高速列車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

哈彥梅

摘要：高速列車的快速發(fā)展，要求高速列車的轉(zhuǎn)向架必須滿足高速運行的要求，在列車運行中要保證穩(wěn)定性、良好的曲線通過能力、乘客乘坐的舒適性以及行車安全，因此就要在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良和優(yōu)化。本論文從高速轉(zhuǎn)向架的要求出發(fā)，提出了高速轉(zhuǎn)向架的在牽引電機(jī)及其懸掛、軸箱定位方式、輪對結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：高速轉(zhuǎn)向架;牽引電機(jī);軸箱定位;獨立旋轉(zhuǎn)車輪

中圖分類號：u238

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-2064（2018）10-0096-02 1轉(zhuǎn)向架簡介

轉(zhuǎn)向架是“靠輪軌接觸驅(qū)動運行的現(xiàn)代機(jī)車車輛”的重要組成部分，位于列車車體下方，俗稱“走行部”。在列車運行中，發(fā)揮著承受載荷、牽引制動、緩沖減振、曲線導(dǎo)向等功能，其結(jié)構(gòu)是否合理直接影響鐵路機(jī)車車輛的行車安全、舒適穩(wěn)定性和動力學(xué)性能等。

轉(zhuǎn)向架有動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架之分，動車轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)組成有：構(gòu)架、軸箱、輪對、基礎(chǔ)制動裝置、一系和二系減振裝置、車體與轉(zhuǎn)向架的連接裝置、牽引電機(jī)及其懸掛裝置、齒輪箱、輪緣潤滑裝置、接地裝置等;地鐵車輛的動力轉(zhuǎn)向架除此之外還包含盤形制動裝置（軸盤、輪盤）、抗側(cè)滾扭桿、空氣彈簧裝置、中心銷連接裝置等。2高速轉(zhuǎn)向架的要求

高速轉(zhuǎn)向架為了實現(xiàn)列車的高速運行，普遍采用高強(qiáng)度合金鋼輕量化構(gòu)架、空心車軸、鋁合金齒輪箱、空氣彈簧、減振器等。在設(shè)計制造高速轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)時，要充分考慮列車高速運行時的穩(wěn)定性、曲線通過能力等技術(shù)的要求，以保證列車運行的安全性以及減少維修的問題。

2.1輪對的蛇形運動

轉(zhuǎn)向架的輪對結(jié)構(gòu)一般由車軸、車輪和傳動大齒輪組成。車輪的輪箍外形是一個帶凸緣的圓環(huán)，由輪緣和踏面組成，輪緣起導(dǎo)向和防止脫軌的作用。踏面是一個錐面，具有兩段斜度，當(dāng)輪對在直線上運行時，會因為兩個車輪分別以不同的直徑在鋼軌上做圓周滾動，使輪對具有自動對中的功能，自動滑向軌道中心，從而形成輪對的蛇形運動（圖1）。這種蛇形運動在列車一定的運行范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，并且可以防止輪緣單靠造成的較大磨耗，可一旦超過蛇形臨界速度，蛇形運行則會加劇，導(dǎo)致列車左右振幅越來越大，可能會導(dǎo)致車輪輪緣碰撞鋼軌側(cè)邊，造成車輪和線路的嚴(yán)重?fù)p耗，車輛的運行性能惡化，旅客的舒適度下降，甚至可能引起車輛脫軌、傾覆等危及安全行車的事故，此時，列車的運行是不穩(wěn)定的。

國外高速轉(zhuǎn)向架的實驗研究證明，當(dāng)車輛的運行速度超過200km/h時，就有可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的蛇形運動，那么高速列車要保證安全、平穩(wěn)的品質(zhì)，就要運行在蛇形臨界速度以下。所以要提高列車的運行速度，就勢必要提高列車的蛇形臨界速度。通過改變轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，則可使列車具有較高的臨界速度，這也是研制高速轉(zhuǎn)向架的需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，同時也是高速轉(zhuǎn)向架區(qū)別于普通轉(zhuǎn)向架的特點。

2.2平穩(wěn)性

平穩(wěn)性是列車在規(guī)定的線路條件下，在設(shè)計最高速度范圍內(nèi)運行時，沒備能正常工作，乘客感到舒適的基本性能。車輛在運行中的垂向和橫向運行平穩(wěn)性隨速度的提高而下降，所以高速轉(zhuǎn)向架要解決運行中振動的問題，以保證運行平穩(wěn)性和乘客舒適度。

2.3曲線通過能力

列車通過曲線時，會產(chǎn)生離心力，對輪軌造成巨大的擠壓和磨耗，容易引起脫軌及傾覆事故，且會產(chǎn)生較大噪聲。列車運行速度越高，簧下重量越大，曲線通過能力則會下降，這也是高速列車轉(zhuǎn)向架要解決的問題。3高速轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1減輕簧下重量，提升列車運行速度

低速機(jī)車的電機(jī)懸掛方式主要是抱軸半懸掛，結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)的重量屬于簧下重量，機(jī)車速度提升受限，輪軌間的動作用力較大。列車要獲得高速度，那么就應(yīng)將牽引電機(jī)及懸掛和驅(qū)動裝置的重量轉(zhuǎn)移為簧上重量，即電機(jī)采用架懸掛或體懸掛，減輕了簧下重量，也提高了蛇形臨界速度。

牽引電動機(jī)及其懸掛的重量轉(zhuǎn)移至二系彈簧以上后，對于牽引力的傳遞及車體和轉(zhuǎn)向架之間的各種運動補(bǔ)償，車軸一般采用萬向軸的傳動方式。萬向軸所連接的部件及萬向軸本身，其結(jié)構(gòu)均相互獨立，維修方便，有利于提高整個牽引驅(qū)動機(jī)構(gòu)的可靠性和使用壽命，但萬向軸的l生能要求較高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從總體發(fā)展趨勢上看，萬向軸傳動方式利大于弊。

3.2優(yōu)化軸箱定位方式

轉(zhuǎn)向架軸箱定位裝置連接轉(zhuǎn)向架和輪對裝置，固定輪對位置、限制軸距，還發(fā)揮著傳遞牽引力的作用，要求縱向剛度較大，橫向剛度較小，其參數(shù)影響轉(zhuǎn)向架蛇形運動的振幅及列車平穩(wěn)性，具體應(yīng)根據(jù)動力學(xué)性能計算進(jìn)行優(yōu)化選擇。目前高速轉(zhuǎn)向架采用拉板定位或轉(zhuǎn)臂定位較為普遍，使得輪對和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間在橫向和縱向的連接剛度達(dá)到優(yōu)化，可以達(dá)到很高的臨界速度，并且在高速下轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能有顯著改善。

3.3采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪技術(shù)

同一根車軸上左右兩個車輪可以相互獨立的各自繞車軸旋轉(zhuǎn)，這樣的輪對稱為獨立旋轉(zhuǎn)車輪，具有較高的臨界速度和較低的輪軌磨耗，其基本原理就是兩個車輪是通過軸承安裝在車軸上，使車輪相對于車軸可以轉(zhuǎn)動（圖2）。由于車軸可做成曲軸或采用無共用軸，其可實現(xiàn)城市軌道交通車輛的部分低地板或全低地板。

獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架有三種驅(qū)動方式：輪轂電機(jī)、萬向軸驅(qū)動電機(jī)、縱向電機(jī)。輪轂電機(jī)是將牽引電機(jī)直接安裝在獨立車輪的輪轂部位，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與輪轂外面的輪輻相連，使車輪轉(zhuǎn)動;萬向軸驅(qū)動是將牽引電機(jī)懸掛在車體上，通過萬向軸驅(qū)動齒輪箱，再與車輪相連，它是依靠單輪對的機(jī)構(gòu)來轉(zhuǎn)向的，交流電機(jī)置于左右兩側(cè)座位下面，用萬向軸驅(qū)動錢、后轉(zhuǎn)向車輪;縱向電機(jī)是將牽引電機(jī)縱向布置在車輪外側(cè)，通過螺旋圓錐齒輪驅(qū)動與車輪固結(jié)的短車軸，使車輪轉(zhuǎn)動，這種驅(qū)動裝置的可接近性好，所有檢修工作不必在地溝中進(jìn)行，使得拆卸和維修均很方便。

德國、瑞士等國家的獨立旋轉(zhuǎn)車輪技術(shù)在進(jìn)行了大量的運行試驗后表明，轉(zhuǎn)向架具有良好的承載和走行性能，在技術(shù)上完全適應(yīng)高速鐵路發(fā)展的要求。獨立輪技術(shù)是高速轉(zhuǎn)向架的一個重要研究方向，但世界各國大都都還處于研究階段，要真正普遍采用，還有有待解決大量的研究和驗證工作。

3.4構(gòu)架結(jié)構(gòu)及材料

高速轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，并巳在開發(fā)非金屬轉(zhuǎn)向架，德國嘗試采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，已按國際規(guī)定的客車轉(zhuǎn)向架試驗規(guī)范。另外轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和安裝在轉(zhuǎn)向架上的零部件應(yīng)盡可能小型、輕型化。

高速轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是一項長期且艱巨的研究任務(wù)，總結(jié)已取得的成功經(jīng)驗，加大力度展開對關(guān)鍵技術(shù)的研究，認(rèn)真分析試驗的結(jié)果，不斷改進(jìn)和優(yōu)化，相信適合高速列車運行的高速轉(zhuǎn)向架就會普遍的奔馳在世界各國的鐵道線上。

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