（车辆工程专业论文）铰接式转向架在城轨车辆中的应用及其性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 城市轨道交通在城市交通运输市场中有着举足轻重的地位，为城市的发 展起着非常重要的作用。现今，全世界越来越多的大中型城市都己建成城市 轨道交通系统，使得诸多新结构、新材料、新工艺在城市轨道交通运输装备 的设计和制造中得到了广泛的应用和发展。 铰接式转向架相对于常规转向架而言，在结构形式上并无太大区别，因 此仍然属于常规转向架的一种。但是铰接式转向架的工作位置与传统车辆中 常规转向架的位置不同，铰接式转向架设置在相邻车辆的连接处。由于这种 特殊性，使得铰接式转向架相对于常规转向架既有优势也有不足之处。在国 外，铰接式转向架已经广泛应用于高速铁路，城郊快速客运，货运铁路等多 方面，具有广阔的应用前景。在我国，铰接式转向架车辆应用较少。因此， 本文展开对铰接式转向架在城市轨道车辆中应用的设计研究，旨在通过研究 确定铰接式转向架在城市轨道交通中应用的可行性。 论文首先介绍了我国城市轨道交通的发展情况，然后引入铰接式转向架 的特点，并针对其特点在城市轨道交通中的利弊做了说明。同时介绍了铰接 式转向架在国外的应用情况。其次分析了城轨车辆主要技术参数的选取原则， 给出了铰接式转向架城轨车辆主要技术方案。在此基础上以国外铰接转向架 为参考，设计了铰接式转向架结构方案，以便进行动力学性能分析。最后， 对轮对，构架和车体进行了受力分析，给出了其动力学方程，并利用动力学 仿真软件s i m p a c k 建立了动力学仿真模型。从而对转向架的主要悬挂参数 进行了优化分析，得出稳定性、平稳性和曲线通过综合性能较好的参数组合， 并以优化的参数对5 联车组动力学性能进行分析以及与传统车辆进行对比。 论文最后得出结论，铰接式转向架能满足在城轨交通车辆中的应用。铰 接式转向架的应用对列车动力学性能的改善具有一定的作用，尤其在列车横 向平稳性以及缓和曲线通过时车轮减载方面具有良好效果。在我国城轨交通 系统大量建设的初期，充分利用国外的成功经验，结合我国城轨车辆发展的 实际情况，研制具有自主知识产权的铰接式城轨车辆转向架，这对于推动城 市交通运输装备发展、改善城市交通状况、保护环境具有重要的意义。论文 的研究为今后我国铰接式转向架的发展研究提供了一定的理论基础。 关键词：城市轨道交通车辆；铰接式转向架；结构设计；动力学仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - iiii i _ _ l _ _ _ _ _ l _ - l _ l - i i a b s tr a c t u r b a nr a i lt r a n s i th o l d sas i g n i f i c a n tp o s i t i o ni nt h ec i t yt r a n s p o r t a t i o nm a r k e t i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t y n o w a d a y si nt h ew h o l e w o r l d ，m o r ea n dm o r el a r g ec i t i e sh a v ea l r e a d yb u i l tu pt h eu r b a nr a i lt r a n s i t s y s t e m ，w h i c hm a k e sag r e a td e a lo fn e ws t r u c t u r e ，n e wm a t e r i a la n dn e wc r a f t w i d e l yu s e da n dd e v e l o p e di nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ff a c i l i t i e sf o ru r b a n r a i lt r a n s i t a st ot h et r a d i t i o n a lb o g i e ，t h ea r t i c u l a t e db o g i ed o e sn o tm a k eag r e a t d i f f e r e n c ei nt h es t r u c t i o n s oi ts t i l lb e l o n g st ot h ek i n do ft h et r a d i t i o n a lb o g i e b u tt h e w o r k i n gp o s i t i o n o ft h ea r t i c u l a t e d b o g i ew h i c hi s l o c a t e da tt h e c o n n e c t i o nj o i n tb e t w e e nt w ov e h i c l e sd i f f e r sf r o mt h et r a d i t i o n a lb o g i e b e c a u s e o ft h i sp a r t i c u l a r i t y ，a r t i c u l a t e db o g i e sh a v eb o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a b r o a d ，a r t i c u l a t e db o g i e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a y ，t h e u r b a nr a i lt r a n s i ta n dt h ef r e i g h tt r a n s p o r t a t i o nr a i l w a y i no u rc o u n t r y ，v e h i c l e s w i t ha r t i c u l a t e db o g i e sw e r el e s st ou s ei nt h eu r b a nr a i lt r a n s i t s ot h i sp a p e r m a k e sr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ft h ea r t i c u l a t e db o g i ei nt h eu r b a nr a i lt r a n s i t ， w h i c ha i m sa tt h ef e a s i b i l i t yt h a tt h ea r t i c u l a t e db o g i ec a nb eu s e di nt h eu r b a n r a i lt r a n s i t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eu r b a nr a i lt r a n s i ti no u rc o u n t r y a tf i r s t t h e ni tm a d eo u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r t i c u l a t e db o g i ea n di t sp r o s a n dc o n sf o rt h eu r b a nr a i lt r a n s i t m e a n w h i l e ，i ts h o w e dt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n o fa r t i c u l a t e db o g i e sa b r o a d s e c o n d l y ，p r i n c i p l e so fc h o o s i n gt h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e ro fu r b a nr a i l c a rw e r ea n a l y z e da n dt h em a i nt e c h n o l o g i c a ls c h e m eo f t h ea r t i c u l a t e db o g i ef o ru r b a nr a i l c a rw a sc o n f i r m e d o nt h i sb a s i s ，t h es t r u c t u r e s c h e m eo ft h ea r t i c u l a t e db o g i ew a sd e s i g n e db yc o n s u l t i n ga r t i c u l a t e db o g i e si n f o r e i g nc o u n t r i e si no r d e rt oc a r r yo nt h ea n a l y s i so fd y n a m i cp e r f o r m a n c e a tt h e e n do ft h ep a p e r ，w h e e l s e t ，f r a m e w o r ka n dc a rb o d yw e r em a d es t r e n g t ha n a l y s i s d y n a m i ce q u a t i o n so ft h e mw e r ep r o v i d e da n dd y n a m i ce m u l a t i o nm o d e lw a ss e t u pb yt h es i m p a c k t h e nt h em a i np a r a m e t e r so ft h eb o g i ew e r eo p t i m i z e ds o a st og e tt h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h es t a b i l i t y ，c o m f o r ta n dc u r v i n gp e r f o r m a n c e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 - _ - l l _ _ _ _ - _ _ _ l - - _ l _ i _ _ _ _ _ _ i l l _ _ l l i l i _ _ i _ i l l _ - i - - - l l _ _ i _ - _ l i - _ _ - l l - - _ _ _ l - _ _ _ l _ - i _ l _ - _ _ _ l _ - _ l _ - _ - l a f t e rt h a t ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f5 - u n i tw a sa n a l y s e db yt h o s ep a r a m e t e r s a n dw a sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h et r a d i t i o n a lv e c h i l e c o n c l u s i o nt h a tt h ea r t i c u l a t e db o g i ec a nb eu s e di nt h eu r b a nr a i l c a rw a s m a d ea tl a s t t h ea p p l i c a t i o no fa r t i c u l a t e db o g i e sd o e sg o o dt oi m p r o v et h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft r a i n s ，e s p e c i a l l yi nt h eh o r i z o n t a lc o m f o r ta n dr e d u c i n g t h ew h e e ll o a dw h e np a s s i n gt h et r a n s i t i o nc u r v e i nt h ei n i t i a ls t a g eo ft h eg r e a t c o n s t r u c t i o no fu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mi no u rc o u n t r y ，d e v e l o p i n ga r t i c u l a t e d b o g i e sf o ru r b a nr a i l w i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t st h r o u g hf u l l y u t i l i z i n gf o r e i g ns u c c e s s f u le x p e r i e n c ea n dc o m b i n i n gt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c eo f u r b a nr a i l c a rd e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r yh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g sf o rd r i v i n g t h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ct r a n s p o r t a i o nf a c i l i t i e s ，i m p r o v i n gt h eu r b a nt r a f f i cj a m s t a t ea n dp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t r e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e ss o m e t h e o r yf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ea r t i c u l a t e db o g i ei no u rc o u n t r yf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ： u r b a nr a i l c a r ；a r t i c u l a t e db o g i e ； s t r u c t i o nd e s i g n ；d y n a m i c s i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：；拒鼢屯指导老师签名：l 谌冷 日期：弘彤1 2 1 日期：如滞版8 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文第三章设计了运用在城市轨道交通车辆中的铰接式转向架结构方 案，并对其动力学性能参数进行了优化，并与城轨车辆常规转向架进行了对 比，目前国内这方面研究较少。 学位论文作者签名：i 灿莲i 弓 日期：彬，lq 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 1 8 2 5 年，世界第一条铁路在英国诞生。这种建立在轮轨关系基础上的轨 道交通不断发展，与之相关的基础理论研究不断更新，工程运用越来越普及 和成熟，如今轨道交通已经成为人类陆上运输的一种主要交通方式，对人类 的日常生活和现代社会的的经济发展起着积极重要的作用。尤其是2 0 世纪 初，随着西方国家城市化进程的加快，城市规模的不断扩大，迫切需要一种 适用于城市公共交通的运输体系。由传统的铁路交通经过逐步演化、衍生而 成的城市轨道交通的雏形开始形成。经过不断发展和完善，作为一种相对独 立的交通系统，轨道交通在城市公共交通方面正在发挥着巨大作用。 我国进入2 1 世纪后，随着社会的进步和社会主义市场经济的发展，特别 是工业化的不断深入，各大中型城市人口迅速增加，使得城市交通日益拥挤， 仅是地面的公路交通已远不能满足城市交通流量的需求。不仅如此，越来越 多的汽车给城市的环境质量带来了极大的危害。从而由地面、地下和高架组 成的立体式城市轨道交通系统作为解决城市交通问题的重要途径已开始被广 泛运用i l ，z j 。种类繁多的轨道车辆以其大运量、高速、节能、环保、准时和经 济等诸多优点满足着不同城市的不同需求【3 】。目前，北京、上海、广州、深 圳、天津、重庆、南京、武汉、大连、长春等大型城市已建成部分城市轨道 交通系统，哈尔滨、成都、沈阳等也正在积极建设中。轨道交通系统是一种 投资大，周期长的系统工程，虽然许多城市都正在或规划建设轨道交通系统， 但由于财政紧张，轨道交通的发展仍然比较缓慢。所以研发和制造技术水平 高、整车性能好、经济实用、适合我国国情的国产轨道交通车辆是我国轨道 交通发展的重要课题h j 。 各种城市轨道车辆的主要区别体现在其走行部的不同，现在较为普遍的 是类似干线铁路列车所使用的传统转向架。除了传统转向架外，还有单轴转 向架、独立旋转车轮转向架和单轨列车转向架等等，都是为了能满足城市轨 道交通各种不同的要求【1 引。转向架作为轨道交通车辆的关键部件之一，承担 着车辆的承载、牵引、走行及制动等重要作用，直接影响车辆的运行安全和 乘坐舒适性，是车辆制造业技术含量最高的领域之一，也是衡量整车技术水 平的关键部分。当前，全球范围内城市轨道交通装备的供应之所以被少数企 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 业所垄断，就是因为其掌握着包括转向架在内的车辆系统关键技术及相关专 利。回顾国外城市轨道车辆的发展历程可以发现，根据各自的运用要求和使 用环境的不同，城市轨道交通车辆及其走行装置的结构形式可谓丰富多彩， 结构设计灵活多变，有别于传统常规转向架的设计理念，各种设计独特、性 能优良的非常规转向架，因具有更好的线路适应性和针对性而被成功的采用。 本论文要研究的是铰接式转向架在城市轨道交通车辆中应用。 铰接式转向架相对于传统转向架，其最大的区别在于转向架的工作位置 不同。相邻两车在车辆连接处共用一台转向架，该转向架通过铰接装置将前 后车辆连接起来，故名铰接式转向架，又称为雅可比转向架。铰接式转向架 是一种新型的转向架，在技术上具有独到之处，能适应城市轨道交通车辆的 运用要求。此外，由于铰接式转向架结构的特殊性，使其具有的运行低噪声、 曲线通过性能好、运行稳定性和平稳性好，减小运行阻力等诸多优点，在国 外已成功运用于城轨车辆、高速客车和货车【5 12 1 ，充分表明铰接式转向架技 术是成熟、可靠的，具有广阔的应用前景和生命力。我国城轨交通系统大量 建设的初期，应充分利用国外的成功经验，结合我国城轨车辆发展的实际情 况，研制具有自主知识产权的铰接式城轨车辆转向架，这对于推动城市有轨 交通系统的建设、改善城市交通拥挤状况、保护环境、提高人民生活质量具 有重要的意义。 1 2 城市轨道交通特点 城市轨道交通主要包括市内地下铁道、街面、高架线路和市郊的轻轨线 路，具有准时快捷、高效节能、环境污染小、运量较大等特点。由于在城市 中或市郊运行，城市轨道车辆转向架还应适应城市轨道交通的特点 1 3 , 1 4 ： ( 1 ) 对运行速度要求不很高，但在市内区段运行时，站间距较短，起动 和制动频繁，列车加速度或减速度较大。 ( 2 ) 线路曲线多，半径小，缓和曲线短，顺坡率大，要求车辆转向架具 有更好的曲线通过性能。 ( 3 ) 高峰期和低峰期客流变化量大，且分布不均，要求转向架具有良好 的空重车性能，保持相邻车地板面的高度基本一致。 ( 4 ) 由于是在人口密集的城市中运行，对列车运行过程中安全可靠性要 求高，对列车运行产生的噪声和环境污染等有十分严格的要求。 由于城市轨道交通的这些特殊性，因此城轨车辆也必须与之相适应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 铰接式列车及其转向架的主要特点 翌 卫 圃 卫 幽 0 三奢吨= = = 三兰兰叫一二三二二二； 图1 1t g v 高速列车总体布置图 在传统结构的列车中，每辆车由两台转向架支承，车辆之间通过车钩缓 冲装置连接。而铰接式列车在列车总体布置以及转向架结构上均有所不同， 其主要的特点是，车辆之间采用具有铰接结构的转向架，即相邻两车端共用 一台转向架。就t g v 铰接式高速列车而言，如图1 1 ，头车和尾车使用传统 动力转向架，中间车辆使用铰接式转向架；中间车一端为支撑端，另一端为 铰接端；支撑端车体端墙的两侧设空气弹簧承台，中央设有下球面心盘座； 车体的载荷经弹簧承台传至空气弹簧，再到构架。相邻车体的铰接端端墙中 央设有上球面心盘，搭接于相邻车体支撑端的下球面心盘上，车体的一半重 量经心盘传至支承端；另外两车之间的纵向力也通过该球面心盘传递；中间 车体呈三点支撑。但列车为两端动力集中，向前向后均可以运行，动车与拖 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 车为车钩连接，连接处两端使用传统转向架，中间r 4 车设置成四点支撑状 态，其后面拖车与前面拖车呈反向三点支撑状态。 该铰接式列车结构型式的最大优点在于 15 】：整列车转向架数量大大减 少，十辆编组的列车只需要1 3 台转向架，减轻了车辆自重，减小了运行时轮 轨阻力，在同样的运行工况和轴重条件下，可以降低车轮对钢轨的冲击能量， 从而减小钢轨的磨耗和对线路的损坏，提高列车和轨道的运用效益。不仅如 此，由于转向架数量的减少，有效地降低了轮轨接触噪音，减小了钢轨和轮 对之间磨耗产生的污染。 铰接式列车相邻车辆连接在一台转向架上，车体之间不需要车钩缓冲器， 但安装有纵向液压减振器。横向液压减振器安装在车体上部与活动框架之间， 由此也可以比较容易的保证两车在空重车时的高度一致。纵向液压减振器同 时起到抑制车体点头和摇头振动的作用，横向液压减振器起到抗侧滚作用。 多个纵、横向减振器相连，减少了纵向冲击，增强了列车的整体性，改善了 整列车的运行平稳性、稳定性和安全性：t g v 高速列车曾发生过一次脱轨事 故，事故后只是动车和相邻一辆拖车脱轨，全列车没有分离，没有人员伤亡。 传统连接方式 口 长车体 相 几 i _ _ _ _ _ _ _ - - 一 短车体 图1 2 短车体铰接连接优势 曲线通过方面，由于转向架位于车辆连接处，相邻车辆通过曲线是相对 横向位移很小，主要是绕铰接点做回转运动，有利于车辆通过曲线。另外有 研究表明【1 5 】采用磨耗型踏面的铰接式转向架，通过设置合适的悬挂参数，可 以做到轮轨间无两点接触，能实现全蠕滑导向，具有良好的曲线通过性能。 不仅如此，铰接式列车车辆采用短车体，短车体较长车体在曲线通过时具有 一定的好处。城市轨道交通线路比干线的曲线半径一般要小，若车辆长度及 车辆定距同时减小即采用短车体的话，如图1 2 所示【1 6 】，可减小车体间纵向 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 载荷产生的横向分量，将有利于车辆的曲线通过。并且利用铰接连接结构的 优势，可以很好地适用于小半径曲线线路。原因在于，类似于圆弧曲线的直 线段逼近，当每一段直线段长度越短，就可以越平滑地趋近于圆弧曲线。同 时，由于车体长度短，车辆在曲线区段交会时的间隙较长车体大，因此在相 同的限界情况下就可以将车体的宽度加大，从而增加客室面积，增大车辆的 定员数。 不仅如此，关于相邻轮对之间在运行时的动力耦合关系的研究表明【l 引， 在轨道弹性良好的情况下，车轮处轨道位移对相邻车轮的影响比较大；在 2 0 0 h z 的强迫振动频率附近，轮对经由钢轨波传递引起的相互之间的动力作 用十分明显。随着转向架及轮对数量的减少，车辆系统的线路激扰输入以及 轮对间的耦合作用也随之减小，随之引起的振动及轮轨接触噪声也自然得以 降低。另外，轮对在转向架中属于簧下质量，研究表明【1 8 2 3 】，簧下质量对轮 轨力特别是低频作用力( 即指机车车辆系统与轨道线路系统受脉冲激励而出 现的中低频响应力) 影响很大，它可以直接向轨下部件传播，因而对轨道变 形及轨下基础破坏起主要作用。如果每轮对簧下质量增加1 0 0 k g ，这种力将 增加4 5 k n 。而轮对在转向架整体重量的构成当中占有相当大的比例。对于 常规的电动车组，其转向架重量约占车组总重的1 3 ，故减少转向架和轮对 数量所取得的减重效果是最为明显和直接的【l6 1 。研究还表n t 2 4 1 ，采用铰接式 连接和单轴转向架可使车组重量降低7 1 4 ，最多可节省9 的牵引功率。 这对线路状况较差的城市轨道交通和日趋严重的能源问题而言是十分有利 的。 同时，采用铰接式转向架后列车轮对数量的减少，对于降低维护成本和 减少检修工作量也是极为有利的。从目前轨道车辆( 铁路及城市地铁、轻轨 系统) 的运用经验表明，在车辆日常维护作业当中，绝大部分的内容都是涉 及轮对和转向架的，因此转向架和轮对数量的减少，可以在一定程度上减少 维护降低成本。 当然，铰接式转向架也存在一定的不足： ( a ) 转向架数量的减少也增加了分配到每根轴的重量，因此在同样条件 下，降低轴重方面比较困难。 ( b ) 铰接结构的特殊性也使得列车编组的灵活性受到一定限制，列车一 旦发生故障，必须整列车停止运行，而不能使其中一辆解除，其他车辆仍然 继续运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 铰接式转向架运用优势 铰接式转向架满足现代城市轨道交通的要求，并且其结构特点和优点可 以改善城市轨道交通车辆的性能。日本的e 9 9 3 系列车以及后来的e 3 3 1 系就 是城市轨道交通使用铰接式转向架的成功例子【9 , 2 5 】。铰接式转向架车辆相对 于传统转向架车辆还有一个突出的优点在于比较容易的降低车辆地板面高 度，实现车辆低地板。现代城市轨道交通要向着方便快捷，以人为本的方向 发展，低地板车辆能方便乘客上下车辆，简化车辆站台的设计，因此得到了 世界上众多城市的青睐。在国外，低地板技术在城市轨道车辆中应用已经相 当广泛，行驶于街面上的轻轨车辆几乎都采用低地板技术。低地板离轨面高 度通常为3 5 0 m m ( 常规车辆的地板面高度约为9 0 0 m m 1 1 0 0 m m ) ，乘客上 下车方便且缩短了停站时间。据国外统计，与高地板车相比，低地板车乘客 上下车时间减少3 0 ，使旅行速度增高3 4 t 2 6 j 。 对于常规车辆，由于车体下部有两台转向架，降低车辆地板面高度相对 较为困难。目前实现车辆低地板的主要技术是用独立旋转车轮，独立轮组的 车轴采用u 型轴，或者直接采用轮组架而实现两车轮之间无传统的车轴连接。 目前，采用独立旋转车轮低地板车辆主要有7 0 低地板和1 0 0 低地板两种 2 6 - 2 s ，如图1 3 图1 5 所示。 图1 37 0 低地板车辆 图1 41 0 0 低地板车辆 图1 5 单轮对独立旋转车轮的1 0 0 低地板车辆 图1 3 为列车前后端部采用传统转向架而中间转向架采用独立旋转车轮 转向架的低地板车辆。前后转向架位置处未设置成低地板形式，因此只能实 现7 0 左右的车辆低地板程度。图1 - 4 全部转向架采用独立旋转车轮，在车 轮处亦可做成座椅，因此实现1 0 0 低地板。图1 5 则采用单轮对独立旋转车 轮转向架使得低地板程度较图1 4 更大。 铰接式转向架对于实现车辆的低地板具有很大的意义。由于铰接式转向 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 架位于车辆连接处，这一部分空间是可以不乘坐乘客的，便于实现了车辆中 间地板面高度的降低。左右两个转向架仅有一半长度延伸至车体下部，所以 能实现和当前传统两台转向架并使用独立旋转车轮的相同的低地板程度，但 铰接式转向架在结构上较采用独立旋转车轮的转向架结构要简单。按照车体 长度取1 2 m - 1 4 m ，转向架全长取3 5 m 计算，能实现车辆7 0 的低地板，如 图1 6 所示。若将独立旋转车轮技术应用于铰接式转向架中，就可以实现 1 0 0 的车辆低地板，如图1 7 所示。这样的结构更大程度地实现车辆低地板， 使得车体中间部分可以不受限制，达到完全的低地板，更加容易进行车辆车 门位置的布置。 图1 - 6 铰接式7 0 低地板车辆图1 7 铰接式1 0 0 低地板车辆 1 5 铰接式转向架在国内外的发展运用现状 国内，对铰接式转向架用于高速铁路目前还处于研究和试制阶段，但在 货车上已有一定的运用。我国齐齐哈尔车辆厂所研制的关节型集装箱平车就 是铰接式列车的一种【3 0 , 3 1 j ，并出口到了澳大利亚在标准轨距铁路上运行，用 于装运不同规格的集装箱。该车每五辆为一组，每组车两端安装自动车钩缓 冲装置，相邻车共用一个转向架，采用关节连接器连接。车体由中梁、枕梁、 横梁、燕尾梁、小横梁等部件组成。在城市轨道交通中运用铰接式转向架的 研究目前还比较少。国外，铰接式转向架已成功运用于城轨车辆、高速客车 和快速货车上。 法国t g v 列车是铰接式列车最主要的代表【3 2 35 1 ，很多国家的各种不同 的铰接式列车也大多采用法国t g v 的技术。1 9 9 4 年通行英吉利海峡隧道， 连接巴黎一伦敦和布鲁塞尔一伦敦的“欧洲之星【3 6 】 ，以及1 9 9 6 年开通连接 阿姆斯特丹一布鲁塞尔一科隆一巴黎的t g v 家族的另一成员t h a l y s 歹7 】都采 用了成熟的t g v 铰接技术。2 0 0 7 年创造高速铁路最高试验速度5 7 4 8 k m h 的法国v 1 5 0 高速列车也采用了t g v 铰接技术。t g v 铰接式转向架为非动 力转向架，法国国营铁路( s n c f ) 开发的新一代t g v 列车即a g v 6 1 ，它将铰 接技术和动力配置应用于一台转向架上，使动力型铰接式转向架应用于高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 列车中。 项日技术参数 轴重f 1 1 固定轴距( m m l 车轮直径( r a m l 踏面型式1 4 0 锥面 转向禁重最m 转向架刨转半径( m ) 转向架惯性矩h m 、 轴箱定位方式层叠橡腔金属弹簧 一系碌挂 螺旋铜弹簧 二系悬挂高圆簧 图1 8 y 2 3 1 型铰接式转向架 项目 拄术参数 轴重( t ) 固定轴距( m r n l 车轮真径( m m ) 9 2 0 8 5 0 踏面型式17 4 0 锥面 转向架重量f 1 1 轴箱定位方式转臂式弹性球铰定 系悬挂螺旋钢弹簧 二系悬挂宅气弹簧 一系垂向减振器 光 二系横向减振器无 抗侧滚扭杆 横i 自止挡 图1 - 9y 2 3 7 型铰接式转向架 目前法国所研制的应用于高速列车的铰接式转向架主要有y 2 3 1 ，y 2 3 7 以及y 2 3 7 a 型，分别应用于第一代，第二代和第三代高速列车上 3 s 】。y 2 3 1 型是法国第一代高速动车组t g v - p s e 的拖车所采用的铰接式转向架，它是 从燃气轮动车组拖车铰接式转向架y 2 2 9 型发展而来的。y 2 3 7 型是法国第一 代高速列车，大西洋线高速动车组t g v - a 型及其派生的路网高速动车组 t g v - r 、欧洲之星高速动车组t g v - t m s t 、塔利斯高速动车组t g v - p b k a 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 韩国高速动车组t g v - k 型的拖车从动转向架所采用的铰接式转向架”。 日本也是使用铰接式转向架的国家之一，东日本铁路集团公司开发的现 代市郊( a c ) 列车样车( e 9 9 3 系) 是东日本铁路集团公司为提高乘客服务质量和 降低寿命周期成本而采用的第一列铰接式市郊列车，1 4 节编组，时速 1 2 0 k m h 。并且在此基础上，又开发设计了e 3 3 l 系市郊列车【9 j 。铰接式转向 架得以成功应用的还有小田急电气化铁路5 0 0 0 0 型特快列车哺】。东日本铁路 集团公司还将这种系统用于新干线高速试验列车9 5 3 系：s t a p , 2 1 1 4 “4 7 。 图1 1 0 日本e 9 9 3 系铰接式转向架列车 日本研发的铰接式转向架有t r 9 1 4 ，t r 9 1 5 ，d t 9 5 7 ，d t 9 5 8 等【7j ，其中 t r 9 1 4 和d t 9 5 7 是无摇枕式2 点空气弹簧悬挂系统铰接式转向架，其铰接结 构为带枕梁的车体( 支撑端) 置于2 点承载悬挂系统铰接式转向架上，使用 单牵引杆将枕粱巾间的中心销与转向架连接，以实现牵引。枕梁项部有一个 用于连接联结装置的衬套，另一车体( 铰接端) 的联结装置置于这里并用螺 栓铆固。t r 9 1 5 和d t 9 5 8 无摇枕式4 点空气弹簧悬挂系统铰接式转向架，其 铰接结构为带中心销的车体( 支撑端) 置于4 点承载悬挂系统的铰接式转向 架上，中心销和转向架用单牵引杆连接，以提供牵引。中心销项部有一个用 于连接联结装置的衬套，其他车体的联结装置置于这里并用螺栓铆固。 德国地区铁路e t 4 2 5 系列动车组采用铰接式转向架，其形式与日本的 e 9 9 3 型相似，但中间连接处均采用四点支承的空气弹簧悬挂系统。端部车辆 采用一台传统动力转向架，中间连接处则采用铰接式转向架，圈1 1 2 为该车 采用的铰接式转向架b r 4 2 3 型【4 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 点承载悬挂系统4 点承载悬挂系统 图1 - 1 1 日本e 9 9 3 系铰接式转向架列车 图1 1 2b r 4 2 3 型铰接式转向架 荷兰铁路r e i z i g e r s 公司与庞巴迪购买1 8 列4 辆编组的电动车组和1 7 列 6 辆编组的s p r i n t e r 电动车组用于r a n d s t a d 铁路网的慢车运营。新型s p r i n t e r 列车是从德国铁路的e t 4 2 5 型地区性的电动车组衍生出来的d c l5k v 电动 车组，车辆和转向架尺寸有些变化。1 列4 辆编组的s p r i n t e r 列车的载客量 是v 型列车的l5 倍，1 列6 辆编组的s p r i n t e r 列车可与t 型电动车组相媲 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 美。按4 人m 2 计算，4 辆编组和6 辆编组的列车可分别容纳2 1 3 名和3 4 8 名 站立乘客【4 。 图1 - 13 荷兰铁路s p r i n t e r 铰接式电动车组 瑞士伯尔尼为了满足不断增长的交通量的需求，采用了a l s t o m 公司的 l h b 技术生产制造了f i l r t 型电动车组，该列车具有低地扳入口，中间地板 面高度为6 0 0 m m ，具有良好的加速启动性能，最大运行速度可达1 6 0 k m h ， 中间车辆采用铰接式转向架。同时编组比较灵活，一般有三至六辆车形成一 个编组。不仅可以满足城市交通运量的需求，也可以满足区域交通运输的要 求。图1 1 4 即为f 1 l r t 犁电动车组。其铰接式转向架同样采用的四点空气 弹簧支承悬挂模式”。 图1 1 4 瑞士f i l r t 铰接式电动车组 a l s t o ml h b 公司在l i r e x 样车的基础上于2 0 0 1 年开发了c o r a d i a l i r e x 动车组家族。该动车组整列为低地板，其创新性的传动设计以及符合 旅客需要的车内布置及设施，为区间铁路运输列车提供了新的标准。 c o r a d i al i r e x 动车组两端是传统的动力转向架，中间车则是两个车体共 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 用的雅可比式动力转向架和非动力转向架【4 ”，如图1 1 5 所示。 圈1 1 56 节编组的c o r a d i al i r e x 动车组 铰接式转向架在货车上运用集中在美国和德国，又名关节式货车。关节 式货车在美国的应用很广泛，仅t h r a l l 车辆公司制造的关节式货车就有约 4 0 0 0 个车组，并且有很多t h r a l l t a 型5 单元铰接车辆的运营里程己超过3 2 0 万k m 。美国已运行双层关节式集装箱平车多年，并且成功地运行了关节式 煤炭漏斗车。澳大利亚继开行五跌关节式集装箱平车后，又开行了三联关节 式集装箱平车，其最大载重达1 2 6t ，最高运行速度达l1 0 k m h 。德国铁路铰 接式车辆与美国有所不同，除了用于运输集装箱外，还用于公铁联运的“滚 动公路”。德国铰接式集装箱车均采用雅可比转向架，主要有s g n o s 7 1 5 型和 s g n o s 7 4 4 型混台铰接车。此外俄罗斯、奥地利、英、法等国也已开了各型关 节式专用货车【10 , 4 8 。 1 6 本论文的主要工作 本文以参考国外铰接式转向架技术为基础，确立用于我国城市轨道交通 的铰接式转向架的设计方案，拟定转向架各悬挂部件的参数，并对其动力学 性能进行测试分析，最终确立合适的悬挂参数，获得良好的动力学性能，满 足城市轨道交通车辆的使用要求。 本论文的主要工作如下： 1 ) 介绍了铰接式转向架的特点，对其优劣进行理论分析，论证铰接式转 向架车辆能满足城市轨道交通的运用和改善车辆性能，并介绍了国内外铰接 式车辆转向架的运用情况。 2 ) 通过分析城轨车辆主要技术参数的选取原则，给出铰接式转向架城轨 车辆的主要技术方案，在此基础上，以国外铰接式转向架为基础，设计能运 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 用于我国城市轨道交通的铰接式转向架方案，并确立其主要部件的基本参数， 以便进行动力学性能的分析。 3 ) 根据铰接式转向架的结构方案，建立相应的动力学计算模型，并对模 型进行分析处理。对车辆系统的主要部件分别进行受力分析，建立各个部件 的运动方程，将各个部件的运动方程联立得到车辆系统的运动微分方程。并 给出了动力学计算的主要内容。 4 ) 对铰接式转向架动力学特性进行研究。运用s i m p a c k 动力学仿真软 件研究铰接式转向架的动力学特性，在基本的结构参数确定后，通过对主要 参数的优化得到使其动力学性能最优的参数匹配。并对优化后的铰接式转向 架进行动力学性能预测和评估 5 ) 进一步分析铰接式转向架的动力学特性，通过建立传统转向架单车动 力学模型，对两者在相同工况下的动力学性能进行比较，找出铰接式转向架 与传统转向架的异同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章铰接式城轨车辆的总体技术方案 由于铰接式转向架的特殊性，车辆必然是成组使用，而不能单车运行。 本章将分析城轨交通车辆系统的主要技术参数，从而给出铰接式城轨车辆单 元车组的技术方案，为后续动力学计算提供基础。 2 1 车辆系统的主要技术参数 车辆系统是轨道交通系统的相当重要的组成部分，车辆装备的购置养护 费用在总成本中占一定的比例，因此车辆的选型和主要技术参数的确定必须 立足于整个系统的角度进行合理的配置，并且要求在满足现有运营要求的条 件下，能够留有适当的系统升级裕量。在车辆系统的主要技术参数中，车辆 的最高运行速度、车辆允许通过的最小曲线半径、车体长度宽度高度、车 辆地板面高度、车辆编组模式、车组的单双向行驶等与整个系统的关系最为 密切。通过了解我国现有的城市轨道交通车辆的发展历史和趋势，有助于确 定铰接式城轨车辆单元车组的技术方案。 2 1 1 最高运行速度 车辆最高运行速度必须满足整个城轨交通系统的要求。作为城市轨道交 通车辆，其显著的特点就是站间距较短，往往是刚加速不久就要制动停车， 因此城市轨道交通车辆对最高运行速度的要求不高，主要是能满足平均旅行 速度达到3 0 5 0 k m h 的要求。目前，我国各大城市现有的城市轨道交通系统 中车辆的最高运行速度均在8 0 k m h 至1 2 0 k m h 范围内，例如上海城市轨道 交通车辆1 至5 号线车辆最高运行速度均为8 0 k m h ：广州1 号线为8 0 k m h ， 2 、3 号线为1 2 0 k m h ，4 、5 号线采用直线电机技术，其最高运行速度为 1 0 0 k m h ；天津滨海线为1 0 0 k m h ；武汉l 号线为8 0 k m h 等。显然8 0 k m h 至1 2 0 k m h 的最高运行速度足够满足城市轨道交通系统的需要。 2 1 2 最小曲线半径 根据我国现行的g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 地铁设计规范( 以下简称g b 5 0 1 5 7 ) 规定，线路平面曲线半径应根据车辆类型、列车设计运行速度和工程难易程 度经选比确定，线路平面的最小曲线半径不得小于表2 1 所规定的数值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 - 1 最小曲线半径 ( m ) 一般情况困难情况 线路 a 型车b 型车a 型车b 型车 正旷8 0 k m h3 5 0 3 0 03 0 02 5 0 线8 0 k m h 矿1o o k m h5 5 05 0 0 4 5 0 4 0 0 联络线、出入线2 5 02 0 01 5 0 车场线 1 5 01 l o1 1 0 2 1 3 车体长度宽度高度 车体的宽度与高度主要受车辆限界的制约，而车体的长度主要受车辆在 曲线上时车体