机车径向转向架的研究进展

机车径向转向架的研究进展

摘 要 径向转向架是国外发展高速重载机车车辆的一个重要方向，它不仅有利于降低轮轨磨损程度，而且能够增强轮轨动力作用性能。我国铁路行业也正在研制开发径向转向架，本文简单介绍了机车径向转向架的研究概况及其导向机构，通过介绍近年来国内外径向机车转向架新技术的发展，总结概括主动控制机车径向转向架具有良好的发展趋势，它可以提高车辆的曲线通过性能，降低轮对冲角、轮重减载率以及脱轨系数，降低整车的磨耗功指数，并能够很好地解决曲线通过和蛇行稳定性之间的矛盾。希望本文对国内机车径向转向架的研发起到启发、借鉴作用。 关键词 机车；径向转向架；新技术

随着铁路运输逐渐向高速重载化发展，相应的理论原理与工程技术需要进一步研究与探索，目前，日趋发展成熟的径向转向架技术逐渐由理论走向应用，应用径向转向架可以有效降低轮轨间的最大横向力，有利于提高机车曲线通过能力，同时，其产生的低动力作用，将有利于降低轮轨间的磨耗。 1 机车径向转向架的研究概况

径向转向架技术最早成功运用在车辆转向架上，比较著名的有1976年投入运用的南非Shefel转向架等。由于机车径向转向架技术难度较大，因而发展较晚，进入80年代各国才开始陆续进行研制开发。从1978年~1982年，DR-1型和DR-2型两种机车车辆转向架由加拿大成功研制。在1980年前西德为挪威提供的5台Di4型交流传动内燃机车上，Henschel柔性浮动式径向转向架就被正式应用了，进而得到了推广应用。此后又应用高速径向转向架对DE2500型交流传动内燃机车进行改造，命名为DE2500UmAn型机车，在试验台上试验成功并使速度达250km/h~350km/h，并最终移植到ICE高速列车上。英国自1982年开始开发机车径向转向架，在1985年2台CP5型径向转向架装试安装于37型175号机车上，并成功地进行了试运行。1985年瑞士ABB公司与SLM公司合作在Re4/4型交流传动电力机车上应用了径向转向架技术。1987年又研制成功了460型交流传动电力机车的径向转向架。南非于1989年研制出应用于14E型交流传动电力机车上的可偏转的双扭线式导向机构的径向转向架。90年代初，德国Krauss—Maffei公司改造了E120型交流传动电力机车的径向转向架，在不改变原转向架基本结构的条件下，通过少量更换零部件，加装部分杆系，使之成为径向转向架[1][2]。德国Siemens公司与美国GM公司联合开发的SD6OMAC和SD70MAC型交流传动内燃机车，均安装了HTCR型径向转向架[3][4]。HTCR型转向架的轴式为三轴C0—C0，交流牵引电机采用轴悬式悬挂，一系悬挂装置采用单拉杆双弹簧定位方式，这种方式减少轮对摇头刚度以利于导向，增加了一系抗蛇行减振器，如图1，通过一套径向调整装置将前端轴和后端轴祸合起来，不仅满足了曲线通过性能而且确保了直线运行稳定性。1995年，EMD公司又开发出HTCR-Ⅱ型和SD90MAC型机车径向转向架[5]，仅1999年GM的EMD和GE运输就分别交付了600台和900余台机车，其中大多数都是采用径向转向架的机车。

收稿日期： 2012-11-15

作者简介：于淼（1989-05-31），女（汉），辽宁鞍山人，研究生。 通讯作者：于淼，研究生，E-mail：ym890531@yahoo.cn

图1 HTCR三轴径向转向架平面图

2 径向转向架导向机构及其原理

径向转向架分为自导向转向架和迫导向转向架两种[6]，机构简图如图2所示。自导向机构可以使轮对在保证在较小的轮对摇头刚度条件下提高轮对之间的剪切刚度，从而保证车辆的横向蛇行稳定性。迫导向转向架机构将车体与轮对连结在一起，利用车体与转向架之间在曲线上存在的相对转角，迫使轮对处于呈负冲角状态或径向位置，从根本上改善车辆曲线通过性能。之所以能在较小的横向定位刚度下保证车辆横向蛇行稳定性，是由于迫导向机构可以保证轮对在直线上有足够的纵向定位刚度。同时，迫导向转向架可有效地减小轮轨磨损，而自导向架虽可降低轮轨横向动力作用，但其自导向机构又增加了簧下质量，对垂向动力作用有一定影响。而迫导向机构可以安装在簧上部分[7]，因此其低动力作用特别适用于重载列车。

（a）自导向径向转向架；(b)迫导向径向转向架

图2 径向转向架的基本模式示意图

大量的试验与研究表明, 在曲线半径大于600 m的线路上自导向径向转向架具有较好的径向功能, 而在曲线半径较小的线路上迫导向径向转向架则更能有效地发挥其径向调节功能。根据我国铁路的中长期发展规划, 我国铁路客运将扩大200 km/h 线路的改造范围。针对既有线路铁道客车提速, 就必须考虑将曲线通过能力和直线稳定性合理匹配。事实上, 要在既有线上将最高运行速度提高到200 km/h,线路的曲线半径将一般不小于1000 m。故采用自导向径向转向架是一种非常有效的技术方案。如图3所示[8]。

(a)对角交叉支撑模式 (b)导向架模式 (c)拉压杆模式

(d)扭杆模式 (e)纵向液压减振器模式 图3 自导向径向转向架的几种典型结构

3 机车径向转向架的新技术 3.1 动力迫导向转向架

如图4所示，这种迫导向径向转向架方案为德国AEG公司配装在12X新型电力机车上的。这种转向架轮对由液压缸驱动进行径向调节,即通过计算机系统,根据曲线半径的大小,利用液力作用,调节液压缸的杠杆长度,对轮对实行分别控制, 液压缸及杠杆同时传递牵引力,使轮对趋于径向位置。调整角度为3°~4°，最大调整量约为6~8mm, 其摇头运动不耦合，两根轴单独控制。这种方案其关键在于曲率半径的检测精度、径向调节精度及其作用的灵敏度，虽然尚未进过实际运用考验，但其导向功能不受牵引力的影响，机构也相当简单，是一种使用现代技术的新构思[9]。

图4 动力迫导向机车径向转向架示意图

3.2 非对称径向转向架

日本研发的具有半主动控制原理的非对称悬挂转向架[10], 改善了客车通过小半径曲线时的导向性能。非对称悬挂转向架采用一个气压缸促动器作为一系悬挂，实现双向运行。所有的刚性和柔性刚度都串联安装在轴箱和构架间的两端, 柔性弹簧与4个转换装置相连接,如图5所示。在初始条件下, 转换装置衰减了柔性刚度的弹性作用,使纵向刚度变增大。在主动轮对上的转换装置由气压驱动, 释放加在柔性弹簧上的约束, 使得轴箱和构架间两个弹簧的等效刚度变软，如图6所示[11]。这种技术的优点是可靠性好, 如果转换装置中的某些元件发生故障, 刚度会自动变增大。

图5 用于双向运行的转换方式 图6 非对称悬挂转向架的原理

3.3 外径向臂径向转向架

外径向臂径向转向架是在三大件转向架基础上添加外径向装置, 通过径向臂将转向架前后轮对连接起来, 从而起到径向调节作用，如图7所示。这种在三大件转向架基础上添加径向装置的方法使原转向架基本结构的改变很少, 特别适用于三大件转向架的径向改造。三大件转向架加装外径向臂明显提高了转向架横向稳定性, 在通过曲线时, 采用径向转向架, 可以明显降低轮轨间横向相互作用, 减小轮对横向外移, 避免轮缘贴靠, 从而减少轮轨磨耗, 延长钢轨和轮对使用寿命[12]。

图7 25t轴载外径向臂径向转向架

3.4 互连式轮对机车转向架

随着新型机车转向架的发展，Flexifloat转向架系列的轴箱定位和牵引力传递独立的轮对连接装置已应用在2000系机车上，应用这种连接轴装置可以提高曲线段的径向调整性能和自导向能力；降低轮轨导向力和磨耗;消除牵引力传递对轴箱定位参数的影响;获得和轴箱刚性定位转向架相同的临界速度。瑞士联邦铁路Re460和BLS公司Re465设计了带连接轴的互连式轮对自导向转向架，大量的曲线段运营的过程中已经证明了机车车轮磨耗量的降低。瑞士联邦铁路应用在瑞士Gotthard线路上的Re460机车轮对旋修间隔时间与以前相比, 延长了3倍~4倍[13]。

3.5 _Z_N 联杆式径向转向架

日本国铁时代开发的Z联杆式径向转向架虽然其摇头运动稳定性较原用转向架稍低，但

其具有良好的曲线通过性能。为了在改善曲线通过性能的同时提高直线走行性能, 日本国铁时代又在Z联杆机构的基础上开发增加了新机构(N联杆)的径向转向架。所谓N联杆机构就是使用独立的联杆分别将前后轮对的中心连结,使两平行联杆相互弹性连结,从而减少前后轮对运动的相位差，抑制了转向架的摇头运动, 提高摇头运动的极限速度[14]，结构如图8所示。

图8 _Z_N 联杆机构

3.6 可控径向转向架

可控径向转向架是迫导向径向转向架的一种。其安装在转向架构架上的作动器推动径向机构移动,使轮对处于径向。可控径向转向架的基本原理与普通迫导向转向架十分相似, 不同点在于作动器产生可控径向转向架的导向动力,利用车体和转向架之间相对回转角检测值,通过安装在构架上的轮对的径向机构和作动器驱动连接构架, 迫使前后轮对按照径向的需要反向回转而处于曲线的径向位置[15]。可控径向转向架的径向机构为轮对和连接机电作动器的一套杠杆机构,由转向架两侧呈Z形连接的导向杠杆、杠杆转轴、轴箱连杆等组成，如图9所示。轴箱连杆通过球形橡胶弹性节点连接构架与轴箱上的导向杠杆, 实现构架与轴箱间的纵向定位。高强度自润滑耐磨轴承承载导向杠杆安装于构架的转轴上, 其上端连接转向架构架上的机电作动器 [16]。车辆进入曲线时, 检测装置测量到车体相对转向架的转动角度并作为控制信号控制机电作动器的动作, 促使轮对趋于径向位置。

图9 可控径向机构的简图

3.7 中央弹性支撑径向转向架

细长杆在实际工程结构中受压时，若存在初始挠度及中间弹性支撑，则不能用经典的欧拉公式计算杆件的屈曲临界载荷。若机车径向转向架耦合杆初始挠度为10 mm，则应用欧拉公式计算的结果相对临界失稳载荷减小7%；若采用中间弹性支撑，则大大提高了杆件的轴向承载能力，临界失稳载提高为原方案的2.8倍，并改变了压杆的固有振动频率[17]。如图10所示，C 处位移受到弹性支撑的限制，杆失稳变形只能如图中虚线所示。