高速客车转向架发展模式

第2卷　第3期2002年9月
交通运输工程学报
Journal of T raffic and T ransportation Eng ineering
V ol.2　No.3Sep.2002
收稿日期:2002-03-03
作者简介:李　芾(1956-),男,云南昆明人,西南交通大学特聘教授,博导,德国工学博士,从事城市轨道交通车辆和高速机车车辆设计及理论研究.
文章编号:1671-1637(2002)03-0007-08
高速客车转向架发展模式
李　芾,傅茂海
(西南交通大学牵引动力研究中心,四川成都　610031)
摘　要:应用高速旅客列车是增加铁路运能最为有效的措施,高速客车的关键技术是转向架。

介绍了国外高速铁路及高速客车转向架的发展过程、基本结构和近年来新技术的发展概况,并简述了中国客车转向架的发展过程和基本现状。

结合中国实际情况,提出发展中国高速客车转向架的基本模式,指出应借鉴国外客车转向架技术,发展具有中国特色的高速客车转向架。

关键词:高速客车;转向架;发展模式
中图分类号:U 271.91;U 260.331 文献标识码:A
Mode of development for bogies of high speed car
L I Fu ,F U Mao -hai
(T r actio n P ow er Research Cent er,Southw est Jiaoto ng U niv ersity,Cheng du 610031,China)
Abstract :The application o f hig h speed train is an effectiv e measure to rise the capacity and effi-ciency of r ailw ay transport .T he key parts in a high speed passenger car are bogie .T he dev elo p-ment histo ry,basic structure o f bo gies o f hig h speed passenger car abroad are introduced,general development history and operating condition of passeng er car bogie in China are described bined w ith practic situatio n in China ,the mo de of dev elo pment o f bogies at hig h speed pas-seng er car in China w as put fo rw ar d.It is po inted out that we should use the ex perience of devel-oped countries for reference in developm ent o f the bo gie for passeng er car,and dev elo p the Chi-nafeatured m ode on bogie of hig h speed train.7refs.
Key words :high speed passeng er car ;bog ie ;mode of development
Author resume :LI Fu(1956-),male,PhD,a pro fessor of Southw est Jiaotong University,eng ag ed in research o f desig n and viehicl dynamic fo r high speed train and light railw ay tr ain.
1　高速铁路概况
铁路运输自1825年开始正式运营以来,一直作为人类最重要的交通运输方式,为世界各国的经济发展起着十分重要的作用。

20世纪中期后,高速公路和航空运输飞速发展,铁路运输受到严峻挑战。

与高速公路和航空运输相比,铁路虽然是既节省能源又对环境污染最少的交通运输工具,但其运行速度低和旅行时间长却使其在与高速公路和航空运输的竞争中处于相对劣势。

铁路运输要改变这一不利局面,提速势在必行。

提高列车运行速度一直是铁路运输追求的目
标。

自19世纪50年代以来,西欧和美国等一些国家
就开始在提高机车车辆运行速度方面开展了大量的理论研究和试验工作。

早在19世纪中期,由蒸汽机车牵引的旅客列车的试验速度已突破100km /h 。

1901年由德国SIEM ENS 公司研制的电力机车的试验速度达到了162.5km/h,该车经改进后在1903年第一次越过200km /h 大关,达到202.7km /h 。

此后,由于战争及其他方面的种种原因,列车的速度没有得到明显的突破。

1955年,法国研制的电力机车牵引的列车首次超过300km /h ,达到331km /h 。

但由于当时整个铁道运输的相关系统尚不能适应高速铁路技术的需要,故高速列车并没有商业
化,旅客列车的最高运营速度仍限于160km/h左右。

直到1964年10月日本开通了世界上第一条高速铁路——东海道新干线的东京到大阪区段,才使高速列车正式投入商业化运营。

该车采用0系列电动车组,最高运行速度达到210km/h。

其投入运用后,取得了较好的经济效益和社会效益,为世界高速铁路的发展树立了典范,积累了经验。

欧洲国家尽管多年来在高速列车的研究和试验方面一直领先于日本,但其高速列车的商业化运行则相对落后。

欧洲的第一条高速铁路巴黎-里昂段于1983年开通,使用T GV-PSE高速列车,最高运行速度为270km/h。

随后,意大利、西班牙、英国、瑞典和德国等也开始了高速列车的商业化运行。

其中,意大利、西班牙和瑞典等主要是采用摆式列车来实现的。

值得一提的是,德国的第一条高速铁路于1991年正式开通,运用ICE高速列车,其最高运行速度达到300km/h。

在1988年5月1日ICE原型车的线路试验中,首次超过400km/h大关,达到406.9 km/h。

在此之前,欧洲铁路联盟(UIC)曾对轮轨的极限速度进行了大量的理论研究,认为其理论值在350km/h左右。

令人不可思议的是,此纪录刚保持两年时间,法国又于1990年5月18日运用T GV高速列车将速度提高到515.3km/h,创下了当今铁路史上令人惊叹的新纪录。

截至目前,世界新建的高速铁路总长已超过5000km,日本、德国和法国等国的高速列车运营速度也均已达到或超过了250km/h。

除此之外,亚洲的韩国及中国的台湾省等许多国家和地区都在计划和正在修建高速铁路。

作为世界铁路大国之一的中国第一条高速铁路试验线——秦-沈客运专用线也已于2001年开工,与之相配套的第一列国产270 km/h高速列车也将在年内完工。

预计在今后的20年内,各国通过新修高速铁路和既有线改造增加的高速列车运营里程将超过20000km。

2　国外高速客车转向架发展概况早期的客车基本上都是两轴车,但随着速度和载客量的增加,19世纪中期开始出现客车转向架。

转向架是高速客车的关键部件,转向架的应用不仅提高了客车的运行速度,同时还满足了车辆良好的曲线通过性能和舒适性的需要。

客车转向架在初期主要以铸钢结构或钢板铆焊结构为主,一系悬挂的方式主要采用导框式轴箱加板簧,轴承为滑动轴承。

其中央悬挂采用板簧加摇枕结构,纵向力通过心盘传递,基础制动为闸瓦踏面制动。

随着制造业水平的不断提高,欧洲国家的客车转向架的构架开始采用焊接结构。

为满足运行速度和舒适性不断提高的需要,上世纪20年代开始出现摇动台结构的转向架。

摇动台结构由于有效地降低了中央悬挂的横向刚度,故能大幅度地提高车辆的横向动力学性能。

20世纪50年代后,盘形制动、磁轨制动和防滑器等装置开始在客车上得到应用,为客车运行速度的提高奠定了基础。

20世纪60年代空气弹簧开始运用到客车转向架的中央悬挂中,使客车的动力学性能得到了进一步改善,并开始逐步取代传统的摇动台结构,使转向架结构更加简单。

与此同时,客车转向架开始采用中心销来取代传统的心盘结构,20世纪70年代后,无摇动台、无摇枕和无心盘的客车转向架开始出现,使客车转向架朝着轻量化、模块化、无磨耗、高舒适度的方向发展。

20世纪90年代后期,无摩擦的轨道涡流制动开始应用,不仅消除了制动时的磨耗,还降低了制动时的噪音。

2.1　法国
20世纪40年代以前,法国铁路客车运用的几乎全是美国的Pennsylvania型转向架。

该转向架采用美国传统式的铸钢构架,一系悬挂为轴箱导框加均衡梁结构,中央悬挂由摇动台、中央板簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成。

在此基础上,法国国铁(SNCF)设计出了最高速度为140km/h的Y16型转向架,随后又开发研制出Y20、Y24和Y26型转向架,其中Y26型转向架首次采用了空气弹簧,最高速度达到了180km/h,并于1968年投入运用。

为满足开行160km/h的客车,在总结了上述转向架的经验基础上,法国国铁于1967年研制出了Y30型转向架。

该转向架采用了全新的结构:一系悬挂为人字形橡胶堆定位,中央悬挂为高圆钢簧加摇枕及同车体连结的双侧牵引拉杆。

与此同时,法国国铁还开发出了最高试验速度为230km/h的Y28和Y207型转向架,并在此基础上研制出新一代适合200km/h的Y32型转向架。

该转向架采用了H型焊接构架,一系悬挂采用了橡胶节点转臂定位,中央悬挂为高圆钢簧、横向和垂向液压减振器,摇枕加抗侧滚扭杆装置,基础制动装置采用了盘形制动和磁轨制动。

为减小转向架点头及横向等运动对车体的影响,牵引装置采用了钢丝绳连接的方式。

Y32型转向架自1973年开始批量生产以来,一直是法国国铁的主型转向架,并批量出口到其他国家。

20世纪70年代以后,法国开始研制TGV高速
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列车,并研制出了Y229型转向架。

随后,法国国铁决定T GV采用动力集中的牵引模式,车体之间采用铰接方式。

为此,法国开发出了Y231型转向架,用在第一代的T GV-PSE拖车上,并在此基础上,研制出了用在第一代的TGV-A拖车上的Y237型转向架。

该转向架采用了H型焊接构架,一系悬挂为橡胶节点转臂定位,中央悬挂为大容积室高柔性空气弹簧、横向、垂向及抗蛇行液压减振器,抗侧滚扭杆及Z字型拉杆牵引装置,基础制动装置采用了盘形制动。

Y237型转向架由于采用了3m的大轴距及1∶40的锥形踏面,故具有较高的抗蛇行稳定性。

2.2　德国
德国的第一台客车标准转向架于1890年研制成功。

该转向架采用煅压铆接构架,一系悬挂为轴箱导框加板簧,中央悬挂由中央板簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成。

在此基础上,20世纪30年代德国又开发出G o¨rlitzⅠ、Ⅱ及Ⅲ型转向架,使其运行速度达到160km/h。

为解决轴箱导框的磨耗问题,德国联邦铁路(DB)于1939年开始研制M inden-Deutz新型转向架。

该转向架采用了H型焊接构架,一系悬挂采用了双圆簧和双拉板式定位装置,中央悬挂由摇动台、钢圆簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成,在摇枕和构架的两侧设有牵引拉杆。

由于战争及其他原因,该转向架直到1949年才完成试制工作,次年投入线路考核试验,1952年后定型成为德国联邦铁路的标准型客车转向架M D32,随后根据要求不同改型为M36等10多种M D系列转向架,该系列转向架一共生产了近80000台,其中约一半以上出口到其他国家。

与此同时,Go¨rlitz V型转向架也于1958年研制成功。

其结构同MD32基本相似,仅将一系悬挂的双拉板式定位改为橡胶导柱定位,但由于东西德的分离,Go¨rlitz V型转向架仅在前东德运用。

1972年德国联邦政府决定投资5亿德国马克,为开发300～400km/h的高速列车进行前期性研究,其中包括研制世界上首台滚动振动试验台和机车车辆动力学仿真软件M EDYNA。

坐落在德国南部慕尼黑郊外的滚动振动试验台于1974年开工,在经历了近6年的设计及施工后于1980年落成竣工。

该试验台可对机车车辆进行整车在实际轨道激扰条件下的直线、曲线动态模拟以及模态分析,最高试验速度为500km/h。

该试验台具有200多个检测通道,并能同时测出轮轨力、噪音强度以及设置不同的轨底坡和踏面等效锥度,是目前世界上功能最完整的滚动振动试验台,试验台和动力学仿真软件的研制成功,为新型转向架的开发提供了有力的手段。

与此同时,德国的一些科研单位和相关企业也开始了研制高速列车的准备工作。

德国WAGGON U NION公司在1974年研制成功的M D52型转向架基础上于20世纪80年代初开发MD52-350原型车转向架,并经改进后定型为M D530型,用于1991年开通的第一批60组2动12拖的ICE高速列车,其最高运行速度为300km/h。

该转向架一系悬挂采用了双圆簧和单向双层拉板定位,中央悬挂由摇动台、摇枕、摩擦旁承和中心销组成。

为保证其可靠性,中央悬挂仍采用钢圆簧、摇枕的纵向定位采用橡胶缓冲座,在构架的两侧设有磨耗板,牵引力的传递采用中心销模式。

M D系列转向架的旁承除承受车体的垂向载荷外,还起到提供回转力矩的作用,以取代常规的抗蛇行减振器。

为保证摇枕与构架间的扭转刚度和转向架的纵向振动不向车体传递,摇枕通过扭杆和拉杆连接到转向架的构架上。

为进一步改善M D530型转向架的动力学性能,MAN公司在20世纪90年初研制成功带轮对耦合副构架的高速转向架和采用碳纤维轻型构架的独立旋转车轮高速转向架,两台高速转向架均首次在ICE上采用了空气弹簧,并通过了联邦铁路组织的线路动力学试验及考核试验。

1992年,联邦铁路同几家机车车辆制造公司达成协议,共同研制新一代采用空气弹簧的ICE高速列车拖车转向架,通过线路动力学试验比选决定生产厂家。

除上述的两种方案外,瑞士SIG公司、奥地利SGP公司、德国T ALBOT公司、德国WAG-GO-NU NION公司、德国LHB/Go¨rlitz公司等一共提出7种方案,并通过了联邦铁路组织的线路动力学试验,经比选后由联邦铁路决定SGP-400型转向架为ICE-2的最终方案。

1995年,联邦铁路和东日本铁道株式会社达成协议,由德国TALBOT公司和日本住友(SUM ITOM O)公司在B-5003型转向架的基础上联合研制新一代高速客车转向架,定型为JR21。

该转向架构架采用内支承模式,一系悬挂采用了橡胶顶簧加单拉杆定位,中央悬挂由空气弹簧、横向和垂向液压减振器、抗侧滚扭杆、抗蛇行减振器、Z字型牵引拉杆及摇枕等组成。

基础制动采用盘形制动、轮盘制动加磁轨制动。

构架由于采用内支承模式,其整体重量仅为4300kg,是目前世界上最轻的高速客车转向架,其最高试验速度为450km/h。

2.3　日本
日本在机车车辆方面的系统性研究和试验工作
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第3期 李　芾,等:高速客车转向架发展模式研究
始于战后,虽远落后于欧洲国家,但发展迅速,提前欧洲近20年成为世界上第一个高速列车商业化运行的国家。

到目前为止,日本已拥有四条高速铁路,运营里程近2000km,位居世界第一,其运行速度已达到300km/h,最高试验速度为443km/h。

日本的高速铁路开通近40年来,一共研制和开发了10多种系列的高速列车和近40种转向架,但同T GV和ICE高速列车不同,日本的高速列车一直致力于发展动力分散的模式。

日本在高速转向架方面的发展可分为三个阶段:第一阶段是在高速铁路开通前的研究和试验过程,开发出第一代高速转向架DT200,其最高运行速度为220km/h。

该转向架一系悬挂采用双圆簧及双侧板簧式定位,中央悬挂由空气弹簧、横向和垂向液压减振器、抗侧滚扭杆及摇枕等组成。

第二阶段是1992年开发成功的300系新干线高速车转向架DT203,其最高运营速度为270km/h。

该转向架一系悬挂为双圆簧加橡胶导柱定位,为减轻簧下重量,采用了铝合金轴箱和空心轴,中央悬挂为无摇枕结构,由空气弹簧、横向和垂向液压减振器、低位单牵引拉杆及中心销等组成。

近年来,日本一直致力于开发第三代高速转向架,其目标运营速度为300～350km/h,还研制出了独立旋转车轮转向架和带主动悬挂的转向架。

1992年西日本铁路客运公司开发的山阳新干线500系“希望”号高速列车于1997年初投入运用,该车采用了WDT901、W DT902和WDT903型三种转向架,其最高运营速度和最高试验速度分别为300km/h和350km/h。

同300系高速车转向架DT203相比,该转向架的一系悬挂分别为转臂式定位,双圆簧加橡胶定位以及双圆簧单拉板定位。

值得一提的是,“希望”号高速列车的旅行速度和平均速度均超过法国的TGV和德国的ICE。

与此同时,日本铁路东海客运公司开发的300X高速车和东日本铁路客运公司开发的STAR21投入运行,300X采用了DT205型转向架,其基本结构与300系相同,最高运营速度和最高试验速度分别为350km/h和400km/h。

STAP21采用铰接式车体,最高试验速度分别为350km/h和425km/h。

1997年底投入运用的山阳新干线700系高速车则又在上述的基础上进行了改进,其转向架以500系为基础,加装了变阻尼孔的非线性空气弹簧。

同时借鉴了T GV的经验,在车体连接部位增加了减振器。

综观日本在高速转向架方面的研究,其开发出的品种数量和采用新技术种类是任何其他国家无法比拟的。

其高速转向架一直保持着自己的固有特色,成果令人瞩目。

在转向架的构架方面,其无论是结构还是制造工艺同欧洲都有所不同。

日本是最早采用空气弹簧的国家,并首创利用调节空气弹簧中的阻尼孔的大小来替代二系垂向液压减振器,日本同时也是最早采用无摇枕转向架的国家之一,并延续至今。

高速转向架的轻量化一直是开发新型转向架所追求的目标,日本的高速转向架及车体在减重方面自始至终处于世界领先地位。

2.4　其他国家
同法国和德国相比,英国开发高速客车转向架虽较早;但直到上世纪70年代才研制出BT10型转向架,其最高运营速度为200km/h,该转向架的一系悬挂为转臂式定位加横向控制拉杆,二系由传统的钢圆簧、摇动台、摇枕、旁承和中心销组成。

由于BT10型转向架性能的限制,英国后期的IC225型高速动车组选用了瑞士SIG的BT41型转向架。

意大利是一个山区国家,山地和丘陵占全国面积80%,铁路曲线较多,故采用摆式列车提高列车在曲线的运行速度。

其ET R450摆式列车于1988年投入运用,最高运营速度为250km/h。

其米兰-罗马间的高速车ET R500于20世纪80年代初开始研制,1992年后投入运用,最高运营速度和最高试验速度分别为275km/h和316km/h。

ETR500型转向架的一系悬挂为单顶簧加双拉杆定位,二系由高圆簧加摇枕、Z字型牵引拉杆及中心销组成。

在欧洲的机车车辆制造厂中,瑞士的SIG公司是唯一的转向架专业制造厂,其转向架遍及欧洲。

其特点是一系悬挂为转臂式定位,中央悬挂由空气弹簧、横向和垂向液压减振器、抗侧滚扭杆、Z字型牵引拉杆及摇枕等组成。

2.5　其他新技术
2.5.1　独立旋转车轮
众所周知,高速列车要解决的一个关键问题,就是如何提高轮对在直线上的抗蛇形性能。

由于采用传统轮对的转向架一直受蛇行稳定性和曲线通过性相互矛盾的困扰,而独立旋转车轮转向架在理论上不存在纵向蠕滑力,不会产生蛇行运动,可以大大提高临界速度,故20世纪80年代开始西欧和日本等国家对独立旋转车轮进行了系统的研究。

倡导再次对独立旋转车轮进行研究的主要开拓者是德国亚琛工业技术大学机械系机车车辆研究所的Frederich 教授。

20世纪80年代末,Fr eder ich教授首先研制开发出了公共轴的独立旋转车轮转向架,并在德国
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交　通　运　输　工　程　学　报 2002年　
慕尼黑的滚振试验台上进行了试验,其最高试验速度达到505km/h,随后又装车进行了线路动力学试验。

在此试验基础上,德国DU EWAG公司和MAN 公司研制出了用于德国高速列车ICE的独立旋转车轮转向架,并装车进行了线路动力学试验。

其中M AN公司的转向架除采用了独立旋转车轮外,还出于降低重量的目的在世界上首次采用了玻璃钢构架。

此后,日本、意大利、瑞士、芬兰等先后研制出了采用独立旋转车轮的高速转向架并进行了线路试验,但独立旋转车轮由于对中性能差而导致轮缘磨耗加剧等原因,至今尚未投入商业运营。

2.5.2　轮对径向技术
轮对径向连接装置可使转向架在直线上具有较高的抗蛇行稳定性的同时,还兼有减小在曲线上轮轨间磨耗的特点,故径向转向架自20世纪60年代后开始得到应用。

轮对径向连接可分为自导向和迫导向两种模式,自导向径向转向架一般适用于线路曲线半径大于800m的线路,而迫导向径向转向架则适用于小曲线半径的线路。

新修的高速铁路曲线半径一般多大于3000m,故高速客车转向架均不采用径向转向架,但采用径向转向架和车体倾摆技术是客车在既有线上提速的有效方式。

2.5.3　主动悬挂技术
为解决悬挂参数对线路条件和速度变化的要求,20世纪80年代后期西欧和日本等国家开始对主动及半主动悬挂技术进行研究,并在大量理论研究的基础上于20世纪90年代装车试验。

率先将半主动悬挂技术装车试验的是奥地利SGP公司的SGP-300型高速客车转向架。

该转向架的一系定位采用了可变刚度的橡胶阻尼弹簧,使轴箱在高速运行时具有较大的定位刚度,在曲线上低速运行时定位刚度降低。

随后,德国的TALBOT公司在其TA L-200高速客车转向架上进行了主动悬挂技术的装车试验。

该转向架采用了可变阻尼的抗蛇行减振器,使抗蛇行减振器在高速运行时具有较大阻尼,在曲线上低速运行时将其定位刚度降低,德国的SIEM ENS公司和日本国铁则采用了可变阻尼的横向减振器。

其他一些公司采用了可变阻尼的一系和二系垂向减振器。

但几乎所有的试验目前均未显示出明显的效果,故至今尚未投入商业运用。

2.5.4　材料及制造技术
模块化和轻量化设计是当今客车转向架发展的新方向,模块化设计可以降低制造成本,方便维修。

减轻簧下重量不仅可以提高轮对的抗蛇行临界速度,同时还可以降低轮轨间的动力作用,故许多高速转向架采用了铝合金轴箱、空心车轴和铝合金制动盘。

但铝合金轴箱目前仍存在一些问题,故未得到广泛推广。

减轻转向架构架的重量,可改善转向架的动力学性能。

为使转向架轻量化,构架设计时运用有限元进行优化,以使其在保证强度和疲劳的条件下尽可能地降低其重量,采用新型材料也是降低转向架构架重量的途径之一。

20世纪60年代和90年代,瑞士和德国曾分别研制出了采用铝合金和碳纤维玻璃钢构架,但由于其疲劳性能不能满足要求及环保的原因而未能推广应用。

3　中国客车转向架现状
中国客车转向架的研制经历了仿制、独立开发和快速发展三个阶段。

1949年以前,中国基本没有客车生产能力,所有转向架均为国外制造,品种复杂,且技术落后。

新中国成立后,开始仿造前苏联的客车转向架,如101转向架和201转向架。

101转向架于1953年开始大量生产,主要用于21型客车上。

201转向架是1956年仿制前苏联全钢客车标准型转向架设计和制造的,主要用于22型软卧车和餐车上。

101和201转向架在解放初期为中国的经济复苏和发展作出了贡献,但由于该转向架结构老化,定位和悬挂装置不理想,动力学性能较差,被后来开发的202转向架取代。

3.1　202客车转向架
202型转向架是1958年开始独立研制的,1972年定型为中国C轴标准型客车转向架,用于22型和23型客车上,到1988年停产时,共生产4万余台,是20世纪70和80年代中国的主型客车转向架,目前仍有1000多辆装202型转向架的客车在运行。

202型转向架设计速度为120km/h,一系采用螺旋钢弹簧、干摩擦导柱式轴箱定位,中央悬挂采用螺旋弹簧带摇动台结构,并设有液压减振器。

构架和摇枕为铸钢结构,采用吊挂式双侧闸瓦制动。

该转向架的轮对定位装置易磨耗,牵引和制动靠摇枕挡起作用,纵向冲动较大。

此外,摇动台吊杆较短,且无二系横向减振器,速度大于100km/h后横向性能较差。

针对202转向架在使用过程中出现的问题不断地加以改造,先后出现了202原型、202A、202B、202C等多种型号,但由于每次改进都不完善和彻底,其性能未得到实质性的提高。

3.2　206和207客车转向架
206和207(又称UD3)型客车转向架于20世纪
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第3期 李　芾,等:高速客车转向架发展模式研究 。