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徑向轉(zhuǎn)向架及其在地鐵、輕軌車輛中的應用
徑向轉(zhuǎn)向架及其在地鐵、輕軌車輛中的應用 摘要:論述了徑向轉(zhuǎn)向架的原理及其在減輕輪軌表面磨耗方面的作用。根據(jù)地鐵、輕軌車輛走行部的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點,探討了徑向轉(zhuǎn)向架在我國地鐵、輕軌車輛中運用的必要性和可行性。
進入21世紀,我國城市軌道交通獲得了較快的發(fā)展,由于安全、快捷、舒適等優(yōu)點,城市軌道交通備受青睞,在改善城市交通擁擠狀況、快速集散客流、促進經(jīng)濟發(fā)展中起了非常重要的作用。然而,在我國已經(jīng)開通地鐵的北京、上海、廣州等城市都不同程度地存在著曲線上鋼軌內(nèi)側(cè)面和輪緣磨耗過快,導致維修費用高居不下的問題。同時,車輪輪緣切咬鋼軌產(chǎn)生的尖嘯聲,也對城市環(huán)境造成了噪聲污染。采用徑向轉(zhuǎn)向架是解決上述問題的途徑之一。
1徑向轉(zhuǎn)向架
徑向轉(zhuǎn)向架是為了提高車輛的曲線通過能力而在常規(guī)轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上設(shè)計出的轉(zhuǎn)向架,廣泛應用于貨車、準高速列車和擺式列車上。近年來出于減輕輪軌磨耗,提高運行安全性的需要,徑向轉(zhuǎn)向架開始應用于城市軌道交通車輛上,并在日本、加拿大等國家獲得了成功。徑向轉(zhuǎn)向架與普通轉(zhuǎn)向架的區(qū)別在于曲線通過方式的不同,如圖1所示。圖中左側(cè)是普通轉(zhuǎn)向架,右側(cè)是徑向轉(zhuǎn)向架。從圖中可看出,徑向轉(zhuǎn)向架在通過曲線時的沖角比普通轉(zhuǎn)向架要小,因此第一輪對的橫向力可以降低,從而減輕輪軌磨耗[1]。
徑向轉(zhuǎn)向架的歷史相當久遠。根據(jù)舍菲爾的報告,13世紀的馬車時代就出現(xiàn)了十字交叉拉桿的車輪連接方式。舍菲爾在博物館發(fā)現(xiàn)了資料,受到啟發(fā),設(shè)計了舍菲爾型徑向轉(zhuǎn)向架。而轉(zhuǎn)向角連鎖方式徑向轉(zhuǎn)向架的發(fā)明者稱,其基本思路是出自18世紀后期已經(jīng)在美國注冊的專利。
早期設(shè)計的徑向轉(zhuǎn)向架由于未經(jīng)過車輛動力學方面的優(yōu)化設(shè)計,連接機構(gòu)多帶有多余結(jié)構(gòu),不僅增加了轉(zhuǎn)向架制造成本,而且由于簧下重量的增加還影響了振動特性,因此多數(shù)難于推廣普及�？梢哉f,這正是鐵道機
圖1 徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過方式
車車輛及轉(zhuǎn)向架動力學理論得以問世的緣由之一。徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計的關(guān)鍵是在保證輪對按照預想的軌跡順利回轉(zhuǎn)而通過曲線的同時,還要保證轉(zhuǎn)向架具有較高的運行穩(wěn)定性。所謂穩(wěn)定性,就是在直線運行時無論外界怎樣干擾均不發(fā)生蛇行運動失穩(wěn)。一般來說,這兩者互相限制,難以兼顧。1973年英國國鐵研究所的wickens提出了具有劃時代意義的等價定位剛度理論,為開發(fā)徑向轉(zhuǎn)向架提供了理論上的依據(jù)�；谶@一理論,世界各國開發(fā)出各種不同結(jié)構(gòu)的徑向轉(zhuǎn)向架。
最簡單的徑向轉(zhuǎn)向架是適當減小輪對縱向定位剛度,利用輪軌之間的蠕滑力使輪對自動導向。具有十字交叉拉桿連接機構(gòu)的徑向轉(zhuǎn)向架也是利用輪對的自導向功能進行導向。但是這兩種徑向轉(zhuǎn)向架的導向能力有限,因此又出現(xiàn)了利用車體與構(gòu)架和輪對之間的連接機構(gòu)強迫輪對轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角連鎖方式。按照是否利用了輪對的自導向功能可以把徑向轉(zhuǎn)向架分為兩類——自導向轉(zhuǎn)向架和迫導向轉(zhuǎn)向架。為了進一步提高輪對的導向功能,法國有關(guān)研究機構(gòu)又提出了采用控制方式的徑向轉(zhuǎn)向架的概念,本質(zhì)上也屬于迫導向轉(zhuǎn)向架。根據(jù)徑向轉(zhuǎn)向架功能和結(jié)構(gòu)的不同,表1列出了到目前為止世界各國正在研究和已經(jīng)應用的徑向轉(zhuǎn)向架�？v向欄目是概念和功能,橫向欄目表示以常規(guī)轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ),增加的附加裝置的結(jié)構(gòu)特征。該表不一定包括全部,表中帶“*”的表示已達到實用化,其它表示處于試制階段。
表1 徑向轉(zhuǎn)向架的分類
2.徑向轉(zhuǎn)向架在減輕輪軌磨耗方面的應用經(jīng)驗
徑向轉(zhuǎn)向架的出現(xiàn),為鐵路提高運行性能,降低維護費用提供了可能,因此很快在西方鐵路發(fā)達國家得到廣泛的應用,尤其是在機車和擺式列車上。運用經(jīng)驗表明徑向轉(zhuǎn)向架在減輕輪軌橫向力和磨耗方面的確有著顯著的效果。
美國SD60MAC型機車裝用EMD徑向轉(zhuǎn)向架之后輪緣磨耗明顯減少[2];裝有自導向徑向轉(zhuǎn)向架的德國VT611擺式動車組在曲線上可提高運行速度25%,當線路曲線半徑大于400m時,輪對的徑向能力較強,有效降低了橫向力;瑞士SIG公司的迫導向轉(zhuǎn)向架擺式客車,在半徑為300m的曲線上輪軌磨耗減小30%,橫向力降低50%,效果非常好;日本的283系客車采用徑向轉(zhuǎn)向架在曲線上運行時,輪軌橫向力降低了33% ~50%[3]。
我國首次在擺式客車試驗車上應用徑向轉(zhuǎn)向架,已經(jīng)通過了線路試驗,試驗階段取得了良好效果。表2是在運行速度80km/h時,我國在擺式實驗車上分別采用迫導向、自導向、傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架情況下的第一輪對橫向力(單位為KN)。
表2. 在不同曲線半徑時轉(zhuǎn)向架第一輪對橫向力比較
從表中可看出,在通過小半徑曲線時,與普通轉(zhuǎn)向架相比,迫導向轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力大幅度降低;與裝配209HS轉(zhuǎn)向架的試驗車相比,裝配迫導向轉(zhuǎn)向架的客車在小半徑(300~400m)曲線通過時,輪軌橫向力明顯降低;與裝配209HS轉(zhuǎn)向架的試驗車相比,裝配自導向轉(zhuǎn)向架的客車在大半徑(大于500m)曲線通過時,輪軌橫向力有所降低。
3.徑向轉(zhuǎn)向架在地鐵、輕軌車輛上的應用
地鐵、輕軌等城市軌道交通線路是在城市現(xiàn)有布局下進行規(guī)劃修建的,線路走向一般串聯(lián)主要客流集中點,并與其它交通系統(tǒng),如鐵道、公交汽車等站點相交,運行線路受街道和建筑物限制,因此曲線路段多,曲線半徑小,這就使得車輛曲線通過時會產(chǎn)生過大的沖角,增大輪軌力,加劇輪軌磨耗。因此與傳統(tǒng)機車車輛相比,城市軌道交通車輛走行部應具備下列性能特點:1)運行噪聲低;2)良好的曲線通過性能;3)車輛運行平穩(wěn)性好。為了實現(xiàn)這些性能,需要在轉(zhuǎn)向架上采用一些新型結(jié)構(gòu),如:單電機轉(zhuǎn)向架、彈性車輪、獨立車輪以及徑向轉(zhuǎn)向架等。
單電機轉(zhuǎn)向架(架懸式)輪軌沖擊小,噪聲也降低,但運用經(jīng)驗比較少,而且輕軌車輛一般采用交流牽引電動機,轉(zhuǎn)向架內(nèi)的空間足夠,因此單電機轉(zhuǎn)向架用的較少;采用彈性車輪也可降低噪聲減少輪緣磨耗,但只在軸重12t以下效果好,軸重較大時,由于橡膠強度等的限制,就不適用;獨立車輪在減少噪聲降低磨耗方面效果很好,在國外先進的輕軌車輛上運用比較成功,如德國的MGT-6D和NGT-6C、奧地利的TRAM CAR 輕軌車輛等[4],但這項技術(shù)在國內(nèi)尚無應用經(jīng)驗;徑向轉(zhuǎn)向架在國外運用比較成功,國內(nèi)的研究也已充分展開,干線鐵路上已通過線路試驗,證明可以有效降低橫向力。因此,利用徑向轉(zhuǎn)向架以減小輪緣與鋼軌的沖角,降低輪軌橫向力和輪軌磨損,從而降低維修成本,并降低噪聲,改善乘座舒適度是我國城市軌道交通建設(shè)提高車輛技術(shù)含量的最佳選擇。
事實上日本、加拿大等國家自80年代起就已經(jīng)將徑向轉(zhuǎn)向架應用于地鐵車輛上。加拿大在80年代中期開發(fā)的直線電機驅(qū)動輕軌車輛上采用了MKⅠ型迫導向轉(zhuǎn)向架,成功運用于多倫多、溫哥華及美國的底特律等城市。近期又在MKⅠ的基礎(chǔ)上,開發(fā)了MKⅡ型迫導向轉(zhuǎn)向架,并在馬來西亞吉隆坡的高架輕軌運營中取得了良好的效果。日本在90年代引進加拿大技術(shù)的同時,開發(fā)了內(nèi)置構(gòu)架與外置構(gòu)架兩種直線電機徑向轉(zhuǎn)向架,在東京、大阪、福岡等地鐵線路上運用,結(jié)果令人非常滿意[5]。
徑向轉(zhuǎn)向架在城市軌道交通領(lǐng)域達到實用化,對我國城市交通建設(shè)來說是一個大目標。擺式試驗車的試驗結(jié)果表明,我國自行研制的迫導向轉(zhuǎn)向架與自導向轉(zhuǎn)向架在直線上以120km/h速度以及在曲線(半徑300~1000m)上以80km/h速度運行時,脫軌系數(shù)、輪重減載率、垂向和橫向運行平穩(wěn)性均滿足《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》(GB5599-85)的要求[6],這表明,依靠我國自己的科研力量完全可以開發(fā)出達到實用化的徑向轉(zhuǎn)向架。借鑒日本的經(jīng)驗,我國可以根據(jù)現(xiàn)有條件,在引進關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上進行仿制并進一步開發(fā)具有我國特色的地鐵、輕軌用徑向轉(zhuǎn)向架。
4 結(jié)束語
國內(nèi)外的運用經(jīng)驗表明,輪軌表面磨耗過快是地鐵、輕軌系統(tǒng)中的慣性問題,而低成本、易維護保養(yǎng)的徑向轉(zhuǎn)向架是從根本上解決這一問題的有效途徑。當前最重要的是立足于我國自身的科研基礎(chǔ)研究開發(fā)機構(gòu)簡單、可靠性高的徑向轉(zhuǎn)向架,并盡快應用于已經(jīng)建成的地鐵和輕軌系統(tǒng)之中,產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
參考文獻
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[4]王伯銘. 輕軌車輛走行部的特點 [J].鐵道車輛,1999,12:16~17.
[5]楊利軍.直線電機徑向轉(zhuǎn)向架車輛結(jié)構(gòu)及性能分析[J]. 上海鐵道大學學報.第21卷.2000,2:81-94.
[6]舒興高等. 裝迫導向、自導向轉(zhuǎn)向徑向轉(zhuǎn)向架的客車第二次動力學性能試驗報告[R].北京:鐵道部科學研究院機車車輛研究所,2001.
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