新型提速客车转向架选型的研究

　　提高列车运行速度是铁路运输发展的必然趋势，同时也是提高铁路运输竞争能力的有效技术手段。我国铁路从1994年在广深线开行160 km／h准高速列车以来，已进行了5次大提速，在京广、京沪等主要干线上先后开行了最高速度为160 km／h的快速列车，取得了较好的经济效益和社会效益。但提速铁路的范围还十分有限，在未来的一段时期内铁路还将进一步扩大既有线提速的范围。同时，我国铁路运输提速后也出现了一些问题，主要是随着列车运行速度的不断提高，在通过曲线时，轮轨间的作用力及磨耗也将随之增加，导致旋轮和换轨周期缩短。轮轨间的磨耗增加不仅提高了运输成本，同时也加剧了对环境的污染。因此，研制一种既能降低轮轨磨耗又能满足既有线提速要求的新型高速客车转向架已迫在眉睫。

　　常规转向架长期以来一直存在横向稳定性和曲线通过性能之间的矛盾。径向转向架能在保证车辆运行横向稳定性的同时，减小轮对冲角、降低轮轨横向动作用力和降低轮轨磨耗，故采用径向转向架是解决横向稳定性和曲线通过性能之间的矛盾的有效措施之一。因此，在既有铁路提速的发展进程中，径向转向架近年来开始得到了广泛的研究和应用。

　　径向转向架的发展可以追溯到1883年，德国人KLOSE提出了“如果轮对在曲线上沿切线方向做纯滚动，则轮轨间的磨耗将为最小”的理论及其径向转向架的基本设想。20世纪30年代，德国和瑞士的铁路科研工作者按此设计理念研制了径向转向架，装车试验表明其具有一定的降低轮轨磨耗及提高抗蛇行的能力。由于受到基础工业水平和轮轨蠕滑理论的限制，径向转向架的发展较为缓慢。到20世纪六七十年代，随着J．J．Kalker的现代轮的轨粘着理论的确立及基础工业水平和理论分析水平的提高，径向转向架才得到了快速发展。

　　径向转向架首先在铁道货车转向架上得到了很好的应用。南非人Herbert Scheffel于20世纪70年代初通过对角斜支撑将2个U形副构架相连接，侧架通过橡胶垫支承于轴箱上，以保证轮对与侧架的弹性定位。试验和运用情况表明，该转向架较传统的三大件转向架有更好的曲线通过性能和较小的轮缘磨耗，同时运行品质也得到了显著改善。我国铁路车辆企业引进该转向架之后，提出了对既有三大件转向架改造的简化径向转向架方案，在我国也取得了一定的成功。此外，美国铁路工程协会List提出的Dresser DR—1型转向架、英国Scales和美国Devine公司联合研制的Devine—Scalas径向转向架、英国的Cross—braced、德国的DRRS—V及国内有关单位为我国米轨铁路研制的货车径向转向架等，为径向转向架的发展积累了大量的经验。

　　由于客车轴重较货车轴重小，相应的轮轨磨耗也较小。多年来，客车径向转向架的发展一直处于停滞状态。直到世界各国为了进一步提高既有线路上的旅客运输速度而纷纷研制摆式列车时，为了解决曲线通过时轮轨间磨耗等问题才使得客车径向转向架得到了相应的发展。比较著名的是瑞士SIG公司的Naviga-tor迫导向径向转向架，用在瑞士联邦铁路(SBB)的摆式列车上。西班牙Talgo公司研制的摆式列车以及日本的381系摆式列车也采用了迫导向径向转向架。德国AEG公司生产的摆式动车组VT611采用了自导向径向转向架。我国在1999年由铁道部组织有关单位研制我国第1列具有自主知识产权的摆式列车时，转向架分别采用迫导向和自导向径向转向架2种模式，2001年进行了线路动力学试验，也取得了相应的成功经验.

　　为了能够进一步提高我国既有线旅客列车的运行速度，解决机车车辆直线运行稳定性和曲线通过性能之间的矛盾，采用径向转向架不失为一种有效的途径。因为径向转向架的径向机构能够在直线上提供较高的纵向定位刚度，保证直线运行的稳定性。同时，通过径向机构的作用，利用轮轨之间的纵向蠕滑力使转向架的前后轮对在通过曲线时呈径向布置，有效降低轮轨冲角和磨耗，将轮轨横向力在各轮对间重新分配，从而较好地解决曲线通过问题。

　　根据径向转向架的导向机理不同，径向转向架的基本模式包括迫导向径向转向架和自导向径向转向架2种。2种径向转向架的结构和机理不同，其所适用的线路也有所不同。

　　图1(a)为自导向径向转向架结构示意图，它是通过解除对轮对的摇头约束，依靠轮轨之间的蠕滑力导向，并通过径向拉杆使转向架的前后轮对同时趋于曲线的径向位置。连接轮对左右导向拉杆的横向联系杆的作用是保证解除前后轮对摇头耦合的同时，增加前后轮对纵向平行运动的刚度。

　　图1(b)为迫导向径向转向架结构示意图，其通过径向拉杆将车辆通过曲线时车体相对构架的转角传递给转向架的前后轮对，迫使轮对趋于曲线的径向位置。

　　大量的研究与试验表明，自导向径向转向架在曲线半径大于600 m的线路上具有较好的径向功能，而在曲线半径较小的线路上迫导向径向转向架最能有效地发挥其径向调节功能。

 

 

　　根据我国铁路的中长期发展规划，我国铁路客运将扩大200 km／h线路的改造范围。既然是针对既有线铁道客车提速，就必须考虑其直线稳定性和曲线通过能力的合理匹配。但不管如何，要在既有线上将最高运行速度提高到200 km／h，那么线路的曲线半径将一般不小于1 000 m。故采用自导向径向转向架是一种非常有效的技术方案。

　　自导向径向转向架的径向机构有许多种实现方式，例如货车中的副构架方式、轮对交叉支撑方式等等。对于客车转向架，主要有以下2种结构形式。图2(a)为拉压杆模式径向机构。其左右径向机构平行布置，转动杆的中心分别铰接在侧梁的下盖板上，通过中间拉压杆连接起来，构架同一侧的2个轴箱和径向机构的转动杆之间用2根径向杆相连。由于中间拉压杆的抗拉压刚度较大，能够限制前后轮对在纵向平面的相对平动，同时在前后轮对之间有相对摇头时，使左右转动杆的旋转角相等。图2(b)为扭杆模式径向机构。其左右径向机构垂直放置，通过转动杆的中心分别铰接在侧梁外侧的腹板上。径向机构的结构同拉压杆式结构相类似。在前后轮对之间有纵向的相对位移或者相对摇头时，中间扭杆因受到扭矩的作用而具有同拉压杆式径向机构同样的功能。按照运动关系，上述2种径向机构属于同一类型。由于采用与构架相连接的径向调整机构，能够实现前后轮对导向力矩的均衡，以实现径向的目的。

 

 

　　按照这2种径向转向架的结构模式，设计出2种客车径向转向架方案(如图3所示)。图中的拉压杆模式自导向径向转向架(方案1)，由于其径向杆与转动杆连接，只承受拉压载荷，而左右转动杆通过中间拉压杆连接，能够绕构架侧梁下部的铰接点旋转，因此能够保证转向架在直线运行时提供较大的纵向定位刚度，通过曲线时使前后轮对的摇头角相等而呈现径向形式。而扭杆模式自导向径向转向架(方案2)，其左右径向机构垂直放置，通过转动杆的中心分别铰接在侧梁外侧的腹板上。径向机构的结构同拉压杆式结构相类似。

 

 

　　以上设计的2种新型提速客车自导向径向转向架均具有如下主要结构特点：(1)无摇枕结构，车体自重及载重全部由空气弹簧承载。(2)转向架构架是用低合金高强度结构钢板和无缝钢管组焊而成的H形构架，其侧梁为箱形封闭断面的U形梁。(3)牵引装置采用单拉杆或Z字形拉杆方式。(4)基础制动采用单元盘形制动装置，并加装防滑器。(5)采用杠杆式自导向机构。自导向机构具有轮对纵向定位和径向导向双重功能，既能保证转向架在直线上具有较高的临界速度，又能使车辆通过曲线时轮对趋于径向位置，减小轮轨之间的磨耗、噪声和环境污染，并降低运行成本。(6)采用定位刚度较小的轮对定位装置。由于径向机构的作用，转向架有较高的运动稳定性，因此为减小轮对定位刚度提供了条件。采用较小的轮对定位刚度是径向转向架提高曲线通过能力的主要技术措施之一。

　　4   动力学性能分析

　　对这2种新型提速客车自导向径向转向架方案中选取适当的悬挂参数(表1)后，按照GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能试验和鉴定规范》要求，利用虚拟样机技术对其运行安全性、曲线通过性能、直线运行稳定性和平稳性等进行仿真分析。根据仿真分析结果，在新轮轨接触状况下，2种方案均能满足较高速度运行的要求。但随着车轮踏面的磨耗，车辆临界速度下降，当车轮踏面磨耗至等效锥度为0．30时，2种方案的临界速度将接近车辆的最高运行速度，方案1的临界速度还略高于方案2。其直线运行平稳性和曲线通过性能的主要仿真结果如图4、图5所示。

　　从图4、图5可以看出，2种提速径向转向架方案均具有良好的动力学性能。在较好的线路上，2个转向架方案在200 km／h速度时车体的横向和垂向平稳性指标均小于2．5，达到GB/T 5599—1985的优级标准，能满足200 km／h提速列车的运行要求。在半径为400 m～1 400 m的曲线上，2种转向架的各项曲线通过性能指标如脱轨系数、轮轨横向力、轮轴横向力、轮重减载率、倾覆系数等均能满足GB/T 5599—1985的要求，并且较常规转向架均有较大优势。

参数	方案1	方案2
空气弹簧水平刚度KSy/(kN·m-1)	180	180
空气弹簧垂直刚度KSz/(kN·m-1)	400	400
抗蛇行减振器阻尼系数CSy(kN·s·m-1)	400	400
二系横向减振器阻尼系数Csy/(kN·s·m-1)	25	30
二系横垂直振器阻尼系数Csy/ (kN·s·m-1)	50	60
一系悬挂横向刚度Kpy/(MN·m-1)	4	4
一系悬挂纵向刚度Kpx/(MN·m-1)	3	3
一系垂向减振器阻尼系数Cpz/(KN·s·m-1)	15	15
抗侧滚扭杆装置抗侧滚刚度Khx/(MN·m·rad-1)	2.5	2.5
导向机械刚度Ks/(MN·m-1)	8	8