浅议城轨车辆转向架现状与发展趋势

浅议城轨车辆转向架现状与发展趋势
[摘要] 随着车辆系统动力学、轮轨关系等理论的完善,车辆转向架在结构和性能方面得到了改进,使得车辆的运行性能不断提高。

城市轨道车辆从早期的一个车体支承于两根单轴的模式发展到由两轴及多轴的转向架支承,其中两轴转向架已成为当今各种轨道车辆的主型转向架。

新型转向架中具有代表性的主要有内侧悬挂式转向架、单轴转向架和铰接式转向架等。

[关键词] 城轨车辆转向架现状与发展
经济的快速发展和城市化进程的加快,使城市的交通状况面临巨大压力,尤其是大中城市,现有交通系统日渐成为经济持续发展的瓶颈之一。

国外的经验表明,采用城市轨道交通系统是一种有效的解决方案。

这一方案近年来在国内日益受到关注。

众所周知,加拿大庞巴迪(Bombardier)公司、法国阿尔斯通(AlStom)公司及德国西门子(Semens)公司长期以来一直都是轨道交通领域内的领先者,在城市轨道车辆的研发方面拥有相当的实力和丰富的经验。

1国内既有转向架的特点
目前,国内地铁、轻轨电动客车用转向架除国产的外,还有引进国外技术的,主要有两种:一种是上海地铁1号线、2号线和广州地铁1号线转向架,为欧洲整机进口的产品;另一种是北京复八线地铁用转向架,为引进韩国韩进重工技术研制生产的产品。

为便于分析比较,各种转向架的主要技术特征和参数列于表1。

2 城轨车辆转向架的发展和结构形式
2.1城轨车辆内侧悬挂式转向架
2.1.1 SF-30型转向架
SF-30转向架是西门子公司开发的、采用独立旋转车轮式的动力转向架,应用于100%低地板轻轨车辆Combino,车辆的车厢为纵向全贯通式,没有过渡台阶,实现了100%的低地板。

车辆地板距轨面高度仅为320 mm,方便了乘客上下车。

到目前为至,西门子已经成功开发出了SF-40、SF-50等型转向架,并广泛应用于欧洲各国的城市轻轨(LRV)低地板车辆上。

SF-30型转向架(图1)的车轮采用独立旋转车轮,转向架采用内侧焊接式构架,驱动装置为左右方向纵向布置2个交流异步电动机和齿轮箱,一系悬挂采用锥形橡胶堆定位,二系悬挂为4个螺旋钢弹簧和垂向液压减振器,制动采用轮盘式单元制动装置。

2.1.2 TSFⅡ型转向架
为使城市轻轨车辆实现低地板化,法国阿尔斯通GEC公司成功开发出了TSF Ⅱ型独立旋转车轮动车转向架(图2)。

该转向架的主要结构特点是:采用独立旋转车轮实现100%的低地板化。

为便于驱动电机的安装和增大车厢过道宽度,采用了内置构架式。

轴箱装置放在轮对内侧,一系悬挂采用V字形橡胶堆,二系悬挂采用螺旋钢弹簧,电机纵向安装在构架两侧。

基础制动采用外置式轴盘制动,并装有电子防滑器。

2.1.3庞巴迪动车转向架
随着城市轨道车辆的广泛应用,轻轨车辆给城市带来的噪声越来越被人们所重视。

为了降低轻轨车辆运行时的噪声,庞巴迪公司开发出了一种低噪声轻轨车辆动车转向架(图3)。

表1 国内地铁、轻轨转向架的主要技术特征和参数
图1 SF-30型转向架
图2 TSFⅡ型独立旋转车轮动车转向架
图3庞巴迪动车转向架
图4 S22La型单轮对转向架
图5 法国Y237型铰接式转向架
为了实现低噪声,转向架在设计时,采用弹性橡胶车轮和内侧悬挂式结构,将轴箱一系悬挂安装在轮对内侧,二系采用空气弹簧,以降低由于振动和冲击带来的噪声。

牵引电机采用架悬式,传动采用轮对空心轴车轴驱动模式,制动为轴盘制动。

2.2轴转向架
为了减少对钢轨的冲击和降低噪声,改善车辆的曲线通过性能,西门子公司于1995年开发了一种S22La型单轮对转向架用于城轨车辆。

该转向架最大的特点是转向架采用内侧支承模式,只有1个轮对,故称为单轴转向架或单轮对转向架(图4)。

其主要结构特点是:为了减轻构架质量,使结构更加紧凑,该转向架构架安装在轮对内侧。

二系采用空气弹簧悬挂装置,车轮采用小轮径的弹性车轮,并采用轮轴制动。

S22La型转向架分为动力和非动力2种类型,牵引电机为纵向中心布置,轴重均为12 t。

S22La型单轮对转向架由于将整个构架放置在轮对内侧,使转向架质量特别是簧间质量大大减小。

无动力的S22La型转向架质量只有1.05 t,装有传动装置的$22I。

a型转向架质量也仅为1.55 t。

与传统的单轮对转向架相比,采用内侧悬挂结构后,转向架质量可减小30%～40%。

3城市轨道交通车辆转向架的发展趋势
3.1内侧轴箱悬挂转向架在我国城轨车辆中的应用前景
日前,我国在使用中的城轨车辆转向架与下线车辆转向架无明显区别,轴距基本在2 400 n、m左右,转向架质量大,通过曲线时轮轨力和轮对冲角大,导致严重的轮轨非正常磨耗,污染环境。

基础制动装置主要采用踏面制动的模式,不但制动能力低,噪声大,闸瓦磨耗产生的大量尘土对城市环境也构成了威胁。

因此,开发一种新型环保的、运行品质佳的城轨车辆转向架势在必行。

轴箱内侧悬挂转向架具有质量轻、运行低噪声、曲线通过性能好、适应线路扭曲能力强等诸多优点,在国外已成功运用于城轨车辆、高速客车和货车上,这充分表明内侧悬挂转向架技术是成熟、可靠的,具有广阔的应用前景。

在我国城轨交通系统大量建设的初期,应充分利用国外的成功经验,结合我国城轨车辆发展的实际情况,高起点研制具有自主知识产权的内侧轴箱悬挂城轨车辆转向架,这对于推动城市有轨交通系统的建设、改善城市交通拥挤状况、保护环境、提高人民生活质量具有十分重要的意义。

3.2单轴转向架在城轨车辆中的应用前景
研究单轴转向架的目的是为了使车辆运行稳定性和曲线性能相适应,同时考虑对轨道不平顺的响应翻。

其基本原理是对一系、二系悬挂装置进行适当的调整,并在车体和转向架之间使用连杆连接。

无论是城市轨道车辆还是干线铁道车辆,降低车辆自重是发展的必然趋势,也是衡量其技术水平的重要指标。

在车辆的总体质量中,转向架的质量占有相当大的比例,而在转向架的整体质量构成中,轮对的质量又成为主要成分。

故减少轮对数量对减少转向架的质量及整车质量是明显而直接的,而减少的质量又属于簧下质量,有利于改善车辆的动力学性能。

不同转向架结构及与车体的不同连接方式可以使车辆具有不同的轮对数量,其中采用单轴转向架时所用轮对数量最少,可有效地减轻车辆重量。

另外单轴转向架因为自身结构使得曲线通过性能优于传统的二轴转向架。

3.3铰接式转向架在城轨车辆中的应用前景
法国TGV列车是铰接式列车最主要的代表,很多国家的各种不同的铰接式列车也大多采用法国TGV的技术。

1994年通行英吉利海峡隧道,连接巴黎一伦敦和布鲁塞尔一伦敦的“欧洲之星”,以及1996年开通连接阿姆斯特丹一布鲁塞尔一科隆一巴黎的TGV家族的另一成员Thalys都采用了成熟的TGV铰接技术。

2007年创造高速铁路最高试验速度574.8km/h的法国V150高速列车也采用了TGV铰接技术。

TGV铰接式转向架为非动力转向架,法国国营铁路(SNCF)开发的新一代TGV列车即AGV[61,它将铰接技术和动力配置应用于一台转向架上,使动力型铰
接式转向架应用于高速列车中。

目前法国所研制的应用于高速列车的铰接式转向架主要有Y231,Y237以及Y237A型,分别应用于第一代、第二代和第三代高速列车上。

Y231型是法国第一代高速动车组TGV-PSE的拖车所采用的铰接式转向架,它是从燃气轮动车组拖车铰接式转向架Y229型发展而来的。

Y237型是法国第一代高速列车,大西洋线高速动车组TGV-A型及其派生的路网高速动车组TGV-R、欧洲之星高速动车组TGV-TMST、塔利斯高速动车组TGV-PBKA、韩国高速动车组TGV-K型的拖车转向架所采用的都是铰接式转向架。

日本也是使用铰接式转向架的国家之一。

东日本铁路集团公司开发的现代市郊(Ac)列车样车(E993系)是东日本铁路集团公司为提高乘客服务质量和降低寿命周期成本而采用的第一列铰接式市郊列车,14节编组、时速120km/h。

并且在此基础上,又开发设计了E33l系市郊列车。

铰接式转向架得以成功应用的还有小田急电气化铁路50000型特快列车。

东日本铁路集团公司还将这种系统应用于新干线高速试验列车953系STAP21。

日本研发的铰接式转向架有TR914,TR915,DT957,DT958等,其中TR914和DT957是无摇枕式2点空气弹簧悬挂系统铰接式转向架,其铰接结构为带枕梁的车体(支撑端)置于2点承载悬挂系统铰接式转向架上,使用单牵引杆将枕粱巾间的中心销与转向架连接,以实现牵引。

枕梁项部有一个用于连接联结装置的衬套,另一车体(铰接端)的联结装置置于这里并用螺栓铆固。

TR915和DT958无摇枕式4点空气弹簧悬挂系统铰接转向架,其铰接结构为带中心销的车体(支撑端)置于4点承载悬挂系统的铰接式转向架上,中心销和转向架用单牵引杆连接,以提供牵引。

中心销项部有一个用于连接联结装置的衬套,其他车体的联结装置置于这里并用螺栓铆固。

德国地区铁路ET425系列动车组采用铰接式转向架,其形式与日本的E993型相似,但中间连接处均采用四点支承的空气弹簧悬挂系统。

端部车辆采用一台传统动力转向架,中间连接处则采用铰接式转向架。

[参考文献]
1.张振淼.《城市轨道交通车辆》北京中国铁道出版社1998.
2.王军.《城市轻轨车辆及转向架》铁道车辆.2000,增刊.。