国内外铁路客车转向架悬挂系统的发展

国内外铁路客车转向架悬挂系统的发展

马有森 席智星 姚伟 刘艳霞 朱玉晗 韩烨

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130000

摘要：随着铁路客车运行速度的提高，轮轨间作用力和空气动力作用显著增强，这将导致车辆系统剧烈振动，影响乘坐舒适性，危害车辆运行安全。因此，对高速列车转向架和悬挂系统提出了更高的要求：转向架的结构要便于弹簧和减振装置的安装，悬挂系统能有效地抑制车体的振动，缓和车辆和行驶线路之间的相互作用，使之具有良好的减振性能，提高车辆运行平稳性和安全性，同时悬挂系统与轮对及车体之间的联结件尽可能少。

关键词：国内外铁路客车转向架悬挂系统的发展

1. 我国铁路客车转向架悬挂系统的发展

我国铁路客车转向架经历了50多年的发展, 不论从结构上、技术参数上、材质上, 还是从性能上、安全可靠性上、运用检修上都取得了巨大的技术进步。在引进、吸收、消化国外客车转向架技术方面, 走过了很长的路, 并在促进本国转向架技术发展方面起到了很大的作用。从十多年来出现的新型客车转向架可以看出, 我国铁路客车转向架的种类很多。从构架结构上分, 有铸钢结构转向架及焊接构架转向架, 有带均衡梁导框式转向架及无导框式转向架等;从轴型上分, 有C轴及D轴转向架等;从构造速度上分, 有120km/h转向架、140km/h转向架、160km/h转向架、200km/h及270km/h转向架等;从二系悬挂结构上分, 有有摇动台结构转向架、无摇台结构转向架及无摇枕结构转向架等;从二系悬挂弹簧形式上分, 有椭圆弹簧悬挂转向架、圆弹簧悬挂转向架及空气弹簧悬挂转向架等;从轴箱定位结构上分, 有各种导柱式轴箱定位转向架、小拉杆式轴箱定位转向架、转臂式轴箱定位转向架、拉板式轴箱定位转向架等;从基础制动装置结构上分, 有双侧高磷瓦(中磷瓦)踏面制动转向架、盘形制动转向架及复合制动转向架等等。高速运行中的客车转向架, 其工作条件比较恶劣, 因此对转向架各种性能的要求更高更严。客车转向架的发展趋势主要有:⑴ 减轻簧下质量, 以降低轮轨间的动作用力。⑵ 采取各种措施, 保证高速客车转向架有较高的失稳临界速度。⑶ 选择合适的弹簧悬挂系统, 确保客车转向架具有良好的运行稳定性和乘坐舒适性。在结构设计中, 多是采取加大转向架轴距和尽可能减小车轴轴承轴向间隙, 以及提高抗蛇行减振器和横向减振器的性能, 并且要求中央弹簧的刚度尽量小等措施。⑷ 在高速转向架中采用空气弹簧和橡胶件, 以降低噪声和隔离吸收高频。⑸ 采用单元式单侧制动和盘形制动的复合制动方式, 同时考虑采用磁轨制动和安装防滑器等, 以保证在规定的距离内安全停车。⑹ 其他:踏面采用优化磨耗形踏面, 选用适用于高速、低阻力、长寿命优质轴承;广泛采用耐磨耗、低噪音材料和结构等。

二、国外铁路客车转向架悬挂系统的发展

1.德国高速列车。德国第一台标准型客车转向架是在1890 年研制的，该转向架采用锻压铆接结构，一系悬挂为轴箱导框加板簧，二系悬挂由中央板簧、摇枕、摩擦旁承和心盘组成。20 世纪30 年代，德国在此基础上又开发出了Gorlitz 系列转向架。该转向架一系悬挂采用了双圆簧和单向双层拉板式定位，二系悬挂由摇动台、钢弹簧、摇枕、摩擦旁承和中心销组成。德国国铁于1996 年研制第二代ICE2 高速列车，采用了SGP400 型转向架，该转向架采用H 形焊接构架，一系悬挂采用螺旋钢弹簧与垂向液压减振器，轴箱轮对装置采用垂向液压导柱式定位，通过导柱与导筒之间的液体传递纵向力和横向力，属于弹性定位；二系悬挂采用空气弹簧和横向液压减振器。德国第三代高速列车ICE3采用SF500 型转向架，该转向架一系悬挂采用钢螺旋弹簧与垂向液压减振器，轴箱采用转臂式橡胶弹簧节点定位，定位转臂一端与圆筒形轴箱体固接，另一端以橡胶弹簧节点与转向架构架相连；二系悬挂采用大气囊空气弹簧和横向液压减振器。其发展特点为：一系悬挂是从板簧到圆弹簧和液压减振器，二系从钢弹簧到空气弹簧，摇枕从有到无。

2.法国TGV 列车。法国上世纪40 年代以前铁路客车转向架使用的大部分都是美国Pennsylvania 型，该转向架采用铸钢构架，一系悬挂为轴箱导框加均衡梁结构，二系悬挂采用摇动台、板簧及摇枕的模式，承载方式为摩擦旁承加心盘的组合。后来，法国国铁在Pennsylvania 转向架的基础上研制出了Y16 型转向架，接着又研制出了Y20 型、Y24 型和Y26 型转向架，1968 年首次采用了空气弹簧的Y26 型转向架投入使用。期间法国还开发研制出了Y28 型和Y32 型转向架，Y32 型转向架采用了H形焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，二系悬挂由高圆钢簧、横向和垂向液压减振器、摇枕及抗侧滚扭杆装置组成，采用了盘形制动和磁轨制动。该转向架采用了H 形焊接构架，一系悬挂为橡胶节点转臂定位，二系悬挂为大容积高柔性空气弹簧、横向、垂向和抗蛇行液压减振器、抗侧滚扭杆及Z 字形拉杆牵引装置，基础制动装置采用了盘形制动。其发展特点为：车体间铰接方式，构架采用H 形焊接，一系悬挂为橡胶。

三、国内外高速列车悬挂系统技术的比较

日本在500 系两个头车采用了主动悬挂控制，在绿色车采用了半主动悬挂控制，在700 系列车采用半有源悬挂系统，能较好地抑制列车振动；E2 系1000 型新干线车辆上安装了有源悬挂系统，采用气压作动器和控制策略的主动悬挂装置，乘坐舒适性得到明显的改善弯道行驶与直道行驶具有一样的舒适性。法国TGV 高速列车中间车体采用铰接式连接，由于转向架数量少，列车整体空气动力学性能提高，同时二系悬挂采用支撑点较高，车体的侧滚振动得到抑制。意大利ETR500 型高速列车采用新型二系悬挂装置和横向主动悬挂系统；西班牙AVE 型列车在法国TGV-A 基础上改进，具有良好的气密性能和防噪声干扰，在弯道和隧道地段运行能保证良好的乘坐舒适性。韩国KTX 型高速列车是从法国TGV-A 高速列车衍生的新产品，车体间采用铰接式连接，拖车间共用一台转向架，车体振动和噪声小，故旅客乘坐舒适性提高。我国的高速列车悬挂系统主动控制还处于试验研究阶段，但是在转向架机械装置上进行了改进：2 个相互铰接的T 形框架焊接成H 形转向架，构架具有柔性连接点，能适应弯角较急的曲线，提高了列车操纵平稳性；以中心横梁牵引装置来代替现有的摇枕传递结构，可以降低转向架整体重量，便于检修，减小了噪声的产生，还能提高乘客乘坐舒适性

结束语：我国在发展高速列车转向架时，可以借鉴国外先进转向架技术，同时也要结合我国铁路实际情况，对悬挂系统设计参数不断优化，研究新颖的减振器和控制规律，研发能够拥有完全自主知识产权的高速列车，发展具有中国特色的高速列车转向架，实现转向架悬挂系统技术与国际全面接轨，成为高铁强国，引领世界高铁技术的发展。

参考文献：

[1]苗秀娟, 何侃. 高速列车转向架区域积雪形成原因及防积雪研究[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2018, 49(3): 756-763.

[2]许淑萍. 200 km/h 客运电力机车转向架构架轻量化设计[J]. 科技创新与生产力, 2018(6): 98-100.

[3]王子栋, 李靓怡, 张超, 等. 铁路客车转向架构架组焊工艺研究[J]. 城市轨道交通研究, 2020, 23(2): 131-132.