日本铁道车辆转向架的研究与发展历程

2010-11-27马立

铁道机车车辆 2010年6期

马立

(中国铁道科学研究院铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京100081)

第2次世界大战后,日本一部分从事过飞机研究的科技人员加盟了铁路,他们的创新研究极大地深化了对铁道车辆运动的认识,并取得了丰硕的成果,包括定量地弄清了车轮踏面形状、回转阻力、轴箱支承刚度等各种参数与车辆运行性能的关系。这个时期也是车轴轴承从滑动轴承过渡到滚动轴承的时期;进入20世纪50年代后,转向架构架是钢板或型钢铆接组装,之后变为铸钢制造,随着焊接和探伤技术的进步以及强度评价法的发展,变为钢板焊接结构;同时,随着对车轴强度的深入研究、车轴超声波探伤法的推广应用以及整体辗钢车轮的出现,使得轮对这一转向架基本部件的设计、制造技术有了跨越式发展,这些已在既有线车辆上采用的成熟技术,转移应用到新干线高速电动车上,其代表就是1964-10-01首次以速度210 km/h商业运营、拉开了世界高速铁路发展序幕的东海道新干线0系高速列车。

转向架研究在铁道车辆的发展中起着至关重要的作用,转向架承受车体的质量,并将轮对和悬挂装置收容在构架中,还要安装驱动装置和基础制动装置。转向架的基本要求包括①支承车体,不脱轨,安全运行;②以高速运行在直线和曲线线路时,舒适度良好;③结构简单,容易维修;④钢轨磨耗和轨道变形少等。

1 车辆运动与转向架

车辆运行时,受到了来自线路的振动、车轮与钢轨间的横向滑动、驱动系统的振动以及作用在车体上的风压等,产生了包括纵向、垂向、点头、横向、摇头和测滚等6种形式的振动,抑制这些振动可以得到良好的舒适性。车轮在钢轨上运行时,重要的是平稳地在直线上运行和顺畅地通过曲线,减少作用在钢轨和车辆上的力。车轮接触钢轨面的“踏面”采用具有斜度的圆锥形,这种斜度可以引导车辆运行,抑制通过曲线时,曲线内侧和外侧车轮的滑动,缓和轮缘碰撞钢轨时的冲击。高速运行时,在直线上会产生蛇行运动,为了抑制这种振动,踏面的斜度要小,还必须限制轴箱相对于构架的运动(一系悬挂刚度大)。此外,转向架轴距大,在转向架和车体间安装抗蛇行减振器,这些都能有效地抑制蛇行运动。0系踏面的斜度为1/40,后来采用圆弧型踏面取代了圆锥型踏面(图1)。

图1 新干线车轮踏面形状

选择轴距要兼顾直线运行时的稳定性和通过曲线的性能,新干线选定为2.5 m。此外,为了抑制回转方向的运动,抗蛇行减振器是重要的,TGV和ICE设置了2组抗蛇行减振器。此外,转向架还要提供适当的回转阻力。

2 转向架的结构

如图2所示,转向架由构架、悬挂系统、轴箱和轮对构成。此外,还有安装了驱动电动机和将其扭矩传到车轴上的齿轮传动装置以及通过空气或油压指令作用制动力的基础制动装置。

图2 转向架的构成(200系)

转向架构架由横向对称的2片侧梁、枕梁(摇枕梁或横梁)和端梁构成,侧梁通过轴箱和一系悬挂由轮对纵向支承。枕梁在横向连接侧梁,通过设在中心的心盘或中心销使转向架可以相对于车体回转并传递牵引力和制动力。端梁也在横向连接侧梁,但是,为了减薄,最近转向架构架多采用侧梁和横梁整体焊接结构。转向架的发展方向是轻量化和简单化。

3 转向架的分类

不同的制造商和运营商,对转向架有不同的分类方法。将转向架按照“轴箱支承方式”和“车体支承方式”分成2类。

(1)根据“轴箱支承方式”分类

①轴箱导框式(图3)

图3 轴箱导框式

这是轴箱只能在垂直方向运动的方式。轴箱收容在转向架构架侧梁下方的轴箱导框内,通过安装在轴箱上的弹簧支承车体载荷。这也是最早应用的方法,由于其有较好的可靠性,一直在各种车辆上使用着。但是,要求轴箱与导框之间需经常保持无间隙状态,给维修带来困难。

②圆筒导向式(图4)

在轴箱和转向架构架上均备有圆筒(两个圆筒的直径不同),将它们组合成一种类似活塞的结构。圆筒的周围设置轴箱弹簧。与轴箱导框式相比,其优点是滑动部分少,有利于维修。在德国、瑞士和日本应用较多。

图4 圆筒导向式

③明登(Minden)式(图5)

轴箱和转向架构架通过薄板弹簧(板弹簧)连接,垂直方向的运动通过板弹簧的变形减振,由于没有滑动部分,维修容易,在许多铁道车辆上得到应用。旧型式是轴箱的左右(前后)用板弹簧固定在构架上;新型式是仅从构架的中心侧支承轴箱。

除德国ICE和日本新干线的高速列车采用明登式外,日本不少的私铁电车上也采用了这种结构形式的转向架。

图5 明登(Minden)式

④叠层橡胶式(图6)

轴箱和转向架构架的接触部通过叠层橡胶支承。没有滑动部分,只是定期地检查橡胶的老化,维修简单,所以,被许多车辆采用。

图6 叠层橡胶式

⑤拉杆式(图7)

通过拉杆将轴箱连接到构架上。滑动部分少,部件数稍多,法国的TGV采用了这种方式,近年来,出现了只一侧有拉杆的方式(单连杆式)。

图7 拉杆式

⑥轴梁式(图8)

通过与轴箱做成一体的臂状梁(轴梁)连接到转向架构架上的方式。垂直运动通过轴梁引导,而轴箱前后(纵向)被固定住。部件少,没有滑动部分,维修简单。在日本,除JR最新的电动车采用轴梁式外,也有一部分私铁采用。

图8 轴梁式

⑦经济式(开拓者式)(图9)

这是有效利用空气弹簧的刚性,省略轴箱支承装置和轴箱弹簧的方式。在转向架构架上直接安装轴箱,结构简单。

图9 经济式

20世纪60年代曾制造了很多,日本使用过的有东京快速电铁、小田急电铁、京阪电气铁道、南海电气铁道等,但是,舒适度问题一直未得到解决。

(2)根据“车体支承方式”分类

①摇枕式(图10)

这是通过称作“枕梁”的部件承受车体载荷的方式。载荷从上摇枕传到下摇枕,再通过“摇枕吊杆”传到转向架构架乃至车轮上。

用于各种车辆上,舒适度好,但是,部件数量和滑动点多。近年来,开发了结构简单、舒适度好的转向架。由于摇枕式转向架曾经有过广泛使用的业绩,所以,现在多数还被使用着。

图10 摇枕式

②间接安装式(图11)

为了减轻维修工作量(时间、人力和工作量),废除了摇枕吊杆,仅由摇枕梁(上摇枕梁)支承车体的方式。有可能采用空气弹簧(也有用螺旋弹簧的)。

这是从1965年左右,在日本,不论旧国铁还是私铁广泛采用的方式,但是,后述的无摇枕转向架出现以后,在JR和一部分私铁基本上不再采用。

图11 间接安装式

③无摇枕转向架(图12)

缩短到达目的地所需时间是铁道经营者的重要服务内容之一。为此,必须提高列车运行速度和通过曲线的能力。即提高转向架的高速运行性能,降低曲线运行时的横向力。为此,必须实现转向架的轻量化。但是,在有摇枕的转向架中,摇枕和心盘装置等的质量,每个转向架约为700—1 000kg,而其他部件的轻量化有限。

图12 无摇枕转向架

在高速车辆中,必须防止发生蛇行运动这样的有害振动。为此,有摇枕的转向架是通过摇枕和安装在转向架构架上旁承(摩擦板)的摩擦力给出回转阻力的机构,但是,由于雨水的侵入和滑动面的粗糙度等旁承的状况,摩擦力会变化,使得高速运行性能和曲线运行性能降低。为了解决这一课题,开发无摇枕转向架就非常必要。

无摇枕转向架通过构架上的摇枕弹簧和牵引装置等机构直接支承车体,与有摇枕转向架相比,结构简单。但是,要求摇枕弹簧在具有防振性能的同时,还要求在转向架通过曲线时,能够对车体给出必要的回转角度,容许大的横向位移,具有较高的耐久性。在日本,开发了低横向刚度的空气弹簧并得到采用,考虑到空气弹簧的耐久性,多数并用叠层橡胶分担横向位移。

在无摇枕转向架中,与摇枕弹簧并列的是牵引力和制动力传给车体的牵引装置和给转向架回转阻力的抗蛇行减振器。牵引装置必须不妨碍摇枕弹簧的防振性能,并具有转向架和车体解体作业的良好性,形状有1根拉杆式、Z形拉杆式、门形板弹簧式、缓冲橡胶式和绳索式等。抗蛇行减振器是防止高速运行时蛇行运动的油压减振器,与有摇枕转向架的盘承相比,可以稳定地对转向架给出回转阻力,所以,有利于高速列车速度的提高。

无摇枕转向架不仅改良了车体支承机构,转向架构架由于没有了摇枕,扩大了高度方向的空间,侧梁中央部位的曲率小了,转向架整体结构简单化了,可以降低转向架新造和维修成本。

在日本,1980年无摇枕转向架首次在地下铁道车辆的客车上采用。之后在日本旧国铁,TR908转向架用于特快电动车上,TR911转向架1985年用于205系通勤电动车和211系近郊电动车上。JR标准化后,JR各公司的通勤、近郊、特快车辆广泛采用了无摇枕转向架。新干线电动车在1992年开始营业运行的300系“希望”号,采用了无摇枕转向架(图13),当前,无摇枕转向架已成为主流。

图13 新干线300系“希望”号的无摇枕转向架(1992年)

使用螺旋弹簧的枕簧有ICE的机车、TGV、ET R500等。TGV-PSE最初的客车也使用螺旋弹簧,为了提高舒适度,改用了空气弹簧。TGV-A以后型号客车全部采用空气弹簧。为此在无摇枕转向架中,开发了容许纵向、横向大位移的空气弹簧。新干线400系和300系以后全部采用了无摇枕转向架。

4 主动和半主动控制

在悬挂上设置了控制机构,开发了主动抑制振动的主动悬挂。尝试了控制空气弹簧内压、在枕簧上并列设置控制油压缸等各种方式。所有都是激振器直接控制相当于车体总重的载荷,需要解决控制能量大、反应慢等课题。为了减小控制能量,开发了阻尼特性随速度而切换的半主动悬挂。在500系上做过主动和半主动2种悬挂方式,最终选择了半主动悬挂系统,也被700系采用。E2系1000型采用了主动和半主动悬挂系统。

5 驱动装置

一般地将电动机的扭矩通过齿轮减速传递到车轴上,包括驱动力传动装置和减速齿轮,总称驱动装置。

对于高速车辆,要求减小簧下质量,同时,必须减小对钢轨的动作用力。为此,电动机安装在转向架构架或车体上,通过可动联轴节传递到减速齿轮上。每轴传递的扭矩愈大,在起动空转、再黏着时,电动机扭矩的变动也愈大,有时,会在驱动系统中,产生弹性自激振动。

为了控制这种现象,驱动装置弹性系统的共振频率要高,必须避开因扭矩变化造成的激振频率变化范围,一般地,弹簧要硬。

新干线电动车采用平行万向轴,如图14所示,电动机安装在转向架构架上,电动机的扭矩通过称作WN联轴节的“柔性齿轮联轴节”,传递到减速齿轮箱的小齿轮上。齿轮箱是一级减速,由大齿轮和小齿轮构成,大齿轮安装在车轴上,把驱动力传给车轴。柔性齿轮联轴节(WN联轴节)如图15所示,筒内侧切成沟的内齿,与此相对应的2组外侧齿轮啮合,两内侧齿轮间用螺栓连接,分别安装外齿轮的轴允许相对位移。

安装在转向架构架上的电动机,通过可动联轴节将电动机的扭矩传到减速箱的小齿轮上。减速箱为一级减速,由小齿轮和大齿轮构成,大齿轮安装在车轴上,将扭矩传到车轴上。