径向转向架及其在地铁、轻轨车辆中的应用

径向转向架及其在地铁、轻轨车辆中的应用

摘要：论述了径向转向架的原理及其在减轻轮轨表面磨耗方面的作用。根据地铁、轻轨车辆走行部的结构及技术特点，探讨了径向转向架在我国地铁、轻轨车辆中运用的必要性和可行性。
进入21世纪，我国城市轨道交通获得了较快的发展，由于安全、快捷、舒适等优点，城市轨道交通备受青睐，在改善城市交通拥挤状况、快速集散客流、促进经济发展中起了非常重要的作用。然而，在我国已经开通地铁的北京、上海、广州等城市都不同程度地存在着曲线上钢轨内侧面和轮缘磨耗过快，导致维修费用高居不下的问题。同时，车轮轮缘切咬钢轨产生的尖啸声，也对城市环境造成了噪声污染。采用径向转向架是解决上述问题的途径之一。
1径向转向架
径向转向架是为了提高车辆的曲线通过能力而在常规转向架的基础上设计出的转向架，广泛应用于货车、准高速列车和摆式列车上。近年来出于减轻轮轨磨耗，提高运行安全性的需要，径向转向架开始应用于城市轨道交通车辆上，并在日本、加拿大等国家获得了成功。径向转向架与普通转向架的区别在于曲线通过方式的不同，如图1所示。图中左侧是普通转向架，右侧是径向转向架。从图中可看出，径向转向架在通过曲线时的冲角比普通转向架要小，因此第一轮对的横向力可以降低，从而减轻轮轨磨耗[1]。
径向转向架的历史相当久远。根据舍菲尔的报告，13世纪的马车时代就出现了十字交叉拉杆的车轮连接方式。舍菲尔在博物馆发现了资料，受到启发，设计了舍菲尔型径向转向架。而转向角连锁方式径向转向架的发明者称，其基本思路是出自18世纪后期已经在美国注册的专利。
早期设计的径向转向架由于未经过车辆动力学方面的优化设计，连接机构多带有多余结构，不仅增加了转向架制造成本，而且由于簧下重量的增加还影响了振动特性，因此多数难于推广普及。可以说，这正是铁道机

图1 径向转向架的曲线通过方式

车车辆及转向架动力学理论得以问世的缘由之一。径向转向架设计的关键是在保证轮对按照预想的轨迹顺利回转而通过曲线的同时，还要保证转向架具有较高的运行稳定性。所谓稳定性，就是在直线运行时无论外界怎样干扰均不发生蛇行运动失稳。一般来说，这两者互相限制，难以兼顾。1973年英国国铁研究所的wickens提出了具有划时代意义的等价定位刚度理论，为开发径向转向架提供了理论上的依据。基于这一理论，世界各国开发出各种不同结构的径向转向架。
最简单的径向转向架是适当减小轮对纵向定位刚度，利用轮轨之间的蠕滑力使轮对自动导向。具有十字交叉拉杆连接机构的径向转向架也是利用轮对的自导向功能进行导向。但是这两种径向转向架的导向能力有限，因此又出现了利用车体与构架和轮对之间的连接机构强迫轮对转向的转向角连锁方式。按照是否利用了轮对的自导向功能可以把径向转向架分为两类——自导向转向架和迫导向转向架。为了进一步提高轮对的导向功能，法国有关研究机构又提出了采用控制方式的径向转向架的概念，本质上也属于迫导向转向架。根据径向转向架功能和结构的不同，表1列出了到目前为止世界各国正在研究和已经应用的径向转向架。纵向栏目是概念和功能，横向栏目表示以常规转向架为基础，增加的附加装置的结构特征。该表不一定包括全部，表中带“*”的表示已达到实用化，其它表示处于试制阶段。

表1 径向转向架的分类

2．径向转向架在减轻轮轨磨耗方面的应用经验
径向转向架的出现，为铁路提高运行性能，降低维护费用提供了可能，因此很快在西方铁路发达国家得到广泛的应用，尤其是在机车和摆式列车上。运用经验表明径向转向架在减轻轮轨横向力和磨耗方面的确有着显著的效果。
美国SD60MAC型机车装用EMD径向转向架之后轮缘磨耗明显减少[2]；装有自导向径向转向架的德国VT611摆式动车组在曲线上可提高运行速度25%，当线路曲线半径大于400m时，轮对的径向能力较强，有效降低了横向力；瑞士SIG公司的迫导向转向架摆式客车，在半径为300m的曲线上轮轨磨耗减小30%，横向力降低50%，效果非常好；日本的283系客车采用径向转向架在曲线上运行时，轮轨横向力降低了33% ～50%[3]。
我国首次在摆式客车试验车上应用径向转向架，已经通过了线路试验，试验阶段取得了良好效果。表2是在运行速度80km/h时，我国在摆式实验车上分别采用迫导向、自导向、传统转向架情况下的第一轮对横向力（单位为KN）。

表2. 在不同曲线半径时转向架第一轮对横向力比较

从表中可看出，在通过小半径曲线时，与普通转向架相比，迫导向转向架的轮轨横向力大幅度降低；与装配209HS转向架的试验车相比，装配迫导向转向架的客车在小半径（300～400m）曲线通过时，轮轨横向力明显降低；与装配209HS转向架的试验车相比，装配自导向转向架的客车在大半径（大于500m）曲线通过时，轮轨横向力有所降低。
3．径向转向架在地铁、轻轨车辆上的应用
地铁、轻轨等城市轨道交通线路是在城市现有布局下进行规划修建的，线路走向一般串联主要客流集中点，并与其它交通系统，如铁道、公交汽车等站点相交，运行线路受街道和建筑物限制，因此曲线路段多，曲线半径小，这就使得车辆曲线通过时会产生过大的冲角，增大轮轨力，加剧轮轨磨耗。因此与传统机车车辆相比，城市轨道交通车辆走行部应具备下列性能特点：1)运行噪声低；2)良好的曲线通过性能；3)车辆运行平稳性好。为了实现这些性能，需要在转向架上采用一些新型结构，如：单电机转向架、弹性车轮、独立车轮以及径向转向架等。
单电机转向架（架悬式）轮轨冲击小，噪声也降低，但运用经验比较少，而且轻轨车辆一般采用交流牵引电动机，转向架内的空间足够，因此单电机转向架用的较少；采用弹性车轮也可降低噪声减少轮缘磨耗，但只在轴重12t以下效果好，轴重较大时，由于橡胶强度等的限制，就不适用；独立车轮在减少噪声降低磨耗方面效果很好，在国外先进的轻轨车辆上运用比较成功，如德国的MGT-6D和NGT-6C、奥地利的TRAM CAR 轻轨车辆等[4]，但这项技术在国内尚无应用经验；径向转向架在国外运用比较成功，国内的研究也已充分展开，干线铁路上已通过线路试验，证明可以有效降低横向力。因此，利用径向转向架以减小轮缘与钢轨的冲角，降低轮轨横向力和轮轨磨损，从而降低维修成本，并降低噪声，改善乘座舒适度是我国城市轨道交通建设提高车辆技术含量的最佳选择。
事实上日本、加拿大等国家自80年代起就已经将径向转向架应用于地铁车辆上。加拿大在80年代中期开发的直线电机驱动轻轨车辆上采用了ＭＫⅠ型迫导向转向架，成功运用于多伦多、温哥华及美国的底特律等城市。近期又在ＭＫⅠ的基础上，开发了ＭＫⅡ型迫导向转向架，并在马来西亚吉隆坡的高架轻轨运营中取得了良好的效果。日本在90年代引进加拿大技术的同时，开发了内置构架与外置构架两种直线电机径向转向架，在东京、大阪、福冈等地铁线路上运用，结果令人非常满意[5]。
径向转向架在城市轨道交通领域达到实用化，对我国城市交通建设来说是一个大目标。摆式试验车的试验结果表明，我国自行研制的迫导向转向架与自导向转向架在直线上以120km/h速度以及在曲线（半径300～1000m）上以80km/h速度运行时，脱轨系数、轮重减载率、垂向和横向运行平稳性均满足《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599-85）的要求[6]，这表明，依靠我国自己的科研力量完全可以开发出达到实用化的径向转向架。借鉴日本的经验，我国可以根据现有条件，在引进关键技术的基础上进行仿制并进一步开发具有我国特色的地铁、轻轨用径向转向架。
4 结束语
国内外的运用经验表明，轮轨表面磨耗过快是地铁、轻轨系统中的惯性问题，而低成本、易维护保养的径向转向架是从根本上解决这一问题的有效途径。当前最重要的是立足于我国自身的科研基础研究开发机构简单、可靠性高的径向转向架，并尽快应用于已经建成的地铁和轻轨系统之中，产生经济效益。
参考文献
[1]柳拥军等.基于虚拟样机的摆式客车迫导向机构的仿真研究[J].北方交通大学学报，2002，26（4）：53—56.
[2]Gurt A.Swenson, R.Thomas Scott.机车径向转向架对轮轨磨耗的影响[J].国外内燃机车，1999，6：19～22.
[3]傅茂海等.我国摆式客车转向架的选型研究[J].西南交通大学学报，第35卷，第6期：595～599.
[4]王伯铭. 轻轨车辆走行部的特点 [J].铁道车辆，1999，12：16～17.
[5]杨利军.直线电机径向转向架车辆结构及性能分析[J]. 上海铁道大学学报.第21卷.2000,2：81-94.
[6]舒兴高等. 装迫导向、自导向转向径向转向架的客车第二次动力学性能试验报告[R].北京：铁道部科学研究院机车车辆研究所，2001.