低地板有轨电车独立轮对设计

李志远

（智道铁路设备有限公司，山西 太原 030032）

引言

低地板有轨电车是近年在国内兴起的一种新型轨道交通车辆，作为一种中等运量的轨道交通车辆，其具有地铁和公共汽车无法比拟的优势。低地板有轨电车属于中等运量运输系统，只需对城市现有道路稍加改造即可满足其运行需求，具有建造成本低、周期短等特点，是国内中型城市发展轨道交通、满足居民出行的最优选择，在国内具有非常广阔的发展前景。

作为低地板有轨电车走行机构的关键零部件，独立轮对需要在满足其走行、承载功能的基础上，实现大幅降低车厢地板面高度的目标。目前，国内零部件厂家尚不具备单元整体设计供货能力，该独立轮对的设计开发，能够及时满足车辆厂国产化和模块化组装需求。

1 低地板有轨电车轮对发展概况

低地板有轨电车是区别于传统有轨电车的新型城轨车辆，其车厢的部分或全部地板面距地面高度应不超过0.4 m，而传统有轨电车地板距地面高度普遍在1 m左右。在其近40年的发展历程中，低地板有轨电车的发展共经历了三个阶段。

1.1 第一代低地板有轨电车轮对

20世纪80年代，随着城市交通的不断发展，第一代低地板有轨电车应运而生，当时的城轨车辆仍然只能使用钢轮加钢轴的传统结构，受结构限制，轮对上方的车厢地板面距地面最小为0.8 m，由于车辆需和汽车共用城市道路，无法在道路上建设如此高的站台，为此，比利时BN公司将车辆分成了有轮对支撑的车厢和无轮对支撑的车厢，将无轮对车厢的地板面降低至0.35 m，两种车厢之间由台阶过渡（如图1所示），将车门设置在无轮对车厢两侧。这种设计潜在问题较多，如噪音大、车厢内落差高存在安全隐患等，因此只在Amsterdam等几个城市实现了运行。

图1 第一代低地板有轨电车轮对及低地板实现方式

1.2 第二代低地板有轨电车轮对

第二代低地板有轨电车轮对仍然采用直轴轮对的结构，但使用弹性车轮取代了钢轮，从而能够在减少振动的同时降低车辆运行噪音，同时将齿轮传动系统从轮对中间转移至轮对两侧，实现了车厢地板面高度的有效降低（如图2所示）。虽然高度依然无法彻底满足要求，但通过设置小角度斜坡，基本能够满足车辆在市内运行乘客上下车的需求。最先使用这种设计的有Bombadier公司的Flexity2、Alstom公司的Citadis X04、PESA公司的Swing等。

图2 第二代低地板有轨电车轮对及低地板实现方式

1.3 第三代低地板有轨电车轮对

随着人们生活水平的不断提高，对于车辆的舒适性要求也越来越高，国内外车辆制造厂家陆续推出了第三代低地板有轨电车，其所使用的轮对不再是传统的直轴结构，而是将车轴设计为中间向下凹的曲轴结构，同时保留第二代低地板轮对在轮对两侧牵引传动的结构，从而彻底实现车厢地板面全部为统一高度且低于0.4 m（如下页图3所示）。车轮采用改进后的弹性车轮，在保证减震降噪的基础上提升了安全性，第三代低地板有轨电车轮对有效地提升了乘客的舒适度。

图3 第三代低地板有轨电车轮对及低地板实现方式

与前两代低地板轮对相比，第三代低地板轮对的车轮不再与车轴共同转动，而是实现了独立转动，因此我们也将其称作独立轮对。目前，国际上几款有名的低地板转向架，如Variobahn转向架、Citadis转向架、Combino转向架等，均采用了独立轮对作为其走行部件。国内中车长客、中车唐山、中车青岛四方等主机厂新开发的低地板车也均采用独立轮对作为走行部件。由于现有的国内厂家只能单轮或单轴供货，无法满足主机厂的模块化采购、模块化组装需求，因此，大部分的独立轮对仍需进口。

2 低地板有轨电车独立轮对方案研究

第三代低地板有轨电车轴重一般在11 t左右，最高设计时速为80 km/s，2动2拖共4节车厢为一个编组，车厢全部地板面高度均应小于0.4 m。以最小车轮直径Φ0.6 m、轴身直径Φ0.13 m为例，轴身顶部距地面高度已接近0.4 m，再考虑到限界、减震系统安装、地板面厚度等因素，直轴轮对显然无法满足用户需求。因此，将轴身下凹、采用独立轮对是实现100%低地板的唯一解决方案。

独立轮对与直轴轮对相比，首先需要解决的就是将轮对两侧车轮的旋转自由度解耦，通过将轮轴压装改为轮轴之间安装轴承，实现车轮独立旋转，车轴方可由直轴改为中部下凹的“U”形结构，我们将这种车轴称为轴桥。同时，传统轮对的轴箱结构、电流接地、传动制动接口以及信息自动采集等功能也都需要转移至轮对两侧的有限空间，为此，我们需克服如下难点：

1）由于轴承被安装在弹性车轮轮箍孔内，受空间限制，传统的大直径双列圆锥滚子轴承或双列圆柱滚子轴承无法被继续使用，但轴重及使用寿命等要求必须得到满足。

2）轴承被安装在弹性车轮内部，这就意味着传统轴箱不复存在，但传统轴箱所承担的一系减震弹簧载体功能仍需由独立轮对来实现。

3）从受电弓到车厢再到车轴、车轮、轴承直至铁轨，构成一个完整的电流传导回路，需在保证接地效果的同时，采取有效措施，避免因轴承滚子电蚀而影响车辆运行安全。

4）牵引传动、轮盘制动、走行承载、信息自动采集等多种功能在独立轮对两侧有限空间的高度集成。

3 低地板有轨电车独立轮对总体结构

针对研究过程中识别出的设计难点，我们在方案中进行了如下设计：

1）创新设计车轮内部的轴箱传动结构，将传统的双列轴承改为背靠背安装的一大一小圆锥滚子轴承，通过布局优化，使得大直径轴承作为主要承载轴承，以满足车辆轴重要求，同时，将小直径轴承布置在靠近轮对外侧的车轮内部，从而最大限度地为轮对其他功能集成让出空间。同时，为轴承系统设计密封、润滑循环等结构。

2）在轴桥两侧靠近车轮的位置设置两侧伸出的承重梁结构，用于对接一系减震弹簧，与车轮内部的轴箱结构一起，完整替代传统轴箱功能。

3）轮对两侧设计接地装置，直接连接车轮与车轴，以将轴承组短路，从而避免电流腐蚀导致轴承滚子受损，危害车辆运行安全。

4）将轮对按照动力轮对和非动力轮对分别进行设计，对动力轮对预留牵引传动接口，并满足联轴节限界要求，将制动盘转移至齿轮箱外侧，对非动力轮对预留轮盘制动接口，并整合测速系统等。

设计的独立轮对结构如图4所示，设计参数如表1所示。

图4 低地板有轨电车独立轮对

表1 独立轮对设计参数

4 结论

1）独立轮对的结构设计难点主要在于内置式轴箱结构以及多种功能在轮对两侧狭小的集成，本设计能够有效解决上述难题，且具有维修方便等特点。

2）经过有限元仿真计算，以及多项试验测试，该独立轮对能够完全满足用户在轴重、使用维护周期、减震降噪等方面的要求，具有很好的市场应用前景。