自適應轉向架設計的應用現(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向架為研究對象，首先了解了自適應轉向架的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎上指出了目前我國軌道交通運輸網絡存在的困難，從而提出有效的建議及未來發(fā)展趨勢。希望能夠為我國動車組動力學性能各個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。關鍵詞：自適應;轉向架;懸掛裝置

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0141-02

軌道交通是國民經濟的大動脈，對社會的經濟發(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，其在鐵路干線網中的比例越來越高。為滿足我國軌道交通骨干運輸網絡的高效能、可持續(xù)發(fā)展需求，提高鐵路運輸效率及多樣化運輸模式，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。跨線互通的關鍵在于搭建既有鐵路與高速鐵路跨線運行的自適應轉向架產品平臺。傳統(tǒng)轉向架所普遍采用的被動式懸掛已經難以適應車輛在不同等級線路的跨線運行需求，限制了車輛動力學性能的進一步改善。自適應轉向架通過采用懸掛主動控制等技術，可以顯著改善動車組動力學性能，為動車組動力學性能各個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 轉向架概述

1.1 徑向轉向架技術

徑向轉向架主要可分為自導向及迫導向轉向架兩大類，適用于山區(qū)曲線多、半徑小線路上的重載貨運列車牽引。自導向轉向架是利用輪軌間的蠕滑力，通過自導向機構使輪對進入曲線時自然呈徑向位置排列。自導向轉向架發(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構，1883年Klose提出了徑向轉向架的設計思想。20世紀30年代，由德國人和瑞士人共同設計的徑向轉向架開始試驗運行，取得了一定的成果。

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

1.2 內置式轉向架技術

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

1.3 主動懸掛控制技術

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列車上運用的主動懸掛，乘坐舒適度得到了顯著改善。德國ICE列車上安裝主動液壓傾擺系統(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器的主動懸掛己達到應用水平。西門子公司研發(fā)的SF600轉向架，二系橫向應用了主動彈簧加半主動阻尼器懸掛系統(tǒng)，具有主動傾擺系統(tǒng)的舒適性。國內西南交通大學也開展了一些理論、試驗研究^[4-8]。

1.4 擺式列車技術

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)、調整接觸網等，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主要原因是線路曲線限速造成的。這包括兩個因素，一是由于隨列車在曲線軌道上運行速度的不斷提高，車輪與軌道的作用力越來越大，達到一定程度時，就可能造成列車脫軌，無法保證列車運行安全;二是列車通過曲線軌道時，速度越高離心力越大，乘客舒適度越差。擺式列車技術正是成功地解決了這兩個問題，而達到在既有鐵路線上，不做大規(guī)模基礎設施改造的情況下，大幅度提高列車運行速度，可做到提速見效快、投資省。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

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