第五节 轮对轴箱装置
一、轮对
（一）轮对组成与要求
1.组成与作用
轮对一般由车轴、轮心和轮毂等组成。城轨车辆一般采用整体车轮，所以不再有轮心和轮毂之分。另外，城轨车辆轮对还有动力轮对和非动力轮对的区别，其中动力轮对上通常装有牵引大齿轮。
轮对的主要作用是：承担车辆全部载荷和冲击；引导车辆沿着钢轨高速运行；与钢轨黏着产生牵引力或制动力。
轮对的质量直接影响列车的安全运行。因此，对轮对的要求是：
（1）具有足够的前度和刚度；要求在外力作用下不发生永久变形，且弹性变形限制在正常工作允许范围内，不发生脆性折断及疲劳等类型的破坏。
（2）在保证安全的条件下，尽可能地减轻轮对质量并由一定的弹性，以减小轮轨之间的作用力。
（3）车轴与车轮结合牢固。
（4）具有阻力小和耐磨性好的优点，这样可以大大地节省牵引动力。
轮对在正常状态线路上运行时，轮缘的内侧距是影响运行安全的重要因素。轮缘内侧距应保证在任何线路上运行时轮缘与钢轨之间有一定的间隙，以减少轮缘与钢轨的磨耗；应保证在最不利情况下，轮对踏面在钢轨上仍有足够的安全搭接量，不致造成脱轨；轮缘内侧距有严格的规定：一般铁路标准轮对，内侧距为（1353±3）mm；我国地铁车辆轮对，内侧距为（l353±2）mm。另外轮对还应保证安全通过道岔。
2.组装
轮对的组装工艺通常有两种：热套和液压套装。所谓热套，就是将轮心加热后套到车轴，轮箍加热后套到轮心。而所谓液压套装，就是在车轮与车轴拆装过程中，通过专门的液压设备向轮座接触面处注入高压油，使轮座孔扩张并同时施以轴向推力将车轮压入或退出。
（二）车轴
车轴是轮对转动的中枢，在制造、维修中必需严格要求。铁路车辆使用的车轴，绝大多数为圆截面实心轴，采用优质碳素钢加热锻压成型，再热处理（正火或正火后再回火）和机械加工制成。
为了适应不同用途车种和不同车辆载重的要求，便于设计、制造和运用维修，车轴的轴型已标准化和系列化，车轴具体参数和名称如图3-33所示。
图3-33 滚动轴承车轴
1—轴颈；2—防尘板座；3—轮座；4—轴身；5—螺栓孔；6—装车发电机加长部分
1车轴为转向架的簧下部分，降低簧下部分的质量对改善车辆运行品质和减少对轮轨动力作用有很大影响，特别对于高速列车，为降低簧下质量常采用空心车轴结构。由于车轴主要承受横向弯矩作用，截面中心部分应力很小，制成空心结构后，对车轴的强度影响很小。一般空心车轴比实心车轴可减轻20％～40％的质量。
车轴两端伸进轴箱的部分叫轴颈，安装轴承和承受车辆载荷；压装车轮的部分叫轮座；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时，再通过构架和中央牵引装置带动车辆前后运行。
（三）车轮
车轮的结构、形状、尺寸、材质是多种多样的。按其结构分为整体车轮和带箍车轮两种。整体车轮按其材质可分为辗钢轮和铸钢轮等。带箍轮又可分铸钢辐板轮心、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。我国日前车辆上大部采用整体辗钢轮。
1.名称与作用
整体辗钢轮由踏面、轮缘、辐板和轮毂组成，如图3-34所示。车轮与钢轨的接触面称为踏面，一侧沿着圆周突起的圆弧部分称为轮缘，是保持车辆沿钢轨运行，防止脱轨的重要部分。踏面沿径向的厚度部分称为轮辋，轮毂是轮与轴互相配合的部分。轮辋与轮毂连接的部分称辐板。轮缘是为保持车轮沿钢轨运动，起导向作用，防止脱轨的重要部分，轮毂是保证车轮与车轴相互结合且保证有足够压装力的部分。中央的轮毂孔是安装车轴的地方，它与车轴上的轮座部分相配合。
图3-34 整车辗钢轮
1—轮辋；2—踏面；3—辐板；4—轮毂；5—轮缘；6—辐板孔；7—轮毂孔
由于车轮踏面有斜度，各处直径不相同，规定在离轮缘内侧70mm处测量所得的直径为名义直径，作为车轮的滚动圆直径例如我国铁路客车标准轮径为915mm，货车标准轮径为84mm。轮径小，可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴距，但也有阻力增加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗加快等不足。
2.锥形踏面
车轮踏面一般做成一定的斜度，称为锥形踏面，如图3-35（a）所示。踏面锥形的作用为在直线运行时使轮对能自动调中，在曲线运行时，由于离心力的作用使轮对偏向外轨，由于踏面锥形，使外轨上滚动的车轮以较大的滚动圆滚动，在内轨上以较小的滚动圆滚动，从而减少了车轮在钢轨上滑动，使轮对顺利通过曲线；车轮踏面有斜度，运行时车轮与钢轨接触的滚动直径在不断地变化，致使轮轨的接触点也在不停地变换位置，从而使踏面磨耗更为均匀。
图3-35 车轮轮缘踏面外形
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。踏面的最外侧做成R=6mm的圆弧，其作用是通过小半径曲线，也便于通过辙叉。
3.磨耗形踏面
实践证明，锥形踏面车轮的初始形状，运行中将被很快磨耗。当锥形踏面磨耗到一定的凹形程度后，车轮与钢轨的磨耗都变得缓慢，磨耗后踏面形状将相对稳定。如果把车轮踏面一开始就做成类似磨耗后的稳定形状（凹形、曲形、弧形），即磨耗形踏面[图3-35（b）]。可明显地减少轮轨的磨耗，延长使用寿命，减少换轮、旋轮的检修工作量，其经济效益是十分明显的。磨耗形踏面有许多优点，如：可减小轮轨接触应力，便于通过曲线，可自动调中，能顺利通过道岔，使踏面磨耗比较均匀，防止车轮脱轨，提高车辆运行的横向稳定性和抗脱轨安全性等。
二、轴箱装置
轴承与轴箱的组合体称为轴承轴箱装置。轴箱装置的作用是：将轮对和构架（或侧架）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；把车辆的重量以及各种载荷传递给轮对，并保证良好的润滑性能，减少磨耗，降低运行阻力，防止燃轴。
轴箱装置按轴承工作特性分为滚动轴承轴箱和滑动轴承轴箱装置。我国铁路已基本实现滚动轴承化，这是实现铁路车辆技术装备现代化的重要标志。采用滚动辅承后，显著地降低了车辆的启动阻力和运行阻力，改善了车辆走行部分的工作条件，减少了燃轴的惯性事故，减轻了维护和检修工作，降低了运营成本。
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、球面滚动轴承等几种。由于铁路车辆的允许轴重比较大（一般10～25t），在运用中承受着变化的静、动载荷的作用。因此，要求轴承的承载能力大、强度高、耐振、耐冲击、寿命长等。一般城轨车辆用滚动轴承均采用了圆柱滚动轴承或圆锥滚动轴承。例如广州地铁一号线车辆采用双列圆柱滚动轴承，二号线车辆采用双列圆锥滚动轴承；北京地铁（DK3）和铁路客车均采用圆柱滚动轴承，轴承牌号为l52726T（前轴承）和42726T（后轴承）。货车采用双列圆锥滚动轴承，牌号为197726T。这两种滚动轴承轴箱装置结构如图3-36、图3-37所示。
图3-36 圆柱滚动轴承轴箱
1—车轴；2—防尘挡圈；3—毛毡；4—轴箱后盖；5—42726T轴承；6—152726T轴承；
7—压板；8—防松板；9—螺栓；10—轴箱盖；11—轴箱体
轴承基本结构是由外圈、内圈、滚子、保持架组成，如图3-36所示。滚动轴承是借助于在内、外圈之间的滚动体滚动实现传力和滚动的。内圈紧配合于轴颈上，外圈与轴箱之间允许有少许的转动，当车轮转动时内圈随轴颈转动，同时带动保持架与滚动体转动，滚动体一方面沿内外圈滚道作公转，另一方面绕自身轴心作自转，它们之间的接触点是在不断变化的，零件之间没有滑动摩擦，因此其摩擦阻力小，这是滚动摩擦的主要特点。轴箱装置横向力传递顺序（假设相对于车体轮对向右偏移）。
图3-37 圆锥滚动轴承轴箱
1—轴承；2—有风组成；3—前盖；4—防松板5—通气栓
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→轴箱→转向架→车体。
三、轴箱定位装置
约束轮对与轴箱之间相对运动的机构称为轴箱定位装置，它对转向架的横向动力性能、抑制蛇行运动具有决定性作用。轴箱定位装置在纵向和横向具有适当的弹性定位刚度值，从而可避免车辆在运行速度范围内蛇行运动失稳，保证在曲线运行时具有良好的导向性能，减轻轮缘与钢轨的磨耗和噪声，确保运行安全和平稳性。
常见的轴箱定位结构形式有：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。但在现代城轨车辆上，使用最普遍的是转臂式定位、八字形橡胶定位和层叠圆锥橡胶定位。
1.转臂式轴箱定位装置
转臂式轴箱定位装置主要包括轴箱弹簧、垂向液压减振器、橡胶弹性定位销（节点）等零部件。
（1）力的传递
这种转臂式轴箱定位装置中3个力（即垂向力、纵向力和横向力）的传递过程是由不同部件来实现的，具体过程为：
垂向力——由轴箱圆弹簧传递。
纵向力——由转臂定位销（橡胶弹性节点）传递。
横向力——由转臂定位销（橡胶弹性节点）和圆弹簧共同传递。
（2）结构特点（图3-38）
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（锥形销轴）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行性能影响较大。
图3-38 转臂式轴箱定位结构示意图（天津轻轨车辆用）
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；—螺旋弹簧；—锥形套；—柱形橡胶套；—锥形销轴
（3）转臂式轴箱定位装置优点
①轴箱与构架间无自由间隙和滑动部件，无摩擦磨损。
②构成的零件很少，分解、组装容易，且维修方便。
③轴箱的上下、左右及前后定位刚度可以各自独立设定，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.层叠圆锥橡胶轴箱定位装置
（1）力的传递
垂向力、纵向力和横向力均由层叠圆锥橡胶传递。
（2）结构特点（图3-39）
①层叠圆锥橡胶具有3向弹性特性，且其横向弹性可通过在圆周上开切口来调整。
②在垂向载荷作用下，橡胶主要受剪切变形。
（3）优点
具有无摩擦磨损，重量轻、结构简单，吸收高频振动和减少噪声等优点。
图3-39 层叠圆锥橡胶轴箱定位结构示意图（北京城轨车辆用）
3.八字形橡胶堆轴箱定位装置
（1）力的传递
垂向力、纵向力和横向力均由八字形橡胶堆传递（图3-40）。
图3-40 八字形橡胶堆轴箱定位结构示意图（上海和广州地铁车辆用）
（2）结构特点
①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1倍），纵向刚度kz最大，见图3-41。
②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，此安装角一般取10°～11°。
（3）优点
具有无摩擦、无磨损、重量轻、结构简单、吸收高频振动和减少噪声等优点，寿命可达150万走行公里以上。
轴箱装置是日常检查的重点内容之一，其主要破坏形式是：轴承烧损、轴箱弹簧裂纹（橡胶弹簧的老化、龟裂等）、轴箱体裂纹及轴箱定位破坏等。
图3-41 八字形橡胶堆（块）