1、 列车动力转向架论文摘要：进入 21 世纪，我国的城市轨道交通方兴未艾。作为世界上人口最多的国家为保证拥有一个有效，快速，便捷的交通。轨道交通作为主要的趋向已开始平凡地出现在我们的生活中。转向架为一个重要部件被用来承载车辆，提供牵引力（动力转向架） ，减震，其主要作用还是车辆的导向问题。由于车辆过弯的作用力完全来自钢轨对于轮对的挤压， （如图 1 左图）车辆具有固定轴距，所以转向架前一轮对的外侧轮缘和后一轮对的内侧轮缘，对钢轨之间存在着很大的挤压力！图 1根据国内外经验，转向架的设计有以下几个基本原则：(1)采用高柔性的弹簧悬挂系统，以获得良好的振动性能。这种高柔性空 气弹簧在速度 300km
2、/h 以下能表现出其优越性能。(2)采用高强度、轻量化的转向架结构，以降低轮轨间动力作用。(3)采用能有效的抑制转向架蛇形运动，提高转向架蛇行运动临界速度的各种措施。(4)驱动装置采用简单、实用、可靠、成熟的结构，尽量减小簧下质量和簧间质量，以改善轮轨间的动作用力，提高高速运行稳定性。(5)基础制动装置采用复合制动系统。随着广大人民日益增长的生活需求，城市之间的到达时间已不能很好的满足人们的需要，为了改善人们的生活质量。国外列车发展概况 高速客车的关键技术之一就是转向架，其历史可以追溯到 19 世纪中期。转向架的应用不仅提高了客车的运行速度，同时使车辆具有良好的曲线通过性能和舒适性。早期的客车
3、转向架主要以铸钢结构或钢板铆焊结构为主，一系悬挂采用导框式轴箱加板簧方式，轴承为滑动轴承，其中央悬挂采用板簧加摇枕结构，心盘用于承载和传递纵向力，基础制动为踏面制动。随着制造水平的提高，客车转向架开始采用焊接构架结构。20 世纪 20 年代开始出现了摇动台结构的转向架，有效地降低了二系横向刚度，从而大幅度提高了车辆的横向动力学性能。50 年代后，盘形制动、磁轨制动及防滑器等新技术开始在客车上得到应用，为客车运行速度的提高奠定了基础。在此之后，空气弹簧的应用以及中心销取代了传统的心盘结构，使客车的动力学性能得到了进一步改善。70 年代后，无摇枕转向架开始出现，使客车转向架朝着轻量化、模块化、无磨
4、耗、高舒适度的方向发展。进入 90 年代后，磁轨涡流制动开始应用，不仅消除了磨耗，降低了噪声，还大大提高了制动效率。法国 二战前，法国铁路客车运用的几乎全是美国 Pennsylvania 型转向架，该转向架采用传统的铸钢构架，一系悬挂为轴箱导框加均衡梁结构，中央悬挂采用摇动台、板簧及摇枕的模式，承载方式为摩擦旁承加心盘的组合。在此基础上，法国国铁(SNCF)设计出了最高速度为 140km/h 的 Y16 型转向架，随后又开发和研制出了 Y20、Y24 和 Y26 型转向架，其中， Y26 型转向架首次采用了空气弹簧，最高试验速度达到了 180km/h，并于 1968 年投入运用。在总结了上述转
5、向架经验的基础上，SNCF 于 1967 年研制出了 Y30 型转向架。该转向架采用了全新的结构：一系悬挂为人字形橡胶堆定位，中央悬挂为高圆钢簧加中心销模式。与此同时，SNCF 还开发出了最高试验速度为 230km/h 的 Y28 和 Y207 型转向架，并在此基础上研制出新一代适合 200km/h 的 Y32 型转向架。Y32 型转向架采用了 H 型焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，中央悬挂为高圆钢簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、摇枕加抗侧滚扭杆装置，基础制动装置采用了盘形制动和磁轨制动。为减小转向架点头及横向等运动对车体的影响，牵引装置采用了钢丝绳连接的方式。Y32 型转向架自 1
6、973 年批量生产以来，一直是 SNCF 的主型转向架，并批量出口到其他国家。20 世纪 70 年代以后，法国开始研制 TGV 高速列车，并研制出了 Y229 型转向架。法国 TGV 采用动力集中的牵引模式，车体之间采用铰接方式。为此，法国开发出了 Y231 型转向架用在第1 代 TGV-PSE 拖车上，并在此基础上研制出了用在 TGV-A 拖车上的 Y237 型转向架。该转向架采用了 H 型焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，中央悬挂为大容积高柔性空气弹簧、横向液压减振器、垂向液压减振器、抗蛇行液压减振器、抗侧滚扭杆及 Z 字形拉杆牵引装置，基础制动装置采用了盘形制动。Y237 型转向架由
7、于采用了 3m 的大轴距及 1:40 的锥形踏面，故具有较高的抗蛇行稳定性。法国 TGV 高速转向架不断完善铰接式转向架结构，也趋向轻量化方向发展，但其轴重基本保持 17t 左右。图 2 TGV 动车转向架德国 德国的第 1 台客车标准型转向架于 1890 年研制成功，该转向架采用锻压铆接构架，一系悬挂为轴箱导框加板簧，中央悬挂由中央板簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成。在此基础上，20 世纪 30 年代德国又开发出 Grlitz系列转向架，最高运行速度为 160km/h。为解决轴箱导框的磨耗问题，德国联邦铁路（DB）从 1939 年开始研制 Minden2Deutz 新型转向架。该转向架采用了 H
8、 型焊接构架，一系悬挂为双圆簧和双拉板式定位装置，中央悬挂由摇动台、钢圆簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成，在摇枕和构架的两侧设有牵引拉杆。该转向架于 1949 年完成试制并投入线路考核试验，随后定型为 MD32 标准型转向架。此后，又根据不同要求改型为 M36 等 10 多种 MD 系列转向架，其中，约一半以上出口到其他国家。与此同时，Grlitz V 型转向架也于 1958 年研制成功。其结构同 MD32 基本相似，仅将一系悬挂的双拉板式定位改为橡胶导柱定位。为确保德国在高速铁路领域的地位，联邦政府于 1972 年投资 5 亿马克进行高速列车前期性研究，其中包括研制世界上首台滚动振动试验台和动力
9、学仿真软件 MEDYNA。座落在慕尼黑的试验台在经历了近 6 年的设计及施工后于 1980 年完工。该试验台可对机车车辆进行整车在实际轨道激扰条件下的直线、曲线动态模拟以及模态分析，最高试验速度为 500 km/h，是世界上功能最完备的滚振试验台，为新型转向架的开发提供了有力的手段。图 3 德国 MD530 型转向架德国 WAGGON UNION 公司在 1974 年研制成功 MD52 型转向架的基础上于 80 年代初开发出 MD52-350 原型车转向架，并经改进后定型为 MD530 型，用于 1991 年开通的第 1 代 ICE 高速列车，其最高运行速度为 280km/h。该转向架一系悬挂
10、采用了双圆簧和单向双层拉板定位，中央悬挂由摇动台、摇枕、摩擦旁承和中心销组成。为保证其可靠性，中央悬挂仍采用钢圆簧，摇枕的纵向定位采用橡胶缓冲座，在构架的两侧设有磨耗板，牵引力的传递采用中心销模式。MD 系列转向架的旁承除承受车体的垂向载荷外，还提供回转力矩，以取代常规的抗蛇行减振器。为保证摇枕与构架间的扭转刚度和转向架的纵向振动不向车体传递，摇枕通过扭杆和拉杆连接到转向架的构架上。为了进一步改善MD530 型转向架的动力学性能，MAN 公司在 90 年代初研制成功带轮对耦合副构架的转向架和采用碳纤维轻型构架的独立旋转车轮转向架，2 台高速转向架均采用了空气弹簧。1992 年，由 DB 组织研
11、制新一代采用空气弹簧的 ICE 高速客车转向架，通过线路动力学试验比选确定生产厂家。除上述 2 种方案外，瑞士、奥地利和德国等国的公司共提出 7 种方案，并通过了德国联邦铁路组织的线路动力学试验。经比选后确定奥地利的 SGP-400 型转向架为 ICE-2 的最终方案。1995 年，DB 和东日本铁道株式会社达成协议，由德国 TALBOT 公司和日本住友(SUMITOMO)公司在 B-5003 型转向架的基础上联合研制新一代高速转向架，定型为 JR21。该转向架采用内支承模式，其整体重量仅 4300kg，是目前世界上最轻的高速客车转向架，其最高试验速度为 450km/h。德国 ICE 高速转向
12、架，随着动力分散 ICE3 高速列车和摆式动力分散 ICET 等高速列车的发展，其一系悬挂和二系悬挂有向有源半主动和主动控制方向发展的趋势。 图 4 ICE3 动车组 SF500 型转向架中国 为适应旅客列车提速的需要，1990 年国内几家客车厂分别开始研制时速 160km 的准高速客车转向架，并命名为 209HS、206KP、CW-2 型转向架，主要用于 25Z 和 25K 型客车。从 90 年代中期开始，我国研制高速客车转向架。所研制的 CW-200 型转向架已投入运行，最高运行速度 200km/h，并在此基础上研制出 CW-300 型高速客车转向架。同时，在引进日本技术的基础上，开发了运
13、行速度为 220km/h 的 SW-220 型客车转向架，并在此基础上开发出 SW-300 型高速客车转向架。这 2 种转向架在首列国产高速列车上进行了线路试验，其最高速度均达到了 321.5km/h。由于高速列车的运行速度快，在运行过程中需要有更好的安全性能，这样在转向架的设计过程中就需要有更高的要求。在列车转向架设计的过程中，应完成以下任务：(1)承载。承受车架以上各部分的重量（包括车体、车架、动力装置和辅助装置等） ，并使轴重均匀分配。(2)牵引。保证必要的轮轨黏着，并把轮轨接触产生的轮周牵引力传递给转向架架、车钩，牵引列车前进。(3)缓冲。缓和线路不平顺对车辆的冲击，保证车辆具有良好的
14、运行平稳性和稳定性。(4)导向。保证车辆顺利通过曲线。(5)制动。产生必要的制动力，以使车辆在规定的距离内减速或停车。构架 构架是转向架的重要部件之一，既要有足够的强度和刚度，又要有适当的弹性、良好的抗冲击性能及耐疲劳性能。构架应按照等强度的原则，进行优化设计及有限元计算分析，使构架设计达到结构和应力均布合理，并达到节约金属材料和轻量化的目的。对焊接构架结构，特别是有节点部位的结构应不断研究、改进；对焊接工艺和机加工工艺也要不断改进，尽可能减小应力集中和减少应力敏感部位，确保焊接质量和加工精度，使轴距、对角线、一系和二系悬挂装置、基础制动安装部位等的几何尺寸达到设计图样规定的精度要求，使构架达
15、到良好的受力状态和尽可能长的使用寿命。对构架的材料也要不断地研究开发，以适应不断发展的高速转向架的要求。随着运行速度的提高，构架除了要有良好的疲劳强度外，还需具有结构简单和重量轻等特点。目前，除北美国家外，客车转向架构架基本上采用 H 型焊接构架的模式。侧梁一般采用箱形结构，其目的一方面可增加强度，另一方面可增加空气弹簧附加空气室的容积。欧洲国家横梁一般采用箱形结构模式，而日本则采用双无缝钢管的方式。采用双无缝钢管横梁的构架具有重量轻、易实现盘形制动等特点，近年来得到广泛应用，但缺点是抗弯刚度低。为降低轮重减载率和提高脱轨稳定性，高速客车转向架的构架应尽可能地采用柔性构架，如德国 TALBOT
16、 的高速转向架采用构架侧梁上盖板开槽的方式，SIG 和 SGP 的高速转向架采用合理的横梁结构来实现提高柔性的目的。从发展的观点来看，高速客车宜采用轻量化的焊接柔性构架。转向架构架一般由左、右两侧梁和一个或几个横梁等组成。侧梁的作用不仅是向轮对传递垂向力、横向力和纵向力的主要构件，还用来限定轮对的位置。横梁的作用是保证构架在水平面内的刚度，保持各轴的平行及承托牵引电机等部件。转向架构架由钢板和铸件组焊的 U 形构架，包含箱形侧梁、横梁和纵向梁，另焊有转臂座、一系和二系垂向减振器和抗蛇行减振器座，二系横向减振器座、电机及齿轮箱吊座，基础制动装置吊座、牵引座和横向止档座。侧梁为钢板焊接箱型结构，其
17、 U 型设计是为了满足以有效的空间将动车转向架的轮盘制动单元安装在车轮内侧，从而取消外部端梁，结构紧凑并减轻了自重。图 5 转向架侧梁构架侧梁中间部分下凹，以适应二系高挠度空气弹簧的安装。两帽筒中心距 2500mm，两侧梁中心间距 2000mm，侧梁中间部分横断面尺寸为280mm160mm，两端的横断面尺寸为 145mm160mm，并由小到大中间过渡，形成等强度梁，主要承受弯曲和拉压载荷。侧梁上盖板厚 10mm（帽筒处上盖板厚22mm） ，下盖板厚 12mm，腹板厚 10mm；侧梁内布置有隔板，隔板与上盖板留有10mm 间隙，便于侧梁内空气流通，增加侧梁强度。侧梁空气弹簧座处上盖板向外突出，便
18、于侧梁承载垂向载荷，上下盖板间增加加强肋板，增强上下盖板的承载能力。另外一系、二系垂向减振器座，及抗蛇行减振器座均布置在侧梁上。横梁和纵向梁均为箱形焊接结构，横梁主要承载部位横断面尺寸为150mm200mm，纵向梁断面尺寸为 180mm160mm。横梁和纵向梁上盖板厚10mm，下盖板厚 12mm，腹板厚 10mm。横向减振器座斜对称布置在纵向梁上，横向止挡对称布置在纵向梁上。电机吊座，齿轮箱吊座，牵引拉杆安装座及制动夹钳安装座都布置在横梁上。轮对 轮对的质量属于转向架的簧下质量，对于高速客车来说对其要求更加严格，以减少轮轨间的动作用力。因此，国外高速客车轮对一般都选择轻型轮对，如采用空心车轴、
19、轻型车轮、小轮径车轮等，并选用铸铝合金轴箱，以尽可能减小簧下质量。近 10 多年来，为研制时速 200 km 及以上速度转向架，对空心车轴、轻型车轮、铸铝合金轴箱及铸铝合金齿轮箱等轻量化轮对的零部件进行了研制，为今后高速轮对轴箱装置的发展打下了良好的技术基础。为适应铁路高速转向架技术发展的需要，这期间还在 LM 磨耗型踏面基础上，研制了试验型的 HLM 型高速磨耗型踏面外形，并进一步研制成功了 LMa 型高速磨耗型踏面外形，用于 CW-300 型和 SW-300 型转向架上。而轴承一般都选用国外进口的滚动轴承，如 SKF 公司的自密封式圆锥滚子轴承等。所以，高速转向架所采用的轮对轴箱装置在既有
20、的基础上，经过一段的运用考验和改进完善，将进一步向轻量化方向发展。轮对一般由车轴、轮心和轮箍等组成。高速动车组车辆一般采用整体车轮，所以不再有轮心和轮箍之分。另外，高速动车组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齿轮箱。轮对的作用主要有:(1)承受全部载荷及冲击；(2)与钢轨黏着产生牵引力或制动力；(3)轮对滚动使机车车辆前进。为了减轻簧下质量，采用 30CrMoA 为材质的空心车轴。轴颈直径为130mm，内孔直径为 60mm，需对内孔超声波探伤检查和挤压强化处理。由于动车转向架采用了轮盘制动，其两个锻钢制动盘片要对称安装在车轮辐板的两侧，需要重新研制出一种高速车用的直
21、辐板车轮，对其熔炼成分、机械性能、探伤、踏面形状、注油槽、残余应力等提出专门的技术要求。动车车轮直辐板形状经优化后为变截面的，其上均匀布置了 12 个直径 27mm 孔用于连接两侧制动盘片，并保证摩擦面的完整性。本设计轮径为 860mm，磨耗到限为 790mm，采用LMa 磨耗型踏面。轴箱悬挂 簧下质量对车辆的动力学性能和轮轨作用力都有直接的影响，在高速情况下更是如此，故应尽可能选用重量轻的轴箱定位方式。客车转向架的垂向悬挂参数由于受车钩高和限界的约束，其垂向挠度也受到相应的限制。高速客车转向架均采用了不同形式的轴箱弹性悬挂，法国的 TGV、瑞士的 SIG 及日本的轴箱定位基本上以转臂定位为主
22、，而德国一般则采用单顶簧加单拉板定位或对称的双簧加橡胶堆的定位方式。轴箱采用何种定位方式应根据国情、用途和线路条件而定。但在选择定位方式时，应在保证其稳定性的条件下，尽可能采用柔性定位，以减小轮轨间的磨耗。同时，还应尽可能地采用无磨耗及检修方便的定位方式。高速客车转向架应尽量减小轮轨噪声，而采用轴箱橡胶弹性悬挂或加橡胶垫则是减少噪声的最有效措施。根据近 10 多年来列车转向架发展积累的经验，将选择轴箱顶部双卷单组圆弹簧 加单向垂向油压减振器及转臂式轴箱弹性定位为未来转向架一系弹簧悬挂装置及轴箱定位方式的优先发展方向。一系弹簧悬挂静挠度一般选取为 60mm-80mm 之间，甚至可达到 100mm
23、；单向垂向油压减振器阻尼系数可在 5kNs/m-15kNs/m 之间选择；对轴箱纵向、横向定位刚度一般配比为 2:1，即纵向定位刚度为横向定位刚度的 2 倍，既有利于直线上运行的稳定性，又有利于曲线通过性能。对电动车组动、拖车转向架来说，一系定位的几何参数是临界速度的关键参数。其中影响较大的是整体轴箱转臂的长度、转臂节点的高度和节点刚度的参数优化。从表 1 可以看出，随着转臂长度的增加，转向架的临界速度逐渐降低，转臂较短时可获得较高的临界速度，考虑到减小转臂节点刚度对一系垂向刚度的影响，故转臂节点中心到轴箱体中心的长度选取 500mm。表 1 转臂长度变化对临界速度的影响转臂长度/mm 400
24、 450 500 550 600临界速度/kmh -1 330 325 320 310 300转臂节点高度高出或低于轴箱体中心时计算所得的临界速度值。可以看出随着节点高出车轴中心线越大，则临界速度越高，但同时节点过高也易于对一系垂向增加附加刚度值，故一般选取在自重下高出车轴中心线 8-12mm，可实现较高的临界速度。表 2 转臂节点高度对临界速度的影响节点高度/ mm -15 -10 -5 0 5 10 5临界速度/kmh -1 300 305 310 320 325 330 335转臂式轴箱定位具有以下优点：(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
25、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。综合上述分析，转向架拟采用转臂式定位方式，包括转臂、轴箱顶部双卷单组圆弹簧、垂向油压减振器和起吊装置，垂向定位刚度为 1MN/m。转臂座为弹性连接，由锥形销套上锥形套和橡胶套，横向定位刚度为 5.49MN/m，纵向定位刚度为 10MN/m。图 6 轴箱定位装置二系悬挂 考虑到空重车工况下载荷变化、限界和车钩高度的限制，客车转向架垂向总挠度及空重车状态下垂向挠度差有一定限制，故要改善客车的垂向和横向
26、平稳性能只能依靠中央悬挂。目前，高速客车转向架的中央悬挂基本上采用空气弹簧和应急弹簧串联的模式，应急弹簧一般为橡胶堆的形式。空气弹簧的支承方式又分为二点支承、三点支承和四点支承。欧洲国家一般采用二点支承或三点支承的模式，但必须设置抗侧滚扭杆，因欧洲铁路联盟 UIC 对抗侧滚指数有严格要求。日本则采用四点支承的模式，在空气弹簧跨距足够大的条件下，可不加抗侧滚扭杆。欧洲国家设有二系垂向液压减振器，而日本则采用具有非线性阻尼特性的节流孔来代替二系垂向液压减振器，其缺点是垂向平稳性随激振频率的变化较为敏感。速度提高以后，对车辆的平稳性提出了新的要求，对平稳性影响最为敏感的因素是二系刚度值。大量的理论研
27、究和试验证明，二系刚度应尽可能地保证车体的垂向和横向自振频率为 1Hz 左右。摇动台结构可大大降低二系横向刚度，但由此带来的是转向架重量和磨耗件的增加。高速客车转向架应在减轻重量的同时尽量降低其二系刚度，应采用无摇动台、无摇枕、无磨耗件的结构。根据国外列车转向架的发展经验和近 10 多年我国铁路客车转向架的发展趋势，时速 200km 及以上速度高速客车转向架的二系悬挂应以选择无摇枕结构、空气弹簧悬挂为发展方向，对于无摇枕转向架，车体重量直接放在空气弹簧之上，因此对空气弹簧的弹性特性，尤其是横向特性提出了很高的要求。本次选用的空气弹簧有效直径 580mm，最大外径 750mm，工作高度 210mm。图 7 空气弹簧基础制动装置 动车转向架由于设有架悬电机和齿轮传动系统， 所以采用轮盘式制动单元， 每车轮设一套制动单元，为了使转向架的结构布置紧凑， 轮盘制动单元安置在车轮内侧。动车制动盘由两锻钢盘片组成，分装在直辐板车轮的两侧，盘片直径为 720 mm。在压装车轮前需先套装内侧盘片，为确保制动盘片与车轮的可靠联结，两盘片用 12 个 M25 的沉头螺栓和性能可靠的防松螺母紧固在车轮辐板上，安装制动盘片时要采用一定的工装保证内、外侧两盘片
