径向转向架及其在地铁、轻轨车辆中的应用

摘要:论述了径向转向架的原理及其在减轻轮轨表面磨耗方面的作用。根据地铁、轻轨车辆走行部的结构及技术特点,探讨了径向转向架在我国地铁、轻轨车辆中运用的必要性和可行性。

关键词：交通 运输 发展
    进入21世纪,我国城市轨道交通获得了较快的发展,由于安全、快捷、舒适等优点,城市轨道交通备受青睐,在改善城市交通拥挤状况、快速集散客流、促进经济发展中起了非常重要的作用。然而,在我国已经开通地铁的北京、上海、广州等城市都不同程度地存在着曲线上钢轨内侧面和轮缘磨耗过快,导致维修费用高居不下的问题。同时,车轮轮缘切咬钢轨产生的尖啸声,也对城市环境造成了噪声污染。采用径向转向架是解决上述问题的途径之一。
    1径向转向架
    径向转向架是为了提高车辆的曲线通过能力而在常规转向架的基础上设计出的转向架,广泛应用于货车、准高速列车和摆式列车上。近年来出于减轻轮轨磨耗,提高运行安全性的需要,径向转向架开始应用于城市轨道交通车辆上,并在日本、加拿大等国家获得了成功。径向转向架与普通转向架的区别在于曲线通过方式的不同,如图1所示。图中左侧是普通转向架,右侧是径向转向架。从图中可看出,径向转向架在通过曲线时的冲角比普通转向架要小,因此第一轮对的横向力可以降低,从而减轻轮轨磨耗[1]。
    径向转向架的历史相当久远。根据舍菲尔的报告,13世纪的马车时代就出现了十字交叉拉杆的车轮连接方式。舍菲尔在博物馆发现了资料,受到启发,设计了舍菲尔型径向转向架。而转向角连锁方式径向转向架的发明者称,其基本思路是出自18世纪后期已经在美国注册的专利。
    早期设计的径向转向架由于未经过车辆动力学方面的优化设计,连接机构多带有多余结构,不仅增加了转向架制造成本,而且由于簧下重量的增加还影响了振动特性,因此多数难于推广普及。可以说,这正是铁道机
    图1 径向转向架的曲线通过方式
    车车辆及转向架动力学理论得以问世的缘由之一。径向转向架设计的关键是在保证轮对按照预想的轨迹顺利回转而通过曲线的同时,还要保证转向架具有较高的运行稳定性。所谓稳定性,就是在直线运行时无论外界怎样干扰均不发生蛇行运动失稳。一般来说,这两者互相限制,难以兼顾。1973年英国国铁研究所的wickens提出了具有划时代意义的等价定位刚度理论,为开发径向转向架提供了理论上的依据。基于这一理论,世界各国开发出各种不同结构的径向转向架。
    最简单的径向转向架是适当减小轮对纵向定位刚度,利用轮轨之间的蠕滑力使轮对自动导向。具有十字交叉拉杆连接机构的径向转向架也是利用轮对的自导向功能进行导向。但是这两种径向转向架的导向能力有限,因此又出现了利用车体与构架和轮对之间的连接机构强迫轮对转向的转向角连锁方式。按照是否利用了轮对的自导向功能可以把径向转向架分为两类——自导向转向架和迫导向转向架。为了进一步提高轮对的导向功能,法国有关研究机构又提出了采用控制方式的径向转向架的概念,本质上也属于迫导向转向架。根据径向转向架功能和结构的不同,表1列出了到目前为止世界各国正在研究和已经应用的径向转向架。纵向栏目是概念和功能,横向栏目表示以常规转向架为基础,增加的附加装置的结构特征。该表不一定包括全部,表中带“*”的表示已达到实用化,其它表示处于试制阶段。
    表1 径向转向架的分类
    2.径向转向架在减轻轮轨磨耗方面的应用经验
    径向转向架的出现,为铁路提高运行性能,降低维护费用提供了可能,因此很快在西方铁路发达国家得到广泛的应用,尤其是在机车和摆式列车上。运用经验表明径向转向架在减轻轮轨横向力和磨耗方面的确有着显着的效果。
    美国SD60MAC型机车装用EMD径向转向架之后轮缘磨耗明显减少[2];装有自导向径向转向架的德国VT611摆式动车组在曲线上可提高运行速度25%,当线路曲线半径大于400m时,轮对的径向能力较强,有效降低了横向力;瑞士SIG公司的迫导向转向架摆式客车,在半径为300m的曲线上轮轨磨耗减小30%,横向力降低50%,效果非常好;日本的283系客车采用径向转向架在曲线上运行时,轮轨横向力降低了33% ~50%[3]。
    我国首次在摆式客车试验车上应用径向转向架,已经