自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

皇甫立志

摘要：本文以軌道交通的轉(zhuǎn)向架為研究對象，首先了解了自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上指出了目前我國軌道交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)存在的困難，從而提出有效的建議及未來發(fā)展趨勢。希望能夠?yàn)槲覈鴦?dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能各個(gè)方面日益突出的矛盾提供了解決方案，形成軌道交通系統(tǒng)的可持續(xù)性和互操作等戰(zhàn)略方向。關(guān)鍵詞：自適應(yīng);轉(zhuǎn)向架;懸掛裝置

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0141-02

軌道交通是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，對社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生改善及國家的安全起著不可替代全局性的支撐作用。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其在鐵路干線網(wǎng)中的比例越來越高。為滿足我國軌道交通骨干運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的高效能、可持續(xù)發(fā)展需求，提高鐵路運(yùn)輸效率及多樣化運(yùn)輸模式，最大程度滿足不同人群出行需要，高速鐵路與既有線路的互聯(lián)互通顯得尤為重要?？缇€互通的關(guān)鍵在于搭建既有鐵路與高速鐵路跨線運(yùn)行的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品平臺(tái)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架所普遍采用的被動(dòng)式懸掛已經(jīng)難以適應(yīng)車輛在不同等級線路的跨線運(yùn)行需求，限制了車輛動(dòng)力學(xué)性能的進(jìn)一步改善。自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架通過采用懸掛主動(dòng)控制等技術(shù)，可以顯著改善動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能，為動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能各個(gè)方面日益突出的矛盾提供了解決方案，形成軌道交通系統(tǒng)的可持續(xù)性和互操作等戰(zhàn)略方向。

1 轉(zhuǎn)向架概述

1.1 徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)

徑向轉(zhuǎn)向架主要可分為自導(dǎo)向及迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架兩大類，適用于山區(qū)曲線多、半徑小線路上的重載貨運(yùn)列車牽引。自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架是利用輪軌間的蠕滑力，通過自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使輪對進(jìn)入曲線時(shí)自然呈徑向位置排列。自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架發(fā)展歷史較久，早在1828年德國研究人員就在2軸馬車上安裝了交叉支撐機(jī)構(gòu)，1883年Klose提出了徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)思想。20世紀(jì)30年代，由德國人和瑞士人共同設(shè)計(jì)的徑向轉(zhuǎn)向架開始試驗(yàn)運(yùn)行，取得了一定的成果。

迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架是在車體和自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架間加裝導(dǎo)向杠桿使輪對在曲線上趨于徑向位置^[1]。迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)的比較晚，1927年BaScales提出了杠桿導(dǎo)向原理，美國研究人員與1973年在此基礎(chǔ)上研制定型Devince—Scales迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架。后來提出了迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的另一種設(shè)計(jì)模式，在車體和自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架間加裝導(dǎo)向杠桿形成迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架，在鐵路工程界也得到了廣泛應(yīng)用1976年投入運(yùn)用的南非謝菲爾貨車轉(zhuǎn)向架是世界上最為出名的徑向轉(zhuǎn)向架，之后英國、波蘭、德國、瑞士、北美等都進(jìn)行過徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)研制，如Cross Braced系列、TVP系列、RC25NT系列、MK系列、DR和AR系列徑向轉(zhuǎn)向架。國內(nèi)最早在1994年以Y25型轉(zhuǎn)向架為原型，研制了米軌焊接構(gòu)架自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架^[2]。目前轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架、東風(fēng)8B內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架等均采用徑向機(jī)構(gòu)。

1.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)

軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架在英國應(yīng)用最廣泛，龐巴迪研制的FLEXX系列轉(zhuǎn)向架已成功應(yīng)用于英國的Voyager、Turbostar列車和挪威國營鐵路（NSB）中，最高運(yùn)行速度為250km/h。2012年柏林展，日立公司展示了全新研發(fā)用于AT200動(dòng)車組的軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架，應(yīng)用在英國城際動(dòng)車組，轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量減輕了 32%，最高運(yùn)行的速度為160km/h。2012年西門子公司研制的SF7000型轉(zhuǎn)向架，已開始在英國市場應(yīng)用，該轉(zhuǎn)向架重量減輕了 30%，最高運(yùn)行速度為160km/h。國內(nèi)少部分地鐵車輛采用了軸箱內(nèi)置式的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，運(yùn)營速度較低、運(yùn)營車輛數(shù)較少，對于內(nèi)置式軸箱轉(zhuǎn)向架技術(shù)的研究還有廣闊的空間^[3]。

1.3 主動(dòng)懸掛控制技術(shù)

早在1974年，美國D.E.Kamopp教授提出了一種天棚阻尼控制策略用于改善車輛平穩(wěn)性。TGV列車上運(yùn)用的主動(dòng)懸掛，乘坐舒適度得到了顯著改善。德國ICE列車上安裝主動(dòng)液壓傾擺系統(tǒng)使乘坐舒適度得到很大提高。日本新干線車輛上安裝氣壓作動(dòng)器的主動(dòng)懸掛己達(dá)到應(yīng)用水平。西門子公司研發(fā)的SF600轉(zhuǎn)向架，二系橫向應(yīng)用了主動(dòng)彈簧加半主動(dòng)阻尼器懸掛系統(tǒng)，具有主動(dòng)傾擺系統(tǒng)的舒適性。國內(nèi)西南交通大學(xué)也開展了一些理論、試驗(yàn)研究^[4-8]。

1.4 擺式列車技術(shù)

開行擺式列車可以較大幅度地提高列車的行車速度，特別是曲線通過速度。我國的鐵路曲線長度占了鐵路總長度的三分之一，而在不同的曲線半徑上，擺式列車的通過速度比常規(guī)列車的通過速度提高30%左右。開行擺式列車只需對既有線路做一些局部改造，如改造平交道口、信號系統(tǒng)、調(diào)整接觸網(wǎng)等，所需的投資比修建高速鐵路要低得多。

眾所周知，列車在既有鐵路線上速度不能提高的一個(gè)主要原因是線路曲線限速造成的。這包括兩個(gè)因素，一是由于隨列車在曲線軌道上運(yùn)行速度的不斷提高，車輪與軌道的作用力越來越大，達(dá)到一定程度時(shí)，就可能造成列車脫軌，無法保證列車運(yùn)行安全;二是列車通過曲線軌道時(shí)，速度越高離心力越大，乘客舒適度越差。擺式列車技術(shù)正是成功地解決了這兩個(gè)問題，而達(dá)到在既有鐵路線上，不做大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施改造的情況下，大幅度提高列車運(yùn)行速度，可做到提速見效快、投資省。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

世界范圍內(nèi)，各國鐵路線路條件、限界條件及運(yùn)營情況復(fù)雜不一，各不相同，提高轉(zhuǎn)向架及車輛適應(yīng)不同復(fù)雜條件下的通行能力在當(dāng)今鐵路發(fā)展趨勢下尤為重要。徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)、主動(dòng)懸掛控制技術(shù)、擺式列車技術(shù)、智能材料的應(yīng)用等在國外特別是在歐洲開展研究較早，部分具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國外主要鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家在鐵路貨車重載轉(zhuǎn)向架都有發(fā)展，但各國側(cè)重點(diǎn)不一樣。北美、澳大利亞、巴西、南非等重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)的國家及地區(qū)側(cè)重于三大件式重載運(yùn)輸貨車轉(zhuǎn)向架的研究及運(yùn)用，軸重達(dá)到了40t，歐洲地區(qū)側(cè)重于構(gòu)架式貨車轉(zhuǎn)向架研究，軸重較小為30t。但技術(shù)模式都是繼承與創(chuàng)新相結(jié)合的方式。