自适应转向架设计的应用现状及发展趋势研究

皇甫立志

摘要：本文以轨道交通的转向架为研究对象，首先了解了自适应转向架的发展现状，在此基础上指出了目前我国轨道交通运输网络存在的困难，从而提出有效的建议及未来发展趋势。希望能够为我国动车组动力学性能各个方面日益突出的矛盾提供了解决方案，形成轨道交通系统的可持续性和互操作等战略方向。关键词：自适应;转向架;悬挂装置

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）05-0141-02

轨道交通是国民经济的大动脉，对社会的经济发展、民生改善及国家的安全起着不可替代全局性的支撑作用。随着高速铁路的快速发展，其在铁路干线网中的比例越来越高。为满足我国轨道交通骨干运输网络的高效能、可持续发展需求，提高铁路运输效率及多样化运输模式，最大程度满足不同人群出行需要，高速铁路与既有线路的互联互通显得尤为重要。跨线互通的关键在于搭建既有铁路与高速铁路跨线运行的自适应转向架产品平台。传统转向架所普遍采用的被动式悬挂已经难以适应车辆在不同等级线路的跨线运行需求，限制了车辆动力学性能的进一步改善。自適应转向架通过采用悬挂主动控制等技术，可以显著改善动车组动力学性能，为动车组动力学性能各个方面日益突出的矛盾提供了解决方案，形成轨道交通系统的可持续性和互操作等战略方向。

1 转向架概述

1.1 径向转向架技术

径向转向架主要可分为自导向及迫导向转向架两大类，适用于山区曲线多、半径小线路上的重载货运列车牵引。自导向转向架是利用轮轨间的蠕滑力，通过自导向机构使轮对进入曲线时自然呈径向位置排列。自导向转向架发展历史较久，早在1828年德国研究人员就在2轴马车上安装了交叉支撑机构，1883年Klose提出了径向转向架的设计思想。20世纪30年代，由德国人和瑞士人共同设计的径向转向架开始试验运行，取得了一定的成果。

迫导向转向架是在车体和自导向转向架间加装导向杠杆使轮对在曲线上趋于径向位置^[1]。迫导向转向架出现的比较晚，1927年BaScales提出了杠杆导向原理，美国研究人员与1973年在此基础上研制定型Devince—Scales迫导向转向架。后来提出了迫导向转向架的另一种设计模式，在车体和自导向转向架间加装导向杠杆形成迫导向转向架，在铁路工程界也得到了广泛应用1976年投入运用的南非谢菲尔货车转向架是世界上最为出名的径向转向架，之后英国、波兰、德国、瑞士、北美等都进行过径向转向架技术研制，如Cross Braced系列、TVP系列、RC25NT系列、MK系列、DR和AR系列径向转向架。国内最早在1994年以Y25型转向架为原型，研制了米轨焊接构架自导向径向转向架^[2]。目前转K7型转向架、东风8B内燃机车转向架等均采用径向机构。

1.2 内置式转向架技术

轴箱内置式转向架在英国应用最广泛，庞巴迪研制的FLEXX系列转向架已成功应用于英国的Voyager、Turbostar列车和挪威国营铁路（NSB）中，最高运行速度为250km/h。2012年柏林展，日立公司展示了全新研发用于AT200动车组的轴箱内置转向架，应用在英国城际动车组，转向架的质量减轻了 32%，最高运行的速度为160km/h。2012年西门子公司研制的SF7000型转向架，已开始在英国市场应用，该转向架重量减轻了 30%，最高运行速度为160km/h。国内少部分地铁车辆采用了轴箱内置式的转向架结构，运营速度较低、运营车辆数较少，对于内置式轴箱转向架技术的研究还有广阔的空间^[3]。

1.3 主动悬挂控制技术

早在1974年，美国D.E.Kamopp教授提出了一种天棚阻尼控制策略用于改善车辆平稳性。TGV列车上运用的主动悬挂，乘坐舒适度得到了显著改善。德国ICE列车上安装主动液压倾摆系统使乘坐舒适度得到很大提高。日本新干线车辆上安装气压作动器的主动悬挂己达到应用水平。西门子公司研发的SF600转向架，二系横向应用了主动弹簧加半主动阻尼器悬挂系统，具有主动倾摆系统的舒适性。国内西南交通大学也开展了一些理论、试验研究^[4-8]。

1.4 摆式列车技术

开行摆式列车可以较大幅度地提高列车的行车速度，特别是曲线通过速度。我国的铁路曲线长度占了铁路总长度的三分之一，而在不同的曲线半径上，摆式列车的通过速度比常规列车的通过速度提高30%左右。开行摆式列车只需对既有线路做一些局部改造，如改造平交道口、信号系统、调整接触网等，所需的投资比修建高速铁路要低得多。

众所周知，列车在既有铁路线上速度不能提高的一个主要原因是线路曲线限速造成的。这包括两个因素，一是由于随列车在曲线轨道上运行速度的不断提高，车轮与轨道的作用力越来越大，达到一定程度时，就可能造成列车脱轨，无法保证列车运行安全;二是列车通过曲线轨道时，速度越高离心力越大，乘客舒适度越差。摆式列车技术正是成功地解决了这两个问题，而达到在既有铁路线上，不做大规模基础设施改造的情况下，大幅度提高列车运行速度，可做到提速见效快、投资省。

2 国内外研究现状

2.1 国外发展现状

世界范围内，各国铁路线路条件、限界条件及运营情况复杂不一，各不相同，提高转向架及车辆适应不同复杂条件下的通行能力在当今铁路发展趋势下尤为重要。径向转向架技术、内置式转向架技术、主动悬挂控制技术、摆式列车技术、智能材料的应用等在国外特别是在欧洲开展研究较早，部分具有成熟的应用经验。国外主要铁路运输发达国家在铁路货车重载转向架都有发展，但各国侧重点不一样。北美、澳大利亚、巴西、南非等重载运输发达的国家及地区侧重于三大件式重载运输货车转向架的研究及运用，轴重达到了40t，欧洲地区侧重于构架式货车转向架研究，轴重较小为30t。但技术模式都是继承与创新相结合的方式。