動(dòng) 車(chē) 組 轉(zhuǎn) 向 架1

1、動(dòng) 車(chē) 組 轉(zhuǎn) 向 架 技 術(shù),北京交大機(jī)電學(xué)院金 新 燦,第一講 高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展及理論第一節(jié) 高速動(dòng)車(chē)組的興起 隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，城市之間的人員和物資交流日益頻繁，對(duì)城際間快速交通的需求顯著增長(zhǎng)。鐵路作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、大運(yùn)量的大眾化交通工具，在各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)生活中具有關(guān)鍵性的作用。二十世紀(jì)五十年代，鐵路遇到了航空和高速公路的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，促使各國(guó)鐵路進(jìn)行內(nèi)部

2、的體制改革和運(yùn)輸手段上的技術(shù)創(chuàng)新。,自上個(gè)世紀(jì)八十年代以來(lái)，世界鐵路進(jìn)入了高速化的新時(shí)期。世界各國(guó)在發(fā)展高速列車(chē)時(shí)均在高速轉(zhuǎn)向架上投入了很大精力，但目前只有少數(shù)國(guó)家的轉(zhuǎn)向架運(yùn)營(yíng)速度能夠達(dá)到或超過(guò)300km/h。其根本原因在于當(dāng)提高車(chē)輛速度的同時(shí)，保持和提高車(chē)輛的乘坐舒適性是非常困難的。目前運(yùn)行速度超過(guò)250km/h的高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架的典型代表有法國(guó) TGV列車(chē)的Y231、Y237，德國(guó)ICE 列車(chē)的MD530、SGP400和SF500，

3、日本新干線300系的TDT203、TR7001，500系的WDT205和700系的TDT204、TR7002。,第二節(jié) 國(guó)外主要高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架概述,1、日本新干線電動(dòng)車(chē)組的高速轉(zhuǎn)向架,隨著新干線高速列車(chē)不斷發(fā)展與改進(jìn)，其轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)與性能也不斷地在發(fā)展，開(kāi)發(fā)了多種系列的高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架。 據(jù)統(tǒng)計(jì)新干線電動(dòng)車(chē)組的高速轉(zhuǎn)向架前后共研制了30多種型式，其中有些是試驗(yàn)型，有些是成批生產(chǎn)型。就轉(zhuǎn)向架技術(shù)的發(fā)展而言，大體上可以

4、分為三代。第一代是以DT200為代表的無(wú)搖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)向架；第二代是以TDT203和TTR7001為代表的無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架；第三代是500系700系用的新型轉(zhuǎn)向架。,(1)DT200(DT201，DT202)型轉(zhuǎn)向架,DT200型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先是抑制蛇行運(yùn)動(dòng)，保證高速時(shí)的安全性；其次是性能不隨運(yùn)用時(shí)間而變化，當(dāng)然也要考慮減輕自重，剛性大和便于維修。主要用于0系列、100系列車(chē)。 DT200轉(zhuǎn)向架的主要特點(diǎn)是：①取

5、消搖動(dòng)臺(tái)，利用空氣彈簧的橫向剛度；②采用IS式軸箱定位裝置，利用橡膠襯套使前后左右有適當(dāng)?shù)膹椥?；③?chē)體采用全旁承支重；④裝有車(chē)輪踏面清掃裝置等。,,IS式軸箱定位裝置,(2)、300系TDT203，TTR7001型無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架,為了開(kāi)發(fā)既能滿(mǎn)足高速，曲線通過(guò)性能又良好的轉(zhuǎn)向架，日本鐵道綜合技術(shù)研究所不斷設(shè)計(jì)和改進(jìn)無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架，在1980～1988年間，先后研制推出了5種無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架DT9022、DT9023A/B、DT9023E

6、/F及WDT9024A型。這些轉(zhuǎn)向架在1986～1991年間進(jìn)行了大量試驗(yàn)，在提高速度、輕量化、提高乘坐舒適性方面取得了良好的效果。在此基礎(chǔ)上，日本東海鐵路客運(yùn)公司以DT9023E/F轉(zhuǎn)向架為原型，設(shè)計(jì)制造了用于300系電動(dòng)車(chē)組的新一代無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架TDT203型（動(dòng)力）和TTR7001型（非動(dòng)力）。,由于東海道新干線當(dāng)年所定的最小曲線半徑為2500m，而且曲線較多，所以進(jìn)一步提高速度不是很容易的。TDT203型轉(zhuǎn)向架與DT200型轉(zhuǎn)向架

7、相比，做了大量的改進(jìn)，重量減輕了2.1t，長(zhǎng)度減小了0.8m，屬于新一代即第二代無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架。TDT203和TTR7001型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,為了降低對(duì)軌道的破壞、提高高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，減輕了簧下重量；取消了搖枕、牽引拉桿、心盤(pán)和旁承，在謀求降低簧間重量的同時(shí)，取消了維修費(fèi)事的滑動(dòng)部位，使運(yùn)行性能不會(huì)隨運(yùn)用時(shí)間而惡化。,為了很好的兼顧并確保高速運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能，采用螺旋彈簧、圓筒橡膠組合的軸箱定位方式，取代過(guò)去的IS

8、式軸箱定位。采用了抗蛇行減振器。,,為了減輕車(chē)軸重量，做成內(nèi)徑60mm的平直型空心車(chē)軸。為了減輕車(chē)輪的重量，新造時(shí)的車(chē)輪直徑從現(xiàn)在的910mm改為810mm。與100系相同，踏面采用圓弧形踏面。軸箱體采用鋁合金(鍛造)，以減輕重量。,,a.TDT203型轉(zhuǎn)向架 b.TTR7001型轉(zhuǎn)向架圖 TDT203和TTR7001型轉(zhuǎn)向架（300系）,(3).500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型 高

9、速轉(zhuǎn)向架,500系電動(dòng)車(chē)組最高速度達(dá)350km/h，1997年開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。采用WDT205型新型無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架采用了許多新技術(shù)，如主動(dòng)懸掛控制、鋁合金制動(dòng)盤(pán)等。500系全部采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架重量減到6.5t。WDT205型轉(zhuǎn)向架軸距2500mm，中央空氣彈簧橫向跨距2600mm，輪徑860/790mm，其軸箱懸掛采用鋁制轉(zhuǎn)臂式，其定位剛度在縱向是每軸24.5kN/mm，在橫向是每軸9.8kN/mm。轉(zhuǎn)向架軸重11.2t，采用

10、空心軸。,圖 500系WDT205型動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架,700系動(dòng)車(chē)組的轉(zhuǎn)向架是TDT204型（動(dòng)力）及TTR7002型（非動(dòng)力），它的主要特點(diǎn)是采用半主動(dòng)控制減振器以控制車(chē)體的左右振動(dòng)。轉(zhuǎn)向架的二系懸掛為無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)，其軸箱定位裝置為螺旋彈簧+圓柱疊層橡膠，與300系的TDT203型和TTR7001型轉(zhuǎn)向架的軸箱定位裝置相同。500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型高速轉(zhuǎn)向架均可稱(chēng)為日本第三代高速轉(zhuǎn)向架。為進(jìn)一步提高舒

11、適度，這些轉(zhuǎn)向架上均采用了主動(dòng)或半主動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)，這也是第三代高速轉(zhuǎn)向架的一大特色。,,圖 700系電動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架,(4). E2系電車(chē)組用轉(zhuǎn)向架,E2系電動(dòng)車(chē)組是為適應(yīng)北陸新干線而研制的，轉(zhuǎn)向架為無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)，軸距2500mm，輪徑860mm，軸重13t，采用空心車(chē)軸，拉板式定位，圓柱滾子軸承。,2. 德國(guó)ICE系列高速轉(zhuǎn)向架,（1）ICE用MD530型轉(zhuǎn)向架1982年德國(guó)決定研制城間試驗(yàn)列車(chē)ICE，編組為2M+3T，設(shè)計(jì)速度為3

12、50km/h。在ICE試驗(yàn)列車(chē)的基礎(chǔ)上于1986年開(kāi)始研制ICE(或稱(chēng)ICE1)高速動(dòng)車(chē)組，設(shè)計(jì)速度280km/h，采用MD530型有搖枕轉(zhuǎn)向架。MD530型轉(zhuǎn)向架是在性能良好的MD52型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。固定軸距為2.5m，速度可達(dá)300km/h，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架重7.5t,車(chē)輪踏面采用DIN5573（UIC/ORES1002）磨耗型踏面。 由兩平行配置的彈性拉板構(gòu)成無(wú)磨耗的軸箱定位，在輪對(duì)軸箱與彈性拉板之間設(shè)有縱向彈性鉸，

13、它由金屬橡膠元件所構(gòu)成。由螺旋彈簧和與其平行,,配置的液壓減振器組成一系彈簧減振裝置.,圖 MD530型轉(zhuǎn)向架,（2）ICE2用SGP400型徑向轉(zhuǎn)向架 1993年秋，ICE2型電動(dòng)車(chē)組經(jīng)過(guò)對(duì)比調(diào)研，最后選用了SGP400型徑向無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架最大的改進(jìn)有三個(gè)方面: 輪對(duì)導(dǎo)向的改進(jìn);二系懸掛的橫向主動(dòng)控制系統(tǒng);電子控制回轉(zhuǎn)阻尼系統(tǒng)“DES”.：,,圖 SGP400轉(zhuǎn)向架,（3）ICE3用SF500型轉(zhuǎn)

14、向架由于采用動(dòng)力分散模式，ICE3動(dòng)車(chē)組的轉(zhuǎn)向架，不論是動(dòng)力還是非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架均要求具備高的運(yùn)行品質(zhì)，并要求整個(gè)壽命周期內(nèi)成本最底。為此，SGP公司和Adtranz公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制成了SF500型無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架8。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架均采用相同的形式。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為箱形焊接結(jié)構(gòu)，由兩根中間為凹形的側(cè)梁組成，一系懸掛是螺旋彈簧加垂直減振器，單側(cè)拉桿定位。二系懸掛為加有橡膠堆的空氣彈簧，以及裝有抗側(cè)滾裝置和抗蛇行減振器。,ICE3要求最高運(yùn)

15、行速度330km/h，為此每噸質(zhì)量的功率要從ICE1的10kW/t增加到20kW/t，同時(shí)要求最大軸重不超過(guò)17t，全列車(chē)中，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架各占50%。,德國(guó)SF500型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架圖,3. 法國(guó)TGV用高速轉(zhuǎn)向架 （1）第一代TGV-PSE用的Y231和Y230型轉(zhuǎn)向架1976年法國(guó)決定制造兩列TGV列車(chē)，1981年9月TGV-PSE開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)，營(yíng)業(yè)速度260km/h。1983年5月?tīng)I(yíng)業(yè)速度達(dá)到270km/h。TG

16、V-PSE所用的鉸接式轉(zhuǎn)向架為Y231型無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架為Y230型無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架均采用相同的結(jié)構(gòu)形式。,Y231轉(zhuǎn)向架軸距3m，輪徑920mm，自重7775kg，軸重17t，一系懸掛裝置由一組螺旋彈簧和二組鋼一橡膠夾層彈簧組成，該二組鋼一橡膠夾層彈簧同時(shí)可保證軸箱相對(duì)于構(gòu)架在橫向和縱向的定位。二系懸掛為高柔度的螺旋彈簧。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝兩個(gè)垂直減振器，兩個(gè)抗蛇行減振器和一個(gè)橫向減振器。其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置包括單

17、元式的踏面制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)和磁軌制動(dòng)。,（2）第二代TGV-A用Y237型轉(zhuǎn)向架第二代TGV-A運(yùn)行于大西洋沿岸，1989年投入運(yùn)行，最高運(yùn)行速度300km/h，1990年最高試驗(yàn)速度達(dá)到515.3km/h。TGV-A所用的拖車(chē)轉(zhuǎn)向架為Y237型。Y237轉(zhuǎn)向架與Y231相比，在結(jié)構(gòu)性能方面都有較大的改進(jìn)。軸箱懸掛改為轉(zhuǎn)臂定位，中央懸掛改用空氣彈簧，并加裝了抗側(cè)滾扭桿，基礎(chǔ)制動(dòng)取消了踏面制動(dòng)裝置。,Y231轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行中暴露出向車(chē)體傳

18、遞約10Hz的高頻振動(dòng)，與車(chē)體的彎曲振動(dòng)相耦合，導(dǎo)致運(yùn)行平穩(wěn)性不良，為此，采用由Continent公司制造的SR10空氣彈簧，使二系懸掛在垂向和橫向都具有高的柔性，使得車(chē)體在簧上的垂向和橫向自振頻率分別降低到0.7和0.75Hz。顯著地改善了車(chē)輛的垂向和橫向振動(dòng)性能，提高了在直線和曲線上的運(yùn)行平穩(wěn)性，因而這種懸掛不僅在TGV-A的Y237上使用，又在TGV-PSE的Y231的轉(zhuǎn)向架推廣應(yīng)用，Y237在二系懸掛中還加裝抗側(cè)滾扭桿裝置，這是

19、采用高柔軟性的二系懸掛后所必需的。,法國(guó)TGV Y237型轉(zhuǎn)向架圖,,圖 Y237型轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧及其與車(chē)端的連接結(jié)構(gòu),（4）第三代TGV-2N用237-A型轉(zhuǎn)向架為了滿(mǎn)足高客流量的需要，法國(guó)又研制了TGV-2N雙層客車(chē)，1995年投入使用，它能增加45%的載客量，為了仍保持17t軸重，采用鋁合金車(chē)體，同時(shí)要求轉(zhuǎn)向架進(jìn)一步減重，用于TGV-2N的動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架如圖11a，與以往動(dòng)力轉(zhuǎn)向架不同之處主要是用輪盤(pán)式盤(pán)型制動(dòng)取代了閘瓦踏面制

20、動(dòng)，每一輪對(duì)僅在一個(gè)輪子上安裝一套輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)，對(duì)角布置，采用鍛鋼制動(dòng)盤(pán)及粉末冶金閘片。拖車(chē)轉(zhuǎn)向架是Y237的改進(jìn)型Y237-A型轉(zhuǎn)向架，如圖11b。Y237-A的基本結(jié)構(gòu)與Y237相同，Y237-A轉(zhuǎn)向架在有的場(chǎng)合被稱(chēng)為Y237的改進(jìn)型，在有的場(chǎng)合被稱(chēng)為第3代(或第2.5代)TGV轉(zhuǎn)向架。,,圖 TGV-2N的動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架,,圖 TGV-2N的拖車(chē)轉(zhuǎn)向架(Y237的改進(jìn)型Y237A),4. 意大利的ETR高速轉(zhuǎn)向架1983 年意大

21、利鐵路對(duì)300km/h動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了可行性研究，著手開(kāi)發(fā)ETR500電動(dòng)車(chē)組。動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架支撐在2個(gè)軸箱螺旋彈簧上，軸箱用兩根對(duì)角布置的拉桿定位，橡膠元件可以保證構(gòu)架和軸箱之間的彈性聯(lián)接。 采用直徑為1100mm的整體車(chē)輪，車(chē)軸上裝有圓錐滾動(dòng)軸承的軸箱。二系懸掛裝置設(shè)有四個(gè)帶橡膠件的螺旋彈簧。 每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上裝有兩臺(tái)牽引電機(jī)，使用四個(gè)關(guān)節(jié)式橡膠元件和不傳遞垂直載荷的銷(xiāo)，把電機(jī)固定的轉(zhuǎn)向架上。,,圖 ETR500的動(dòng)

22、車(chē)轉(zhuǎn)向架,ETR500拖車(chē)轉(zhuǎn)向架是意大利鐵路（FS）早已使用的7195C型和Y0270S型的高速轉(zhuǎn)向架的改進(jìn)型。,構(gòu)架由兩根縱向梁和兩根管形橫梁組成，軸距3m，直徑為890mm的車(chē)輪具有雙波紋輻板，這種形狀可使車(chē)輪減輕簧下重量。一系懸掛的結(jié)構(gòu)與動(dòng)車(chē)相同，采用雙拉桿彈性定位。二系懸桂為高柔度螺旋彈簧加橡膠墊，每軸裝有三個(gè)制動(dòng)盤(pán)。ETR500約于1996年投入米蘭—羅馬之間的營(yíng)業(yè)運(yùn)行，最高運(yùn)行速度為275km/h。,,ETR500的拖車(chē)

23、轉(zhuǎn)向架圖,表 國(guó)外主要高速動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù),6．我國(guó)主要轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 根據(jù)轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行速度，即一般速度運(yùn)行、準(zhǔn)高速運(yùn)行及高速運(yùn)行，我國(guó)適應(yīng)不同速度等級(jí)的主要轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)懸掛特點(diǎn)可見(jiàn)表7至表10所示。這些轉(zhuǎn)向架主要包含209型系列、206型系列、CW型系列和SW型系列、以及動(dòng)車(chē)組CRH系列用動(dòng)力和非動(dòng)力系列轉(zhuǎn)向架。 209型系列轉(zhuǎn)向架是在我國(guó)傳統(tǒng)的客車(chē)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上改進(jìn)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、磨耗件少、檢修方便、運(yùn)

24、行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于23.6m和25.5m客車(chē)上。,206型系列轉(zhuǎn)向架屬U型客車(chē)轉(zhuǎn)向架系列。它的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是構(gòu)架側(cè)梁中部下凹成U形，使搖枕得以從構(gòu)架側(cè)梁中部上方通過(guò)。這樣的結(jié)構(gòu)形式，便于增加搖枕彈簧的靜撓度和加大搖枕彈簧的橫向距離。,CW型系列轉(zhuǎn)向架是在吸收了英國(guó)BT10高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架的先進(jìn)技術(shù)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制造的準(zhǔn)高速和高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架。 SW型系列轉(zhuǎn)向架是與日本川崎重工合作研制的產(chǎn)物，其性能優(yōu)越，維修便利。

25、,普通客車(chē)轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)表,準(zhǔn)高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)表,高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)表,轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意圖,第三節(jié) 高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架主要發(fā)展方向 由上述典型高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與主要參數(shù)可以看出高速轉(zhuǎn)向架的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)：(1) 采用無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)。使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，重量輕，無(wú)磨耗，易維護(hù)。(2) 進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化，并采用新結(jié)構(gòu)和新材料。實(shí)現(xiàn)輕量化， 減輕轉(zhuǎn)向架自重特別是簧下重量，降低輪軌沖擊。例如：空心車(chē)軸

26、、鋁合金齒輪箱和軸箱。,(3) 通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件分析和相關(guān)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，優(yōu)化懸掛參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非線性控制，兼顧高速穩(wěn)定性和曲線通過(guò)能力。(4) 采用主動(dòng)和半主動(dòng)懸掛裝置，提高高速列車(chē)的舒適性。(5) 開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向架故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，實(shí)現(xiàn)按狀態(tài)檢修，降低全壽命成本，保證高速運(yùn)行的安全等。,第四節(jié) 高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能高速轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能包含以下幾個(gè)方面內(nèi)容：高速運(yùn)行穩(wěn)定性：它主要是當(dāng)列車(chē)因

27、直線高速運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)的橫向自激振動(dòng)問(wèn)題，通常被稱(chēng)為蛇行穩(wěn)定性。它不但影響列車(chē)的平穩(wěn)性，而且也會(huì)導(dǎo)至脫軌，危及運(yùn)行安全。走行安全性：一般出現(xiàn)在列車(chē)通過(guò)曲線時(shí)，輪/軌作用力不當(dāng)而產(chǎn)生脫軌的可能性。 當(dāng)列車(chē)在直線上出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，也會(huì)引起脫軌的危險(xiǎn)。,舒適性：即走行部振動(dòng)平穩(wěn)性對(duì)車(chē)輛內(nèi)旅客的反映。它將反映在列車(chē)運(yùn)行中所有 線路和速度之中。曲線通過(guò)性能：是指列車(chē)通過(guò)曲線時(shí)，對(duì)軌道和轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生不利的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)作用力。,1.動(dòng)力學(xué)性

28、能（1）直線運(yùn)行穩(wěn)定性運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題是高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的首要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，它也是高速轉(zhuǎn)向架區(qū)別于低速轉(zhuǎn)向架的主要特點(diǎn)。傳統(tǒng)對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的分析，是由車(chē)輪踏面錐度及輪軌游間，建立的線性運(yùn)動(dòng)方程，求解蛇行運(yùn)動(dòng)速度和頻率?；蛴删€性微分方程穩(wěn)定性理論，求解失穩(wěn)臨界速度。實(shí)際上在高速直線運(yùn)行中出現(xiàn)的蛇行運(yùn)動(dòng)，是輪/軌滾動(dòng)接觸引起的自激振動(dòng)，研究這種自激振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，必須應(yīng)用非線性理論。有的采用線性理論和方法，有的采用部分非線性計(jì)算失穩(wěn)前的

29、臨界速度。,分析中發(fā)現(xiàn)，一系懸掛系統(tǒng)中的軸箱定位剛度和簧下質(zhì)量對(duì)直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有較大影響。臨界速度隨轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的參數(shù)不同而大不相同。此外，車(chē)輪踏面的等效錐度，軸距等對(duì)車(chē)輛臨界速度均有一定影響。,（2）垂向振動(dòng)平穩(wěn)性隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，即使高速鐵路的軌道不平順比一般鐵路更小，但也可能引起車(chē)體和車(chē)內(nèi)旅客承受很大的振動(dòng)。因此在高速鐵路發(fā)展初期，振動(dòng)性能曾經(jīng)是困擾高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的問(wèn)題之一?？諝鈴椈傻膽?yīng)用，成功地解決了車(chē)體振動(dòng)，特別是垂向振

30、動(dòng)及乘坐舒適性問(wèn)題。,2．高速列車(chē)運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性及其評(píng)價(jià)一般把安全性，平穩(wěn)性統(tǒng)稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)安全性和平穩(wěn)性的定量評(píng)價(jià)各國(guó)有所不同，從發(fā)展歷史看，由于測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)安全性與平穩(wěn)性的認(rèn)識(shí)也在不斷研究中更新。（1）運(yùn)行安全性及其評(píng)價(jià)高速列車(chē)走行部是決定列車(chē)能否在高速運(yùn)行時(shí)保證安全和平穩(wěn)的關(guān)鍵部件。運(yùn)行安全性（也稱(chēng)運(yùn)行穩(wěn)定性），是指為保證列車(chē)在設(shè)計(jì)規(guī)定的最高速度范圍內(nèi)，在規(guī)定的線路條件下，不會(huì)產(chǎn)生脫軌、顛覆和對(duì)

31、軌道產(chǎn)生破壞的基本性能。運(yùn)行安全（穩(wěn)定）性通常以脫軌系數(shù)、輪重減載率及傾覆系數(shù)來(lái)衡量。,（2）運(yùn)行舒適性及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)行舒適性(或稱(chēng)運(yùn)行平穩(wěn)性)是列車(chē)在規(guī)定的線路條件，以設(shè)計(jì)最高速度范圍運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，并盡量使乘客感到舒適，設(shè)備能平穩(wěn)工作的基本性能。一般均以測(cè)量車(chē)輛指定部位的振動(dòng)加速度及其計(jì)算值作為平穩(wěn)性或振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)值。測(cè)量位置首先是在車(chē)體的地板上或底架上。為了評(píng)價(jià)車(chē)廂內(nèi)旅客舒適性，還需用規(guī)定的測(cè)量方

32、法和設(shè)備測(cè)量座椅的振動(dòng)加速度。,（１）蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定判別計(jì)算輸出例,四、車(chē)輪踏面斜度和等效斜度,錐形踏面車(chē)輪在滾動(dòng)圓附近是一段斜度為λ的直線段，在直線段范圍內(nèi)車(chē)輪踏面斜度為常數(shù)。 當(dāng)輪對(duì)中心離開(kāi)對(duì)中位置時(shí)， 則左右車(chē)輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑發(fā)生變化，為,由以上關(guān)系可得出：,當(dāng)輪對(duì)橫移量保持車(chē)輪和鋼軌的接觸點(diǎn)在踏面的直線段范圍時(shí)， λ為常數(shù)。如輪軌接觸點(diǎn)范圍超出直線段范圍，則λ不再為常數(shù)，而是隨著輪對(duì)橫移量的變化而變化，

33、這時(shí)計(jì)算車(chē)輪踏面斜度要取其等效值，稱(chēng)為踏面等效斜度。 當(dāng)車(chē)輪磨耗后或車(chē)輪踏面為磨耗形時(shí)，車(chē)輪踏面外形不再存在直線段，這時(shí)可由輪軌接觸幾何關(guān)系求出輪軌橫移時(shí)左右車(chē)輪實(shí)際滾動(dòng)半徑之差，然后確定其踏面等效斜度：,磨耗形踏面車(chē)輪不存在直線段，故 不為常數(shù)，是輪對(duì)橫移的函數(shù)。,4.3 等效錐度 (UIC519),輪對(duì)橫向位移與等價(jià)錐度geq 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，適用軌距S = 1435 mm其它情況：,,S = 1435 mm

34、,穩(wěn)定性檢驗(yàn),傾擺檢驗(yàn),5. 輪軌接觸對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響,新車(chē)輪外形與R60型鋼軌外形的接觸產(chǎn)生低的等效錐度，對(duì)橫向穩(wěn)定性有力,仿真結(jié)果表明, 在正常操作條件下, 車(chē)輛滿(mǎn)足的技術(shù)規(guī)范要求為： Vmax = 200 kph + 10%,車(chē)輪的磨耗型外形 與R60 型鋼軌外形的接觸，不同的軌距, 產(chǎn)生高的等效錐度，因此需檢驗(yàn)橫向穩(wěn)定性。,,車(chē)輛動(dòng)力學(xué)及其對(duì)設(shè)計(jì)的意義,轉(zhuǎn)向架頻率與車(chē)體頻率的對(duì)比,要 求 性 能,,測(cè)力輪對(duì),,,轉(zhuǎn)向架參數(shù)的計(jì)

35、算 和協(xié)調(diào),,空氣動(dòng)力學(xué)及其對(duì)設(shè)計(jì)的影響,交叉風(fēng)的安全較低的空氣動(dòng)力阻礙,封閉的底架,空氣進(jìn)口,轉(zhuǎn)向架,受電弓,少量突出部件,表面摩擦,,流線型前端,,制動(dòng)散熱,較小的車(chē)輛間隙,,U,,,,,,,,,,,,,第五節(jié) 高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算及試驗(yàn)過(guò)程,1、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)作用載荷（或力）的分析確定 作為既承載又作用于線路上的高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行中承受著各種復(fù)雜且隨機(jī)的作用載荷（或

36、力），因此，如何分析確定這些載荷之間的組合及取值是十分必要的。,因此，作用在高速轉(zhuǎn)向架上的載荷主要從如下二個(gè)方面予以考慮：（1）超常載荷—指運(yùn)用中可能發(fā)生的最大載荷（2）模擬運(yùn)營(yíng)載荷—指實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常發(fā)生的載荷,2、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)在載荷作用下靜強(qiáng)度計(jì)算分析傳統(tǒng)方法是利用理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)來(lái)求解，其中，“力法”在鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中得到了普及和廣泛的使用，這種方法的計(jì)算精度較差，尤其對(duì)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形狀，計(jì)算誤差較大

37、。隨著有限元法的發(fā)展和普及，目前在對(duì)鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，有限元法已起到了主導(dǎo)作用，可以獲得較高的計(jì)算精度，并可以通過(guò)應(yīng)力云圖顯示結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布等。,3、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞分析與評(píng)定 為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的高速化，采用了輕量化的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，因此正確評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的安全性和可靠性是非常重要的。 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，作為走行裝置的重要部件，它承受著復(fù)雜的交變載荷。目前，在高速轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，已形成了以UIC規(guī)程和JISE4208

38、“鐵道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)通用條件”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)JIS技術(shù)條件）為代表的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)體系。,（1）UIC規(guī)程方法,Goodman疲勞極限線圖示意,（2）JIS技術(shù)條件方法,疲勞極限圖示意,第二講動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架基本要求與性能,動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架是保證列車(chē)200km/h及以上速度安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。隨著列車(chē)速度的不斷提高，對(duì)轉(zhuǎn)向架性能的要求也越來(lái)越高。同傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，保持高速運(yùn)行穩(wěn)定性、充分利用輪軌之間的粘著和減輕輪軌相互作用力是動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架特有

39、的任務(wù)和技術(shù)關(guān)鍵。,一、動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的基本要求與理念良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適感（動(dòng)力學(xué)）簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和輕量化（可靠性）方便出色的維修保養(yǎng)性（維修性）防止脫軌的安全性（動(dòng)力學(xué)）,1、良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適感柔軟的一系軸箱彈簧最優(yōu)化的軸箱定位支撐剛度無(wú)滑動(dòng)摩擦部件（可靠維修性）轉(zhuǎn)向架彈簧組（系）的最佳設(shè)計(jì),2、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和輕量化轉(zhuǎn)臂式軸箱支撐定位裝置無(wú)搖枕式構(gòu)架及車(chē)體支撐裝置單連桿式牽引裝置輕量化和強(qiáng)度與可靠性相結(jié)

40、合的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,3、良好出色的維修性便于組裝?拆開(kāi)的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方便輪對(duì)更換的二分割式軸箱結(jié)構(gòu)無(wú)滑動(dòng)摩擦部分，能夠長(zhǎng)期免維修,4、防止脫軌的安全性空氣彈簧前后剛度的柔軟化　?減少旋轉(zhuǎn)力矩軸彈簧上下彈簧系數(shù)的柔軟化　?出色的輪重變動(dòng)特性、以及　　　便利的輪重平衡調(diào)整,二、高速列車(chē)輪軌相互作用,隨著列車(chē)速度的不斷提高，輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相互作用將迅速增強(qiáng)。解決好機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道之間的動(dòng)態(tài)作用問(wèn)題十分重要，它將直接關(guān)系到高速列車(chē)的

41、行車(chē)安全和運(yùn)行平穩(wěn)性，及軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命。對(duì)于高速列車(chē)而言，降低軸重和簧下質(zhì)量將有效的減輕輪軌間的動(dòng)態(tài)作用，改善列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)和對(duì)線路的損傷。,軸重與軌道的關(guān)系 軸重增加會(huì)導(dǎo)致增加整個(gè)軌道及其各部件的損壞，特別是鋼軌的損壞。隨著軸重的增加，鋼軌承受輪載而產(chǎn)生的輪軌接觸應(yīng)力，軌頭內(nèi)部的剪切應(yīng)力，局部應(yīng)力和彎曲應(yīng)力將相應(yīng)增加，同時(shí)鋼軌疲勞循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力水平也將隨之提高，使鋼軌所能承受的載荷循環(huán)次數(shù)大為減少，縮短了鋼軌的

42、使用壽命。,研究結(jié)果表明，鋼軌頭部損傷幾乎全是疲勞損傷，而且都是由于超載引起的，鋼軌折損率隨軸重的增加而增加。其他軌道部件也同樣出現(xiàn)這種情況。由于各種疲勞現(xiàn)象而導(dǎo)致鋼軌的折損以及軌道幾何形位的破壞，都與軸重有關(guān)。法國(guó)依據(jù)鋼軌疲勞損傷統(tǒng)計(jì)資料的分析得到鋼軌疲勞折損率與軸載荷的2.25次方成正比的關(guān)系，美國(guó)則認(rèn)為與軸載的3.8次方成正比。接觸理論表明，輪軌面上的接觸應(yīng)力和軌頭的內(nèi)部剪切應(yīng)力與軸載成正比，且與車(chē)輪直徑及踏面外形有關(guān)。所以減小軸

43、重將可減少鋼軌的損傷和提高使用壽命。,日本高速列車(chē)為動(dòng)力分散式，早期軸重和簧下質(zhì)量較大，輪軌動(dòng)力作用和因此產(chǎn)生的鋼軌磨耗和破壞嚴(yán)重，所以日本高速列車(chē)的發(fā)展中、非常重視降低軸重。最大軸重從0系列的16t降至100系列的15t和300系列的14t，“歐洲高速鐵路聯(lián)網(wǎng)高速列車(chē)技術(shù)條件”在軸重中規(guī)定“允許的靜態(tài)軸重為17t。新建線路上和300km/h的速度時(shí)每個(gè)輪子作用在正常維護(hù)的線路鋼軌上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力之和不得超過(guò)170kN。,軌道不平順時(shí)的

44、輪軌相互作用 當(dāng)列車(chē)行駛過(guò)程中，如果存在車(chē)輪偏心和扁疤或遇到軌道不平順時(shí)，將產(chǎn)生輪軌間的沖擊載荷，這是造成線橋上部結(jié)構(gòu)及有關(guān)部件破壞的主要因素，這種載荷屬“動(dòng)態(tài)作用力”。動(dòng)態(tài)作用力的大小隨軌道不平順的長(zhǎng)度、深度，線路結(jié)構(gòu)彈性及阻尼參數(shù)，機(jī)車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)，行車(chē)速度及軸重和量下質(zhì)量的不同而變化。,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究表明此時(shí)鋼軌受到的沖擊載荷如下圖所示。由圖可以看出此時(shí)輪軌力P(t)隨時(shí)間變化出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在車(chē)輪越過(guò)鋼軌接頭后

45、的極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第一個(gè)力的峰值這是一個(gè)高頻力，稱(chēng)之為P1。車(chē)輪越過(guò)接頭后出現(xiàn)的第二個(gè)峰值，是個(gè)中頻力，稱(chēng)之為P2。,圖 接頭區(qū)動(dòng)力P1、P2,P1力是高頻瞬時(shí)沖擊載荷，其作用很快被鋼軌及軌道的慣性反作用力所低消，很快衰減，來(lái)不及向上和向下傳播，其破壞作用對(duì)鋼軌和車(chē)輪最嚴(yán)重，并且會(huì)引起道床振動(dòng)加速度對(duì)道床斷面的穩(wěn)定性的較大破壞作用。P2力是中頻動(dòng)載荷，可直接向鋼軌以下和車(chē)輪以上傳遞對(duì)軌枕、道床和路基的破壞較大，并造成列車(chē)重直動(dòng)力學(xué)性能

46、惡化。,下圖是在其它因素不變的前提下，行車(chē)速度不斷提高時(shí)P1力和P2力的變化情況。可以看出P1和P2力隨行車(chē)速度的提高而增大很快，當(dāng)速度由80km/h提高到250km/h時(shí)，P1力增加1倍，P2力增加0.8倍。,圖 各種車(chē)速下的輪軌沖擊力響應(yīng),國(guó)外高速列車(chē)非常重視車(chē)輛輕量化，降低軸重和減小簧下質(zhì)量。日本新干線高速列車(chē)的低軸重和較小的簧下質(zhì)量，減輕了車(chē)輛對(duì)線路的沖擊，減少了鋼軌的摩耗和損傷，降低了線路的基建投資和維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)減輕了輪軌