而齿轮箱一端与车轴压装在一起，另一端通过联轴节与牵引电动机相连，其上也通过弹性悬挂节点与构架上的吊座相连.

3 构架静强度分析

3.1 试验标准

本节将根据UIC615—4《转向架构架强度试验》对低地板动力转向架构架进行静强度评定.限于篇幅，本文仅对超常载荷工况和模拟主要运营载荷工况下的静强度结果进行讨论.构架的材料为Q345E,侧梁上下盖板的厚度为12 mm，腹板的厚度为10 mm，加强筋的厚度为8 mm，空簧座处的小箱型结构的上下板厚为8 mm，腹板厚度为6 mm.

3.2 边界条件

边界条件是为了保证构架结构的静定，此处，根据构架的实际情况，用弹簧单元Combin14代表转向架的一系弹簧，使弹簧单元一端与构架的节点相连，另一端使用全约束进行固定.Solid45和Combin14两种单元类型对应的单元数分别为213 730和240.弹簧单元的各个方向的刚度如下：一系悬挂垂向刚度为1 000 N/mm，一系悬挂横向刚度和一系悬挂纵向刚度均为3 000 N/mm.

3.3 静强度计算结果及分析

构架在超常载荷工况和模拟运营载荷工况[10]下的最大von_Mises应力见表1，在超常载荷2(最大超常载荷工况)和模拟运营工况13(最大运营载荷工况)下，构架的von_Mises应力分布如图2所示.

表1 超常载荷工况的最大应力点和出现位置

表1 超常载荷工况的最大应力点和出现位置(续表)

(a)超常载荷工况2 (b)模拟运营载荷工况13

构架在超常载荷工况下最大von_Mises应力小于345 MPa，在模拟运营工况下最大von_Mises应力小于材料许用应力240 MPa.焊接构架的静强度满足设计要求.

4 结论

本文设计低地板独立旋转车轮动力转向架，分析转向架构架的结构特点，通过有限元仿真软件ANSYS计算各工况下的应力.构架的静强度虽然满足要求，但是最大von_Mises应力出现在小箱型的下盖板的内侧圆角上或位于构架上盖板与小箱型下盖板的连接处，说明结构在内侧圆角处出现应力集中，不利于延长构架的使用寿命，需进一步完善构架的结构，可以在构架和小箱型结构处施加加强杆，来减少最大应力值.

[1]HONDIUSH.The Development of Low Floor Trams[J].Joumal of Advanced Transportation,1993，27(1)：79-102.

[2]HARRY HONDIUS.LRV orders progress,but trams stall [R].Sutton UK:Railway Gazette International,2003.

[3]许明春,曾京.纵向耦合独立车轮转向架导向机理[J].交通运输工程学报,2011,11:43-50.

[4]王欢,戴焕云,池茂儒.国外100%低地板轻轨车动力转向架纵览[J].内燃机车,2007,12:1-6.

[5]任利惠.独立车轮导向技术研究[D]. 上海:同济大学,2006.

[6]FREDERICH F.A bogie concept for the 1990s[J].Railway Gazette international，1988(9):583-585.

[7]HARRY HONDIUS.Low-floor development out of control[J].Railway Gazette international，1991(11):793-799.

[8]王忠杰,尹力明.“六轴五车体”100%低地板轻轨车辆技术方案[J].上海电气技术,2011,12:4--52.

[9]金伟,钟敏,门永林.准100%低地板车辆转向架方案设计[J].铁道车辆,2012(1):9-14.

[10]米彩盈.铁道机车车辆结构强度[M].成都:西南交大出版社,2007.

Research on a Low-Floor Power Bogie Design with Independent Rotating Wheels

ZHANG Xu，HUANG Yunhua，LI Xiangxin，WANG Xujia，QUAN Kebo

(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Due to that bogie with independent rotating wheels has an advantage of realizing lower distance of the floor and the rail in urban rail transport,a program of designing the low-floor power bogie with independent rotating wheels is proposed.According to the standards of UIC615—4,static strength of the bogie frame is analyzed with analysis software ANSYS.

low-floor;independent wheel bogie;static strength;bogie frame

1673-9590(2015)03-0018-04

2014-07-24

张徐(1990-),男，硕士研究生，主要从事车辆工程的研究E-mail:1069938484@qq.com.

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