獨立旋轉車輪導向技術概覽

劉曉宇

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 序言

低地板輕軌車輛是一種能使乘客在普通人行道上就能實現(xiàn)無高差上下車，不需要在路面設置高站臺的輕軌車輛，給殘疾人、年邁老人、推嬰兒車的夫婦及任何攜帶物品和帶行李的乘客和行動受到限制的人群提供了上下車和在車內(nèi)行走的便利，自1984 第一輛現(xiàn)代化的低地板車才在瑞士的日內(nèi)瓦投入使用以來，該類列車越來越受到乘客歡迎。要實現(xiàn)輕軌車輛的100%低地板化，就必須取消傳統(tǒng)剛性輪對的車軸，這就使得車輪與車軸解耦的獨立旋轉車輪轉向架在低地板輕軌車輛中應用廣泛。

獨立旋轉車輪系統(tǒng)（以下簡稱獨立輪）是相對于傳統(tǒng)剛性輪對的概念，基本思想是通過軸承連接車輪與車軸，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)輪對中輪軸的剛性固結。與剛性輪對相比，獨立輪的自由度發(fā)生變化：車輪可繞車軸自由轉動，而車軸不必轉動，故可以取消公用車軸，或者用下凹型車軸代替普通直軸，從而為降低車輛地板面的高度創(chuàng)造條件。獨立輪左右輪解耦合，即輪對的搖頭和橫移運動不再耦合，根據(jù)卡爾克蠕滑理論，縱向蠕滑力消失，就不會產(chǎn)生蛇行運動，不存在蛇行臨界速度的限制，車輛能夠達到更高的運行速度。獨立輪導向能力差成為制約低地板輕軌車推廣的因素之一。各國為解決獨立輪導向問題進行了多項探索，得到了一些有益的經(jīng)驗。

1 獨立輪踏面設計

由于獨立輪導向主要依靠重力復原力，而重力復原力的大小與左右輪接觸角差成正關系，但我國現(xiàn)有的磨耗型踏面是為剛性輪對設計，采用了較小的左右輪接觸角差來提高蛇行穩(wěn)定性，故需重新設計踏面形狀以適應獨立輪對。我國的沈剛教授等提出了接觸角曲線反推法[1]。該方法利用接觸角曲線的變化決定輪軌外形的變化這一逆向思維，在軌頭、軌底坡、軌距確定的情況下，將現(xiàn)有的接觸角曲線向左右大接觸角差的方向修改，將修改后的接觸角曲線上的點按照輪軌接觸角與踏面輪廓線斜率的關系反推并積分得出踏面形狀。反推得到的踏面，還需要計算其與鋼軌的的輪軌接觸幾何關系，校核接觸點分布、等效斜率、接觸應力等輪軌接觸特性。若不滿足設計要求，則需重新修改接觸角曲線，重復上述過程。在根據(jù)以上方法，在MATLAB 語言中，可以利用樣條插值工具箱中的函數(shù)進行微分和積分計算。接觸角曲線反推法實用性強，徹底解決了獨立車輪的踏面設計問題。

2 自導向技術

獨立輪因不存在縱向蠕滑力而喪失自導向能力，通過對走行部結構的優(yōu)化改進可以使得其重新獲得導向性。自調節(jié)獨立車輪轉向架是指只依靠輪軌間作用力就將車輪調節(jié)到徑向位置的獨立車輪轉向架。德國Frederich 教授先后開發(fā)了EDF 獨立車輪轉向架[2]和EEF 自導向獨立車輪副（見圖1）是自導向獨立輪走行部中的代表產(chǎn)品。當EDF 通過的半徑較小曲線時，獨立車輪的沖角很大，導向性能差，并沒有投入到實際運營中。而單軸獨立輪轉向架EEF 自導向獨立車輪輪副在德國許多城市的低地板車輛上有過應用。這種單軸走行部的左右獨立車輪能夠分別繞構架外側的各自的回轉中心旋轉，從而能夠利用重力復原力產(chǎn)生繞垂向轉動的復原力矩，該力矩能夠促使車輪自動向徑向位置調節(jié)，使車輪在運行中保持與軌道平行[3]。但EEF 需要在緊湊的空間中安裝復雜的結構，實際生產(chǎn)中成本和難度都較大。

3 獨立輪轉向架迫導向技術

圖1 單軸自調節(jié)獨立輪輪副EEF

西班牙的TALGO 列車是獨立輪技術應用最成功的典范[2]。每節(jié)車廂由三點支撐：前端鉸接在前一車廂尾部橫梁的中央，后端通過彈簧支撐在獨立車輪單軸轉向架上。獨立輪采用大錐度踏面，并在車輪和車體之間布置了輪對徑向調節(jié)機構。大錐度踏面能夠產(chǎn)生的較大的重力復原力，鉸接拖動的車輛連接方式使得相鄰車廂的搖頭角方向相反，相鄰兩單軸獨立輪走行部的搖頭角也相反，因而相鄰輪對不會同時出現(xiàn)重力復原力和橫向蠕滑力反向的情況，這就使車輛能在直道上實現(xiàn)自動對中復位。徑向調節(jié)機構（見圖2）約束了輪對的搖頭運動，迫使輪對在直道上相對于車體不會發(fā)生相對搖頭運動。曲線通過時，徑向連桿上處于前后車體對角線上，即軌道曲線徑向線上。

圖2 Talgo 列車徑向調節(jié)機構

4 獨立輪反向踏面自導向技術

2012年，日本的須田益大等開發(fā)了一種具有自導向能力的反向踏面獨立輪機構。輪軌接觸點與獨立車輪外側的回轉中心軸分別位于軌道內(nèi)外兩側是EEF 能夠實現(xiàn)自動導向的重要原因之一，類似于EEF，反向踏面獨立輪的輪軌接觸點與左右車輪的豎直回轉中心軸也位于軌道兩側（見圖3）。故該機構在能實現(xiàn)自動導向的同時，不需要連桿，簡化了結構，有利于降低地板高度。研究人員經(jīng)過仿真及模型車輛試驗驗證了反向踏面獨立輪轉向架在直道上能夠實現(xiàn)自動對中，彎道上輪軌磨耗小，并能提高通過小半徑彎道的臨界速度[4]。

圖3 及其輪軌接觸點和回轉中心位置

5 主動導向技術

相對于被動導向技術依靠重力復原力的橫向分量克服橫向蠕滑力實現(xiàn)導向，主動導向技術則是利用作動器控制輪對沖角或左右輪轉速差進行導向。英國的Wikens 教授開發(fā)的直接導向輪副（見圖4）就是控制車輪姿態(tài)實現(xiàn)主動導向的一種獨立車輪轉向架。其左、右兩、個獨立旋轉車輪的轉軸通過導向拉桿連接，以保證左、右車輪的搖頭角相同。作動器根據(jù)相對軌道的橫向位移的反饋量，控制拉桿水平橫向位置，從而控制輪副的轉角[5]。使用直接導向輪副的車輛取得了很好的導向效果，但是受限于車輪相對軌道的橫向位移實時測量技術水平，尤其是在道岔處，工程實現(xiàn)將比較復雜。

圖4 直接導向輪副

圖5 第三軌導向系統(tǒng)

6 其他導向技術

日本Koyanagi 提出使用導向軌來提高獨立輪所需的導向功能[6]。這種圓柱導向獨立旋轉車輪系統(tǒng)（CIW）模型（見圖5）。沿著導向軌運行的圓柱形導向輪和連接導向輪和轉向架構架的導向桿通過轉向架可繞導向輪前面一點旋轉的方式約束轉向架的搖頭運動，從而實現(xiàn)導向。但是該技術需要另行布置導向軌，成本過高，而且難以布置在道岔處，可實施性較低，僅停留在實驗室試制層面。

7 結語

低地板輕軌車輛擁有巨大的應用前景和市場潛力，而獨立輪轉向架是實現(xiàn)車輛的低地板化的必然要求，但由于獨立輪對因解耦導致導向能力差，限制了獨立輪轉向架在軌道車輛上的應用，故需要對國內(nèi)外獨立輪導向技術進行深入研究。根據(jù)目前國內(nèi)外獨立輪導向技術的研究現(xiàn)狀，解決獨立車輪導向難題的措施大致可歸納為以下3個方面：一是對獨立車輪踏面進行特殊設計，加大左、右車輪踏面的接觸角差，以增加重力復原力；二是對獨立輪轉向架的結構進行優(yōu)化設計，利用徑向轉向架的結構特性或者布置迫導向機構使獨立輪轉向架具有導向功能；三是采用主動懸掛技術，主要是根據(jù)左右車輪狀態(tài)信息反饋，由作動器對獨立輪施加力矩控制其搖頭姿態(tài)。在獨立旋轉車輪系統(tǒng)的實際應用中，西班牙Talgo 列車的成功經(jīng)驗最值得借鑒，故有必要進一步對Talgo 列車的導向性能進行研究。

［1］沈鋼，葉志森.用接觸角曲線反推法設計鐵路車輪踏面外形[J].同濟大學學報：自然科學版，2002，30(9)：1095-1098.

［2］任利惠.獨立車輪導向技術研究[D].上海：同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，2006.