1、第期 年月 研究开发文章编号：（）径向转向架研究综述冯明（重庆市铁路集团有限公司技术部，重庆 ）摘要：传统的机车车辆在通过中小半径曲线时，存在着轮缘贴靠导向和轮轨磨耗严重、能耗高、轮轨横向力大以及噪声过大的缺点。国内外研究和应用表明，采用径向转向架是解决上述问题的有效手段。本文重点介绍了自导向、迫导向和主动导向径向转向架的原理、研制背景、主要应用情况。作者总结了三种径向转向架的主要优缺点，认为自导向径向转向架结构简单，不会出现过导向故障，但在小半径曲线上的径向效果不显著；迫导向径向转向架结构相对复杂，但小半径曲线上的曲线通过性能和安全性良好，而在中等半径曲线上的径向效果略显不足；主动径向转向架
2、在任意中小半径曲线上的曲线通过性能均达良好。但是系统复杂、成本高，且会出现过导向故障。从应用上而言，作者认为客车采用自导向径向结构类型的偏少些，迫导向径向转向架在日本得到了大量的应用，在多条线路上采用了不同结构的迫导向转向架，在曲线通过性能、长期运行稳定性和运行安全可靠性等方面均经受住了长期运营考验，是比较成熟的径向转向架类型。主动径向转向架虽然起步较晚，但由于能适用任意中小半径曲线，随着主动控制技术的发展，主动径向转向架必将成为径向转向架的一个主要发展方向。关键词：轮缘磨耗；轮缘贴靠导向；自导向径向转向架；迫导向径向转向架；主动导向径向转向架；轮轨冲角；横压；蠕滑力中图分类号：文献标志码：收
3、稿日期：第一作者：冯明（），男，工程师。（，）：，；，；，第 卷第期 年月 ：；传统的机车车辆在通过中小半径曲线时，存在着轮缘贴靠导向和轮轨磨耗严重、能耗高、轮轨横向力大以及噪声过大的缺点。国内外研究和产品应用业绩表明，采用径向转向架是解决上述问题的有效手段。径向转向架的类型铁道车辆经过长期的发展，在机车、货车和客车领域出现了多种结构形式的径向转向架，按照导向机理不同，可以分为自导向径向转向架、迫导向径向转向架和主动导向径向转向架。自导向径向转向架自导向径向转向架通过在结构上安装自导向调节装置或者一系纵向定位刚度采用不对称设置，在车辆通过曲线时，前后轮对具有同时趋于曲线径向位置的功能。本质上讲
4、，自导向转向架仍依靠轮轨蠕滑力进行导向，故不易产生过导向的问题。径向转向架上个世纪 年代，南非量产的货车采用了 径向转向架，是世界上最先投入量产应用的径向转向架。图为 径向转向架结构，采用斜交叉拉杆连接前后个形框架。在通过中小半径曲线时，在交叉拉杆的作用下，一侧轮对相对于转向架构架转向，受其影响，另一侧轮对也朝着冲角减小的方向转向，有效地减小了轮对冲角，降低了轮轨横向力。同时交叉连杆抑制了前后轮对横向的相对运动，具有抑制蛇行运动的效果，确保车辆的运行安全性。图 径向转向架 型径向转向架上世纪 年代末，原铁道部启动摆式列车开发项目，要求在提高列车曲线通过速度的同时提高曲线通过性能。在此背景下，中
5、车南京浦镇车辆有限公司研制了 型拉压杆式自导向径向转向架，如图所示。图 型径向转向架 型径向转向架通过导向臂和两根连杆构成自导向机构，将前后轮对的摇头运动耦合在一起，在曲线通过时，利用前位轮对的蠕滑力导向，在导向阻尼卸荷状态下，通过自导向机构使前后轮对趋于曲线径向位置。该转向架样机于 年 月在西南交通大学滚振试验台上通过了最高速度为 的滚振试验，动力学性能良好。德国的 型转向架也是采用拉压杆式自导向机构，但在运行中径向机构出现过共振，甚至断裂等问题。因为左右自导向机构单独动作，不能限制前后轮在纵向上的同向与反向的相对平动，故导致径向机构产生剧烈振动，经改进后运行效果良好。从结构上而言，拉压杆式
6、自导向径向转向架结构相对简单，在制造、组装和维修等方面都比较方便。由于自导向径向转向架在小半径曲线上表现出径向能力不足，故在小半径曲线较少的城轨交通线路上，可以考虑上述结构方案的径向转向架，但在结构方面还需要优化设计。型径向转向架 年 东海中央西线引入了 系新型摆式车辆。中央西线从名古屋到长野县，是一条山区铁路线，半径小于 的曲线很多，为提高列车在半径大于 曲线上的运行速度并改善曲线通过性能，系摆式列车配装了 型自导向径向转向架。图为 型径向转向架结构，其一系悬挂采用圆锥橡胶弹簧结构，与常规转向架一系悬挂具有相同性能参数。不同的是，该车辆的第和第位轮对轴箱纵向定位刚度降低，而第和第位轮对轴箱纵
7、向定位刚度维持不变，形成了“软硬硬软”的轴箱定位刚度排列，如图所示。该转向架是一种前后轴箱定位刚度非对称型自导向径向转向架，它是在充分了解轮轨横向力分布规律、轴箱定位刚度的最佳配置方案基础上研制而成的。径向转向架研究综述冯明图 型径向转向架图轴箱定位刚度配置图 型自导向径向转向架在通过曲线时轮轨横向力有了大幅度降低，安全性和稳定性都得到了提高。型自导向径向转向架通过改变圆锥橡胶弹簧性能参数，可以在不使转向架结构复杂化、降低安装成本和维护成本的情况下引入径向转向架，改善车辆的曲线通过性能，这是这种转向架突出的优点。城轨车辆若要采用该结构形式的径向转向架，需充分了解线路以及车辆在线路上运行时的轮轨
8、横向力分布规律，从而论证方案可行性。迫导向径向转向架迫导向径向转向架是利用车辆通过曲线时车体相对构架的转角，由迫导向机构按照一定的导向增益传递给轮对，使轮对趋于曲线的径向位置。该类型转向架利用车体相对构架的转角驱动轮对导向，因此不易出现过导向的故障。型径向转向架日本的“石胜线根室本线”为米轨非电气化铁路线路，存在着连续 左右的小半径曲线。为了提高车辆运行速度，年引入了 系新型摆式液力传动型内燃动车组，配装了 型径向转向架。图为 型径向转向架结构，图为迫导向机构示意图，利用机械式连杆连接车体、构架和轮对。车辆通过曲线时，车体和转向架构架的相对摇头转角带动迫导向机构动作，使转向架曲线外侧的轴箱间距
9、增大而曲线内侧的轴箱间距减小，前后轮对呈“外八字”形通过曲线。型径向转向架东京地下铁路银座线是日本于 年开通的最古老的地铁线路之一，半径为 以下的曲线高达。年银座线引入了 系新车，为提高曲线通过性能，研制并配装了 型径向转向架。图 型径向转向架图 型径向转向架迫导向机构图为 型径向转向架，其配置示意图如图所示，迫导向机构结构和曲线上的动作如图所示。可见 转向架为单轴迫导向径向转向架，也是半动力半非动力转向架。有条安装了驱动装置的动力轮对，另条则为非动力轮对，迫导向机构连接在拖车轮对上，故该拖车轮对也是导向轮对。该转向架被配装在列车的中间车辆上，动力轮对为、位轮对，导向轮对为、位轮对。在通过曲线
10、过程中，均通过位轮对来导向，缩小了冲角，相应地减少了横向轮轨蠕滑力，降低了位轮对与外轨的轮轨横向力。图 型径向转向架图列车编组中间车转向架的配置第 卷第期 年月图迫导向机构结构和曲线上的动作试验结果表明，型转向架通过半径 、超高 、轨距加宽 的曲线时，轮轨横向力约为 ，与普通转向架相比降低 左右；轮缘磨耗量降低；通过曲线时的能耗约降低 ；噪声约降低 。该型转向架共装备了 多辆车，运行近 年，经受住了长期运行的考验。型径向转向架日本仙台市地下空间紧张，建设了微型地铁交通，有着最小半径为 的曲线。年引入了 辆 系微型地铁车辆。为改善曲线通过性能，采用了直线电机驱动的带摇枕径向转向架，图 为 型径向
11、转向架。图 型径向转向架与 型径向转向架类似，型径向转向架也是迫导向径向转向架，不同的是，型径向转向架为双轴迫导向径向转向架。在研制过程中，对 型迫导向径向转向架和无迫导向机构的常规直线电机转向架进行了曲线通过性能的对比试验，试验线路条件为：曲线半径 、外轨超高 、轨距加宽，型径向转向架的轮轨横向力降低约，噪声降低的幅度大于 。型径向转向架上世纪 年代末，中车唐山机车车辆有限公司研制了 型迫导向径向转向架，如图 所示。图 径向转向架 型径向转向架从 年 月 日开始，编挂在成都宜宾间的 次旅客列车上进行运营考验。进行万多 的运营后，经检测，型径向转向架的轮缘没有磨耗，踏面中部的最大磨耗量约为万。
12、而进入厂修的对比转向架即 型转向架的磨耗量约为 万。型径向转向架降低了磨耗，延长了轮轨使用寿命。上述迫导向机构的径向转向架结构相对简单，重量轻，小半径曲线通过性能良好，安全可靠，维修工作量也不大。但是轮对偏磨以及高速蛇行运动稳定性对迫导向机构的组装精度都比较敏感，因此制造精度要求比较高，迫导向机构结构相比自导向机构要复杂，且中等半径曲线的径向功能略显不足。径向转向架西班牙 公司于 世纪 年代研制的 摆式列车配装了 型独立旋转车轮单轴转向架，安装于两车体之间，形成铰接式结构。为了改善曲线通过性能，型转向架采用迫导向结构，如图 所示。通过曲线时，前后车体产生相对转角，轮对在迫导向装置的两拉杆作用下
13、趋于径向。图 径向转向架和迫导向结构径向转向架研究综述冯明该摆式车成功上线运行后，运行性能良好，为适应市场需求，公司又相继开发了多个系列的产品，如 系列、用于城市交通的 系列等。其中，铰接式高速动车组上的 转向架还采用了主动导向技术，控制左右车轮速度差在规定的范围之内，降低了直线运行工况下的轮轨横向力，增强独立旋转车轮的直线对中性能和曲线通过能力。铰接式 径向转向架重量轻，采用独立旋转车轮，安装在车体中间，可以降低车体地板面高度，在双层车辆上应用具有一定优势，曲线通过性能良好。在列车长度相同的情况下，由于承载轮对数量减少，故能耗和轮轨磨耗均降低。径向转向架采用的独立旋转车轮技术及主动导向技术均
14、使结构变得更为复杂。主动导向径向转向架顾名思义，主动导向径向转向架带有执行机构，在判断车辆进入主动导向径向系统动作的半径曲线时，由执行机构驱动轮对趋于径向位置通过曲线。主动控制技术从 世纪 年代兴起。在铁道机车车辆主动控制研究领域中，研究工作主要集中在主动导向径向转向架的研究，并取得了一定的成果 。电动车组用主动导向径向转向架原庞巴迪公司在双层列车 电动车组上采用了 （侧滚补偿 和主动导向径向系统）技术，图 和图 分别为带主动导向径向系统 的转向架及其主动导向径向原理图。主动导向径向系统 采用两个电液作动器，在车辆通过曲线时，电液作动器通过推拉动作，使前后轮对处于径向位置。通过优化算法，降低导
15、向轮对轮轨作用力与非导向轮对轮轨作用力的大小差异，减少轮轨磨耗以及滚动接触疲劳。电动车组在瑞士联邦铁路城际区域线路上对主动导向径向系统 的经济性进行了运营考察。结果显示：技术使轨道维护费用最多可降低，轨道维护间隔时间可延长倍。图 带有 的主动导向径向转向架图 主动导向径向系统 的原理图中国下一代地铁主动导向径向转向架在 年国家科技支撑计划“下一代地铁列车研制”项目中，中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制了更轻盈节能的“下一代地铁”列车 ，图 为下一代地铁列车碳纤维主动导向径向转向架。图 下一代地铁列车碳纤维主动导向径向转向架 针对地铁线路弯道多、半径小的特点，在转向架安装了主动导向径向系统，当
16、监测到车辆进入弯道时，能够控制轮对处在曲线径向位置行驶，大大改善了列车的曲线通过性能，特别能更好地适应小曲线，最小转弯半径可达，远超传统地铁水平，车轮磨耗也大幅降低，从而节约维护成本。于 年月在广州地铁号线完成线路试验和运行示范。目前中车青岛四方机车车辆股份有限公司获得了青岛地铁号线列下一代地铁的订单，该列车的部分转向架配装主动导向径向系统，后期将正式上线运营考核，并与同列车中的常规转向架性能进行对比，为主动导向径向系统的实用化提供试验数据支持。自适应转向架 年，中车青岛四方机车车辆股份有限公司在国家重点研发项目“自适应转向架及关键技术”中研制了自适应转向架，该转向架采用主动导向径向技术，以适应高铁线路和普速线路。图 为自适应转向架结构。图 为阀控径向作动器，它被纵向安装在构架和第 卷第期 年月轮对轴箱上。自适应转向架在监测到车辆进入弯道时，通过径向作动器的前伸和后缩运动，驱动前后轮对趋于曲线的径向位置。图 自适应转向架图 阀控径向作动器配装自适应转向架车辆进行了厂区内环线试验和西南交通大学滚振台试验。环线 小曲线通过试验中，主动导向径向系统能够显著减小轮轨间横向力，改善小曲线通过性能
