轴箱内置式铁路货车转向架设计

李华宴 严志雄 陈 柳 王丽娜 宋 帆

（中车长江车辆有限公司，湖北 武汉 430212）

1 轴箱内置式转向架发展现状

转向架是支撑车体并承受各种载荷及作用力、传递牵引力和制动力的支撑走行装置，是铁道车辆零部件中非常重要的部件。转向架通常包括轮对、轴箱和构架等，轴箱连接构架和轮对，传统转向架轴箱位于轮对的车轮外侧，属于轴箱外置式，这类转向架的宽度尺寸较大、自重大、转向架簧下质量大、轮轨磨耗大以及运行维护成本高[1]。与轴箱外置转向架相反，轴箱内置式转向架具有宽度尺寸小、自重轻、通过曲线能力强、轮轨磨耗小以及噪声低等优点，特别是地铁车辆运行限界，可以减少限界宽度空间，降低车辆和线路建设成本。国外对于轴箱内置式转向架技术的研究较早，20世纪80年代，英国铁路开发了内燃动力车组B5000型轴箱内置式转向架，与相应的传统转向架相比，B5000 转向架的质量减少了30%～35%，簧下质量减少了30%～40%。2016年，西门子公司在英国的城际列车上应用SF7000 型内置式转向架，实现了西门子内置式转向架技术的典型应用[2]。国内对于轴箱内置式转向架技术研究主要在中车主机厂和各高等院校中，涵盖的领域包括地铁、城际和高速动车组领域。

2 轴箱内置式铁路货车转向架技术分析

国内外轴箱内置式转向架主要应用于地铁和轻轨客运车辆，为了提升舒适性，转向架结构技术复杂，制造维护成本高，主要有以下几个方面的技术特点：悬挂系统设计大多数是两系悬挂，即一系内置轴箱采用锥形橡胶簧+二系空气簧，并安装抗侧滚装置；基础制动主要采用钳夹单元制动；设置液压减振装置。

2.1 轴箱内置式转向架轮对轴箱技术分析

与传统铁路货车转向架相比，轴箱内置式转向架车轴长度和轮座尺寸减少，实现车轴轻量化设计。除了车轴质量可以减轻外，由于受力部位内移（如图1所示），因此其疲劳性能比传统车轴更具优势。由图1 可知，对于左侧传统的轴箱外置式转向架，车体载重对车轴产生的弯矩作用在车轮外侧，车辆过曲线时轮轨横向力对车轴产生的弯矩与车体载重对车轴产生的弯矩方向相同，对车轴产生的弯矩是叠加的，这会加剧车轴产生疲劳，而对于图中右侧轴箱内置式转向架来说，车体载重对车轴产生的弯矩作用在车轮内侧，当车辆过曲线时，轮轨横向力对车轴产生的弯矩与车体载重对车轴产生的弯矩方向相反，因此会抵消一部分车体载重对车轴产生的弯矩，这样会减轻车轴疲劳，延长车轴的使用寿命[3]。

图1 传统转向架和轴箱内置式转向架车轴受力示图

从曲线通过性能分析可知，转向架的轮对摇头角刚度大小与铁道车辆曲线通过性能密切相关，轮对摇头角刚度可以用公式（1）表示。采用轴箱内置式转向架，由于一系悬挂轴向跨距减少，轮对摇头角刚度将减少，从而提高转向架曲线通过性能。但是，转向架轮对摇头角刚度减少，提供的摇头力矩会相应减少，抑制轮对摇头和转向架摇头的能力也相应减弱，因此会降低车辆直线运行的蛇行运动稳定性。在保证车辆正常通过曲线情况下，可以适当提高一系列的纵向定位刚度，并提高直线运行时转向架的临界速度，如公式（1）所示。

式中：Kφ为轮对摇头角刚度；Kpx为一系悬挂纵向刚度；bp为一系悬挂轴向跨距的一半。

从扭曲线路通过性能分析可知，转向架的扭曲刚度直接影响车辆扭曲线路通过能力，转向架的扭曲刚度可以用公式（2）表示。采用轴箱内置式转向架，由于一系悬挂轴向跨距尺寸减少，转向架扭曲刚度将减少，转向架扭曲刚度下降使车辆系统的垂向力更均匀地分配到同一转向架的4 个车轮上，从而保障车辆安全地通过扭曲线路。在扭曲刚度满足要求的情况下，由于一系悬挂轴向跨距减少，因此可以适当增加一系轴箱垂向刚度，在满足增载货物的情况下，减少一系悬挂弹簧挠度，便于转向架构架与轴箱、转向架底部与限界结构间隙设计和增加抗侧滚能力，如公式（2）所示。

式中：Kβ为转向架扭曲刚度；KPZ为一系悬挂垂向刚度；bP为一系悬挂轴向跨距之半。

2.2 轴箱内置式转向架基础制动技术分析

基础制动装置的结构及性能直接影响铁路车辆的行车安全。国内外现有客车转向架基础制动主要有钳夹制动盘式制动和钳夹轮腹盘式制动方案，钳夹制动盘式制动方案是在轮对的两个车轮之间的车轴上增加安装制动盘，在转向架构架或摇枕上安装制动钳夹装置，利用安装在制动钳夹装置上的闸片压紧制动盘侧面，产生摩擦制动力，实现制动减速或停车。钳夹轮腹盘式制动方案如下：制动夹钳位于构架侧梁的端部，制动盘安装于车轮腹板，通过安装在侧梁端部的制动钳夹装置上的闸片单侧或双侧压紧制动盘侧面，产生制动作用，这种制动布置方案，可以在轮对的内侧留出更多空间，特别适用带动力的转向架，同时也避免了轮盘制动夹钳与轴箱定位拉杆的干涉问题，保证轴箱定位拉杆可以在轴箱中心水平放置，实现转向架的紧凑设计。客车转向架的这2 种制动方案均为非踏面制动，适用车辆运行过程中制动频繁，制动距离短，制动效率高，但技术相对复杂，转向架簧下质量和自重较高，制造及维护成本高。

传统铁路货车三大件式转向架基础制动装置一般采用单侧轮瓦制动方案，制动梁两端安装在侧架滑槽内，靠近其制动梁端头的滑块在侧架的滑槽内，制动缸的作用力通过基础制动各杆系放大，将作用力传递至制动梁，将制动梁连同闸瓦压紧贴靠车轮，产生制动作用。当车辆制动或缓解时，梁端头的滑块沿侧架滑槽方向移动，与侧架滑槽产生摩擦阻力，对车辆的制动或缓解性能造成不利影响，另外，该类型基础制动要求侧架相对轮对垂向位移无变化或变化很小，以避免制动梁卡滞故障，闸瓦磨耗不均等问题。

在构架式铁路货车转向架中，由于设置一系轴箱悬挂，空、重车工况下，构架相对轮对垂向位移较大，不适合在构架上设置滑槽结构、采用类似三大件式转向架的基础制动方案。为保证稳定的制动和缓解作用，构架式铁路货车转向架可采用吊挂制动梁式轮瓦踏面制动方案，即制动梁两端的闸瓦托上连接吊杆一端，吊杆另一端吊挂连接在构架上，制动缸的作用力通过制动杠杆传递至制动梁。制动梁、闸瓦托及吊杆之间通过铰接连接，可灵活偏转，可保证制动梁瓦托及闸瓦对车轮踏面产生均匀压力。为保证制动梁与限界安全间隙，可在构架横梁上安装制动梁安全托。该类型基础制动方案具有结构简单、质量轻、制动及缓解效率高和维护便利等优点。

此外，分析转向架技术结构的经济性，客运轴箱内置式转向架主要采用钳夹式单元制动，还配置二系空气弹簧悬挂、轴端接地装置等，技术较复杂，制造和维护成本高，铁路货车转向架运行速度相对较低，车辆制造和维护成本也较低，更侧重于简单、安全可靠的成熟技术结构，和低制造和维护成本，以提高经济效益。因此，铁路货车轴箱内置式转向架可以考虑传统货车制动梁轮瓦制动和心盘旁承承载结构方案。

3 主要尺寸及性能参数

根据一种出口铁路工程平车技术规范要求以及借鉴国内外轴箱内置式转向架设计经验，设计满足车辆运用需求的轴箱内置式转向架，其主要尺寸及性能参数要求见表1。

表1 轴箱内置式转向架主要尺寸及性能参数

4 转向架结构方案设计

转向架采用“H”形焊接构架式结构，心盘和旁承承载方案，心盘采用均载性较好的球面下心盘结构。转向架结构主要由轮对组成、构架、轴箱悬挂装置、基础制动、称重阀装置、旁承称重装置以及下心盘等组成。分别对各部件结构进行研究。转向架结构如图2所示。

图2 转向架结构

4.1 轮对组成

轮对主要由车轮、车轴、轴承、轴承后挡、轴承前挡以及端盖等组成。轮对内侧距尺寸按车辆规范要求设计为（1359±1）mm，为了尽可能增加内置式轴箱的轴向跨距，保证车辆直线和曲线性能，在保证构架结构强度和车轮与构架合理间隙情况下，设计了较小的辋毂距结构的车轮，材质为EN13262 标准ER8 级钢，踏面为“LM”形。

车轴设计制造符合EN13261 标准，材质EA1N 钢，车轴的轴承安装座内置设计，车轴结构强度符合EN 13103-2：2020标准《铁路应用—轮对和转向架第2 部分 内置轴颈车轴设计原理》。轴承采用BT2-7090A 型为带密封无须现场润滑的双列圆锥滚子轴承，符合EN12080 标准，满足14t 轴重使用要求。

4.2 构架组成

构架主要由两件侧梁、横梁、弹簧座以及阀定位座等组焊构成。焊接符合EN15085 标准。构架板材主要采用Q345qE，铸件为B+级钢。侧梁采用上、下盖板和单腹板组焊结构，其中，同一侧梁，下盖板为整体设计，上盖板与横梁上盖板拼接焊连接，侧梁中部下凹设计，以降低心盘高度和车辆重心。侧梁腹板内、外侧，设计了加强筋板，同一轮位的2 个弹簧座设计为整体铸造，与侧梁下盖板焊缝为环焊连接，可以避免侧梁下盖板单弹簧座轴向焊缝易裂纹的故障。每个转向架安装一套称重阀，其中，一位侧梁端部设计阀定位座和“U”形加强板。

横梁为上、下盖板与双腹板组焊结构，上盖板中部开设有供球面下心盘安装的孔，内部有加强筋板。横梁上盖板两端组焊有旁承盒。腹板两侧面对称焊接安装有制动梁吊座和制动梁安全托座。

4.3 轴箱悬挂装置

轴箱悬挂装置主要由轴箱体、锥形橡胶弹簧、轴箱体后档以及吊杆等组成。轴箱体采用C 级钢整体铸造加工，内侧设计轴箱体后挡和吊杆，通过螺栓与轴箱体连接，轴箱体两侧对称设计有弹簧定位孔，锥形橡胶弹簧下部装入轴箱体定位孔，底部安装垫圈和端部螺栓防止脱出，弹簧上部结合面设计有凸出圆环挡结构，插入弹簧座内，为小间隙销孔配合，弹簧上部通过4 个螺栓与弹簧座连接，以提高连接定位可靠性。安装称重阀下方的轴箱锥形橡胶簧上部无螺栓连接，但设计加高定位挡，实现弹簧上部在构架阀定位座内的水平方向定位轴箱体下部增加阀防脱座设计。

4.4 基础制动

采用下拉杆式、单侧轮瓦踏面制动方案。基础制动主要由制动梁、固定杠杆支点、制动梁吊杆、制动梁安全托、制动杠杆、制动梁吊杆、下拉杆以及闸瓦等组成。制动梁为组合式制动梁，为适应较窄的构架空间，制动杠杆设计为竖直工作面，制动梁闸瓦托下穿过侧梁，通过制动梁吊杆吊挂安装在构架横梁的吊座上。每件制动梁设置有两件制动梁安全托，安全托通过螺栓安装在横梁腹板的安装座上。闸瓦采用TB/T3104.1标准高摩合成闸瓦。

4.5 称重装置

称重装置主要由称重阀、管卡和顶杆等组成。称重阀安装于侧梁下盖板下方，轴箱外侧一锥形橡胶弹簧上方，弹簧有效承载载荷对称重阀有直接比例效应。

4.6 旁承

采用常接触弹簧旁承，由旁承体、调整垫板和纵向锁紧斜铁组成。

5 转向架相关计算

5.1 车轴强度

车轴按照EN 13103-2：2020 标准，对车轴轮座、轴承座、轴身以及相关过渡部位的8 个位置截面进行强度计算，计算结果显示，材质为EA1N 的车轴各计算截面应力均低于EN 13103-2：2020 标准中表7b 的规定，车轴强度满足车轮使用要求。

5.2 构架强度

采用ANSYS 有限元软件按照EN13749 标准对构架进行仿真分析，在超常载荷工况下，构架侧梁下盖板内侧大圆弧部位最大应力274.8MPa，小于材料的许用应力345MPa，其余部位应力均低于200MPa，满足标准设计要求。在标准规定的9 个主要运营载荷工况下，构架各焊缝接头的动应力均未超出相应接头Goodman 疲劳极限图的界定范围，疲劳强度满足标准设计要求。构架静强度及疲劳强度均满足EN13749 标准要求。

5.3 转向架运行性能

采用SIMPACK 软件对安装该转向架的工程平车按照EN14363-2018 进行动力学仿真分析，当车辆通过扭曲线路时，最大轮重减载率和脱轨系数计算结果均低于标准允许限度；当速度为70km/h 时，车体最大横向加速度、最大垂向加速度、车轮导向力之和最大值、车轮脱轨系数最大值、车轮导向力之和的均方根值和车轮最大垂向静载荷计算结果均在标准规定限度内，车辆直线运行性能符合标准EN14363—2018 规定；当空车和重车通过曲线时，各项指标均在EN14363 标准规定限度内。对于安装该转向架的工程平车，由于重心较低，因此在无抗侧滚装置设置情况下，优化悬挂参数，对车辆侧滚系数进行仿真计算，在重心高度1.7m 以内，侧滚系数最大值为0.328，符合EN14363 标准≤0.4 的要求。通过车辆动力学仿真分析，表明安装轴箱内置式转向架的车辆运行性能满足标准设计要求。

6 结语

轴箱内置式铁路货车转向架是解决在某些特殊限界运行的工程车辆低成本的最佳技术方案，采用轴承内置的轮对、轴箱悬挂及基础制动技术是实现轻量化、低成本设计的关键，内置式转向架在减轻簧下质量和轮轨作用力，降低基础设施投入和线路维护费用等方面具有明显的优势。本文结合一种地铁工程平车规范要求，提供的一种轴箱内置式转向架设计方案，通过相关计算分析，符合相关设计标准，可以满足车辆使用要求，为研发同类型转向架提供参考。