（光学工程专业论文）200kmh摆式电动车组拖车转向架设计及动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 提高列车运行速度是我国铁路运输发展的方向。我国铁路自1 9 9 7 年以 来，在三大主要干线上进行了四次规模较大的提速，取得了较好的社会效益 和经济效益，并将在今后进一步扩大提速范围。然而，在我国现有的铁路线 路上，有相当大的一部分铁道线路标准较低。在这些线路上，由于受到地形、 地貌的限制，要想依靠大幅度提高线路标准或修建新线来提高列车运行速 度，其投资大，且周期长。采用摆式列车，可使列车以较高的速度通过曲线 且不降低旅客的乘坐舒适度，这是既有线路提速、增加铁路客运能力、提高 铁路与其它交通工具竞争能力的一种有效办法。世界上很多国家自上世纪9 0 年代以来已经成功开行了摆式列车，我国也正在开展摆式列车的研制工作。 摆式列车主要是依靠提高曲线通过速度达到提速的目的。车辆曲线通 过速度提高后，将产生较大的离心加速度。其结果不仅降低旅客的乘坐舒适 度，同时将加大轮轨横向力和加剧轮轨间的磨耗。如使用传统的转向架，势 必加大轮轨磨耗，降低列车的运行安全性。因此在研制车体倾摆系统的同时， 必须研制适应于既有线路特点的摆式客车转向架。本文结合中国南方机车 车辆集团公司( c s r ) 的科研项目，根据我国国情对摆式客车转向架进行了设 计研究。 本文首先介绍了摆式客车提速的机理，提出摆式电动车组的基本方案， 并简要介绍了国外几种摆式列车转向架的结构型式，根据国外成功运营经 验，提出我国高速摆式客车转向架宜采用一系柔性定位的转向架的模式。倾 摆机构采用四摆杆机构加机电式作动器，为簧间摆模式。论文对摆式客车转 向架进行了方案设计和技术设计，确定了转向架的技术参数并阐述了转向架 各组成部件的结构特点及主要作用。同时对倾摆机构进行了运动分析和受力 分析，并对摆式客车的动力学性能进行了分析。最后论文利用a n s y s 有限元 软件对转向架中受力比较复杂的部件摆枕和构架进行了静强度分析，使其强 度满足车辆高速运行的要求，确保转向架的安全运行。 研究结果表明，本文提出的高速摆式客车转向架不仅有很好的曲线通 过性能，在直线上也有较高的稳定性。既适用于山区线路，也可满足平丘地 区的干线上使用。 关键词：摆式列车；电动车组；转向架；倾摆机构；曲线通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i n c r e a s i n gt h es p e e d o ft r a i ni st h e s t r a t a g e mo fr a i l w a y d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y f o u rt i m e si n c r e a s i n gs p e e dh a sb e e nd o n e s i n c e1 9 9 7o nt h r e em a i n1 i m e gi nt h el a r g ea n dh a v eag o o dr e s u l t i nt h ef u t u r e ，t h er a n go fi n c r e a s i n gs p e e dw i l lb ee x t e n d i n gi no u r c o u n t r y b u tl a r g eo fr a il w a y sh a v eal o ws t a n d a r di no u rc o u n t r y i n t h e s er a i l w a y ，t h ec o s to fe n g i n e e r i n gh i g h e rs p e e dr a il w a yo r i m p r o v i n gt h es t a n d a r do fe x i s t i n gr a i l w a yi sv e r yh i g ha n dt h ep e r i o d o fi t sc o n s t r u c t i o ni s l o n gb e c a u s eo ft h e1 i m i to ft h et o p o g r a p h y b yu s i n gt i l t i n gt r a i n s ，t r a i nc a nn e g o t i a t ea tah i g h e rs p e e dw i t h o u t r e d u c i n gt h ep a s s e n g e r sr i d eq u a l i t y t h i si sag o o dm e t h o dw h i c h a l l o w sas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei ns p e e da te x i s t i n gt r a c k ，i m p r o v e st h e r a i l w a yt r a n s p o r tc a p a b i l i t y ，a n de n h a n c e sr a i l w a y sc o m p e t i t i o n w i t ho t h e r t r a n s p o r t a t i o n t i l t i n g t r a i n sh a v eb e e n a p p l i e d s u c c e s s f u l l yi ns e v e r a lc o u n t r i e si nt h ew o r l d r i g h tn o w ，c h i n ah a s a l s ob e g u nt od e v e l o pt i l t i n gt r a i n s t h eh i g h e rs p e e do ft i i t i n gt r a i n sm a i n l yd e p e n do ni n c r e a s i n gt h e c u r v i n gn e g o t i a t es p e e d ，b u tw h i c hw i l ip r o d u c el a r g e rc e n t r i f u g a l a c c e l e r a t i o n ，r e d u c et h ep a s s e n g e r sr i d e q u a l i t y ， e n h a n c et h e l a t e r a lf o r c ea n dm a k et h ew e a rs e r i o u sb e t w e e nw h e e la n dr a i l i ft h ec o m m o nb o g i ei su s e di nt i l t i n gt r a i n s ，t h ew e a rw i l lb em o r e s e r i o u sb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，t h es e c u r i t yo ft h et r a i nw i l lb el o w e r t h e ni nt h es a m et i m eo fs t u d y i n gt h et i i to fc a r ，t h eb o g i ew h i c hc a n s u i tt h ee x i s t i n gr a i l w a ym u s tb es t u d i e d t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i s i so ns t u d i e so fb o g i eo ft i l t i n gp a s s e n g e re a rc o m b i n i n gw i t ht h e s c i e n t i f i ci t e mo ft h ec s r i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fi n c r e a s i n gs p e e do ft h et i l t i n g p a s s e n g e r c a ri s i n t r o d u c e d ，t h es c h e m e o f t i l t i n g e m ui s p u t f o r w a r d ，t h ec h a r a c t e r i s t i e o f b o g i e o f t i i t i n g c a ra b r o a da r e i n t r o d u c e d b a s e do ns u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fu s i n gt h et i l t i n gc a r a b r o a d ，ab o g i et h a ti ss u i t a b l et ot i l t i n go a ri no u rc o u n t r yi sp u t f o r w a r d t h eb o g i ei sf e a s i b l e ，i nw h i c ht h ep r i m a r ys u s p e n s i o ni s 西南交通大学硕士研究生拳位论文第l li 页 f l e x i b l e ，a n dt h et i l t i n gm e c h a n i s mo fp a s s e n g e rc a ri sc o m p o s e do f f o u rs w i n gb a r sa n da ne l e c t r o m e c h a n i c a la c t u a t o r t h es c h e m ed e s i g n a n dt e c h n o l o g yd e s i g na b o u tt h eb o g i eo ft i l t i n gc a ra r ec o m p l e t e di n t h et h e s i s i t ss t r u c t u r e p a r a m e t e r s a r ed e t e r m i n e d t h e c h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no fm a i n i yp a r to fb o g i ea r ei n t r o d u c e d t h e nt h ek i n e m a t i c sa n dt h ef o r c eo ft h e t i l t i n gm e c h a n i s mo ft h e t i l t i n gp a s s e n g e rc a ra r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ed y n a m i c sb e h a v i o r s o ft h eb o g i ef o rt i l t i n gc a ra r e a n a l y z e d ，a tl a s t ，t h es t a t i ci n t e n s i t y o ft h et i l ta n dt h ef r a m ew h i c hi st h em o s tc o m p l e x c o m p o n e n to ft h e b o g i ei sa n a l y z e db ya n s y sp r o g r a m t h es t a t i ci n t e n s i t yr e q u i r e m e n t w o u l db em e ta n dt h er u n n i n gs e c u r i t yw o u l db ee n s u r e dw h e nr u n n i n g a th i g hs p e e d t h r o u g h t h er e s e a r c ha b o v e ，t h e b o g i eo fh i g hs p e e d t i i t i n g p a s s e n g e rc a ri nt h i st h e s i sh a v eg r e a tf u n c t i o ni nc u r v i n gr a i l w a y ， a n dh a v eg o o ds t a b i l i t yi ns t r a i g h tr a i l w a y t h eb o g i ec a nr u ni nt h e m o u n t a i na r e ab u ta l s oc a nr u ni nt h em a i nr a i l w a yo ft h en o n m o u n t a i n a r e a k e yw o r d s ：t il t i n gp a s s e n g e rc a r ，e l e c t r i cm o t o rt r a i nu n i t ，b o g i e t i i t i n gm e c h a n i s m ，c u r v i n gn e g o t i a t i o n 。i _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 铁路运输自1 9 世纪初正式开始运营以来，一直作为人类最重要的交通 运输工具之一。由于铁路具有运量大、速度快、运输安全、节约能源、对环 境污染小等优点，因此铁路自问世以来就得到了迅速的发展。特别是1 9 世 纪8 0 年代，在很多国家都得到了飞速的发展，成为各国尤其是大陆性国家交 通运输的主要交通运输工具。进入2 0 世纪中期，汽车、航空等运输方式相 继崛起，竞相发展，世界交通运输工具进入了多元化的发展格局。铁路运输 开始面临汽车和航空运输的双重挑战，原来以老大自居的铁路将面临客货运 量大量流失的危机。为了改变这种被动局面，铁路必须进行适应市场需要的 改造和革新。 铁路要取得主动局面，在客运方面可采取加快列车运行速度减少旅行时 间、增加旅途舒适度等措施，其中缩短旅行时间是最主要手段之一。提高列 车运行速度，一般有两条途径：一是提高线路等级，采用高标准线路，即修 建高速铁路，同时采用高速机车车辆。二是在既有线路上开行特种车辆如摆 式车体列车来提高运行速度。 目前世界上形成了“日本新干线”、“法国t g v ”、“德国i c e ”、“用摆式 列车提速”四大高速铁路模式乜】。其中前三种模式均是通过上述的第一途径 来实现，最后一种模式是通过第二途径来实现。一个国家究竟采用那种途径 主要是考虑投资、经济效益以及相应的国情。第一种方式虽可从根本上实现 高速运输，但高速列车必须有相应的线路、通讯信号和供电系统等配套设施， 因此造价高、周期长，故在中国大规模修建高速线路或改建既有线路无论从 技术上还是经济上都是不现实的。第二种是在既有线路上开行摆式列车来提 高运行速度，此方式不需对线路基础设施作大规模技术改造，既能提高运行 速度又能保证乘客的乘坐舒适。研究资料n 】表明，摆式列车可以在保证运行 平稳性能的同时，较常规列车的曲线通过速度提高3 0 一4 0 。如北欧、德国、 意大利及日本等国，在主要铁路既有干线及一般干线，或干线与干线之间的 连接线上，通过开行摆式列车，提高运行速度又保证乘客乘坐舒适性。 我国幅员辽阔，有条件较好的干线铁路，也有相当大的一部分铁道线 路处于丘陵和山区地带。如西南地区和东南地区的铁路由于地形条件的限制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和历史的原因，线路标准较低，且线路小半径曲线多，线路的曲线半径是限 制列车速度提高的主要因素。在这些线路上，由于受到地形、地貌的限制， 要想依靠大幅度提高线路标准或修建新线或第二线来提高列车运行速度，其 工程量、投资都非常大。为了适应铁路提速要求，只能在不进行大量的线路 改造工作的前提下，依靠提高机车车辆技术来适当提高这些线路上的运输速 度，采用摆式列车是一种有效的途径，其可以补偿由于曲线超高不足而对列 车曲线通过速度的限制。为进一步扩大提速范围，我国相关部门已决定借鉴 国外近年来研制和运营的经验，研制我国具有自主知识产权的摆式客车。因 此国内的一些客车厂家、科研院所、铁路局对这种技术发生了浓厚的兴趣， 纷纷进行摆式列车的研制。国家自然科学基金委、铁道部都对摆式车的研究 进行了立项。本论文结合南车集团公司的2 0 0 k m h 摆式电动车组科研开发项 目，为摆式列车进入工程化阶段提供理论依据是本论文的最终目的及意义所 在。 1 2 摆式列车的基本原理 1 2 1 车辆通过曲线时的离心力和离心加速度 机车车辆以速度v 通过半径为斤的曲线时，车辆和旅客都要承受由离 心加速度引起的离心力的作用，离心加速度为： g ：堡 ( 1 1 ) c 2 一r l i lj 由式( 1 1 ) 得知，离一5 , 3 n 速度的大小与列车运行速度的平方成正比，随着 列车运行速度的提高，旅客承受的离心加速度越来越大。离心加速度的大小 对旅客的乘坐舒适性有直接影响。铁路上通常采用设置外轨超高的方法来减 小旅客所承受的离心加速度。其原理如图1 - 1 所示，设置外轨超高后，旅客 自身重力在轨道平面内将有一个指向曲线内侧的分量，由于这个分量的作 用，旅客所受的横向离心力将有所降低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 1曲线有超高时车辆上作用的横向力 由图卜1 可得在设置有超高的曲线上，旅客承受的离心加速度扉可表 示为： 铲车一鲁g ( 1 - 2 ) “rs 6 7 式中：v 一车辆通过曲线时的速度( m s ) 厅一曲线半径( m ) s 一左右侧轮轨接触点跨距( i l l m ) 由厂_ 夕h 轨超高( r a i n ) g 一重力加速度( 9 8 1 m s 2 ) 上式两边同乘以并令h a = 墨兰则 g h d ：婴一 ( 1 - 3 ) g 如果h d 0 ，即离心加速度大于重力加速度横向分量，岛称为欠超高； 如果允 0 ，即离心加速度小于重力加速度横向分量，也称为过超高； 如果h d = 0 ，这时的离心加速度恰巧与重力加速度的横向分量相平衡， 这时列车的速度称为平衡速度或均衡速度。 在客货混跑线路上，由于客货列车行车速度不同，在设置线路实际超 高时要兼顾客货列车的运行速度。因此列车在设置超高的曲线上运行时，旅 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 客客车往往出现欠超高，而货物列车出现过超高。 未平衡的离心加速度或欠超高过大，往往使旅客感到不适，尤其是在 曲线多的山区铁路，会造成旅客晕车。根据国内外铁路大量试验和实践证明， 未平衡的离, 0 t j 口速度最有如下的经验数据“】： ( 1 ) 酢 0 0 4 9 ，旅客对未平衡的离心加速度无明显感觉； ( 2 ) 量= 0 0 5 9 ，则旅客能觉察到未平衡的离心加速度，但无不舒服的 感觉； ( 3 ) = 0 0 7 7 9 ，一般旅客能长时间承受这种未平衡的离心加速度； ( 4 ) 毋= o 1 9 ，一般旅客能承受不频繁的这种未平衡的离心加速度。 国外有些铁路按未平衡的离心加速度作为旅客在通过曲线时的舒适度 标准，并规定： 在条件较好的线路上，旅客列车的未平衡的离心加速度g o o 0 5 9 ，在 山区和提速线路上歇 0 0 7 7 9 ，最大不超过0 1 9 。 我国铁路用限制欠超高的形式来保证列车通过曲线时的安全性和旅客 舒适度，按铁路设计规定： ( 1 ) 在等级较高的线路上，旅客列车的欠超高也 7 0 m m ； ( 2 ) 在一般线路上，欠超高允 9 0 m m ： ( 3 ) 在既有线路上提速时，某些线路的欠超高允l l o m m 。 根据向。，= 苎苎可得未平衡的离心加速度与欠超高之间的关系如表卜1 g 所示： 表卜lg c 与乜的对应关系 未平衡的离心加速度g 。( m s 2 ) l 0 0 5 9 l 0 0 7 3 9 1 0 0 7 7 9 1 0 1 9 丕塑壹鱼! ! 型i ! 生! !l ! ! ! ：! !l ! ! ! ：! !i ! ! ! ：1 1 2 2 曲线限速的原因 列车在曲线半径为最超高为，欠超高为以的盐线上行驶，由于实 设超高已定，而且欠超高量以不能超过规定标准，因此列车在曲线上的最 大限速度公式为： 吒= v ( h o l + l h 8 a ) r ( 1 4 ) 式中： 圪一曲线限速( k a y ) 5 矗。一实设超高( n u n ) 。厂规定欠超高限值( m m ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 r 一曲线半径( m ) 。 若最大超高为h 。，允许欠超高为岛，则可得出曲线通过的最高速度为： 矿；f ! k 丝鲨 ( 1 - 5 ) ”。v1 1 8 、 由上式可见，要提高列车在曲线上的限速，必须加大曲线半径，增高线 路超高或增大容许欠超商量。增大曲线半径往往受地形地貌的限制，线路超 高是根据列车通过曲线时的安全性并兼顾客货列车速度设置的，我国的实设 线路最大超高为。= 1 5 0 m m 。为保证旅客舒适度，容许欠超高h 尸l o o m m ( 此 时= o 0 6 7 9 ) ，则； 。= 4 6 r ( 1 6 ) 可见一旦曲线线路条件一定，车辆通过曲线的最大运行速度是确定的， 若再想提高其曲线通过速度，只能从车辆上采取措施，摆式列车的理念就是 为了解决这个问题而提出的。 1 2 3 摆式列车提高曲线通过速度的原理 摆式列车通过曲线时，通过使车体沿运行方向相对轨道平面向曲线内 侧倾摆一定的角度，车体转动角和轨道超高角的转动方向致。在车体内的 旅客感受到的超高角是线路实设超高和车体倾角之和，因此旅客感受到的重 力加速度的横向分量显著增加，可以大幅度抵消列车提速后的离心加速度。 如图卜2 所示，车体倾摆后的倾角相当于在实设轨道超高的基础上再增加了 一个因车体倾摆而导致的“当量”超高，这样就弥补了线路的欠超高。 图卜2 车体倾摆后车辆上作用的横向力 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 车体倾摆的当量超高与车体相对轨面倾摆角之间存在如下关系： h t s ，t g o ( 1 - 7 ) 式中： ，一车辆倾摆后的当量超高( m m ) ； 口一车体倾摆角度( 。) ； 卜左右侧轮轨接触点跨距( m m ) 。 则式( 1 4 ) 可改写为 ( 1 8 ) 比较( 1 - 4 ) 式和( 卜8 ) 式可知，摆式列车在不改变线路、不影响货物运 行的情况下，可以明显提高列车的曲线速度。 表1 - 2 表明e 4 ，车体倾摆角每增加l 。，就相当于增加了2 6 m m 以上的 超高，其提速效果是显而易见的。 表卜2车体倾摆角口( 6 ) 与当量超高h ，( r a m ) 间的关系 车体倾摆角口( 。) 12345678 当量超高h ( r a m ) 2 65 27 81 0 41 3 11 5 71 8 42 1 1 根据式( 1 8 ) ，当车体倾摆角分别为0 。、3 5 。、6 5 。、8 。、1 0 。，h d = 1 0 0 m m 时，可计算出摆式列车的曲线通过速度。表1 - 3 和图1 3 列出了摆式列车通 过曲线的线路条件和通过速度。由此可见，采用摆式车辆可提高曲线通过速 度3 0 左右。 表t - 3摆式列车通过曲线时的线路条件 超高h d ( m m ) 1 2 01 2 01 2 01 0 08 06 0 曲线半径r ( m ) 3 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 2 2 0 2 0 0 鼍伽 s 1 琏1 4 0 俐 ：冒1 2 0 墨，o o 窜8 0 4 0 06 0 08 0 0 曲线半径 l o o o1 2 0 01 4 0 0 0 n ) 图卜3摆式列车在不同倾摆角时的速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 摆式列车的分类及结构特点 1 3 1 国外摆式列车的发展历史及现况 摆式车的研究已经有几十年的历史了。早在1 9 2 8 年，德国人k r u c k e n b e r g 就提出了摆式列车的原理及方案图，但受当时机械制造和控制技术所限，其 设计思想直到1 9 3 5 年才由瑞士s i g 公司在b l s 铁路上实现。其基本原理是 将车体通过滚子支撑在转向架上的弧形枕梁上，当车体受离心力作用时可以 在枕梁上摆动，从而产生一个附加倾摆角度。由于该车车体较短，故采用了 j a c o b 铰接式转向架。但是该试验车没有得到真正的应用。最早运用的摆式 列车是1 9 4 3 年西班牙t a l g o 公司开发的摆式系统，并且在经历了近4 0 年的 不断改造和试验后，t a l g o 公司最后于1 9 8 0 年将t a l g op e n d u l a r 摆式系统 正式投入批量生产。到9 0 年代初，t a l g op e n d u l a r 已经成功研制了时速达 2 5 0 k m h 的摆式列车，在德国高速线路上试验速度达到3 0 0 k m h ”3 。 意大利是主动倾摆技术的发源地，同时也是研制和开发最为成功的国 家之一。f i a t 公司早在1 9 5 7 年就开始研究并制造出了模拟试验样机，经过 1 8 年的反复试验、研究之后，于1 9 7 5 年制造了两辆编组的实用性样车e t r 4 0 1 电动车组，即第一代p e n d o l i n o 。它采用横向加速度传感器和陀螺仪来检测 进入曲线的状态，并发出车体倾摆的指令，利用液压作动器使车体进行倾摆。 随后，f i a t 又相继开发出了第二代( e t r 4 5 0 ) 和第三代p e n d o l i n o ( e t r 4 6 0 、 e t r 4 7 0 、e t r 5 0 0 ) 摆式列车，并通过出口到其他国家或转让技术，获得了巨 大的成功5 川。 瑞典是著名的摆式列车x 2 0 0 0 的发源地。它在1 9 6 9 年进行了摆式列车 的首次试验，目的是对既有线路不进行改造或稍加改造的基础上提高列车的 旅行速度。1 9 7 3 年瑞典铁路( s j ) 和a s e a ( 后来的a b b 和a d t r a n z ) 公司 制定了联合开发x 1 5 摆式列车的计划。1 9 7 5 年制造出了样车并进行了8 年 的试验1 9 8 1 年获得了瑞典政府的第一列订单。1 9 8 6 年批量生产时改名为 x 2 0 0 0 ，之后又研制了时速达2 5 0 k m h 的新型x 2 0 0 0 列车i s - - 1 2 。 作为最早提出摆式列车概念的国家，德国在6 0 年代即由w e g m a n n 公司 开发出了被动倾摆系统，并在一列内燃动车组上进行了试验，但其效果不尽 人意。7 0 年代中期又在其他动车组上进行试验，尽管其性能有所改善，但 仍然没有达到预想的效果。8 0 年代末，为了适应与高速主干线相匹配的需 要，提高其二级线路的运输速度，德国联邦铁路( d b ) 对意大利主动倾摆的 匿南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 e t r 4 0 1 列车和西班牙被动倾摆的t a l g o2 0 0 列车进行了线路试验，并订购 了6 列t a l g o 摆式列车和2 0 列采用意大利f i a t 倾摆技术的内燃摆式动车组 v t 6 1 0 。此举极大的激发了德国机车车辆制造业对开发和研制摆式列车的热 情。a e g 公司首先在1 9 9 5 年研制出世界上第一列采用机电式作动器的内燃 摆式动车组( v t 6 1 1 ) 。随后t a l b o t 公司首次在世界上采用了在抗侧滚扭杆 上安装倾摆作动器的倾摆技术，并于1 9 9 6 年在v t 6 1 4 内燃动车组上成功的 进行了试验，1 9 9 8 年获得了挪威铁路( n s b ) 1 3 列摆式动车组的订单。s i e m e n s 公司利用其下属的奥地利s g p 公司在8 0 年代末就致力于摆式列车研究的优 势，与意大利f i a t 公司合作研制摆式列车，先后开发出i c e - e t 摆式电动车 组和i c t v t ( v t 6 0 5 ) 摆式内燃动车组，于1 9 9 9 年开始向德国铁路提供4 3 列i c t e t 和2 0 列i c t v t 。该车采用了新型的s f 6 0 0 转向架，运用机电式 倾摆技术并有横向气动半主动悬挂装置。这样通过购置和自行开发，使得德 国成为了世界上摆式列车最多的国家拍”1 3 “ 。 英国在6 0 年代中期开始对摆式列车进行研究，并于7 0 年代制造了a p t p 型摆式电动车组，1 9 8 0 年末开始进行试验。几经挫折后，于1 9 8 1 年进行试 运营。但在一次2 l o k m h 速度运行时，由于倾摆机构出现故障，发生了旅客 在车内摔倒等事故。此外，其受电弓的中间位置保持机构也经常发生故障， 加上其他一些原因，英国停止了a p t 摆式列车的研究。到9 0 年代初，g n e r 和v i r g i n 公司计划重新引入摆式列车以实现提速 5 9 】。 法国也是摆式列车的创始国之一。在1 9 4 0 年试验之后，法国于1 9 5 6 年研制了最大倾角为1 8 。的电动车组，对它进行了长达1 0 年的试验后，于 1 9 7 0 年试制了两辆摆式客车并进行了试验，因该车的结构过于复杂，维修 困难而最终放弃。直到9 0 年代中期，法国开始重新研制摆式t g v ( 或t g v - n g ) ， 并造出了样车【5 ” 。 尽管同是摆式车的创始国之一，瑞士的摆式列车多年来一直未达到实 用的程度。7 0 年代末，s i g 公司重新开展摆式列车的研究，并于8 0 年代试 制出试验样车。由于在线路试验中倾摆机构发生故障而停止继续试验。直到 9 0 年代末，试验和研制工作才重新展开。1 9 9 7 年，s i g 公司和s c h i n d l e r 公司与瑞士联邦铁路( s b b ) 达成2 0 0 0 年开始提供2 7 列i c n 2 0 0 0 摆式电动 车组的协议【5 ”1 。 加拿大b o m b a r d i e r 公司在7 0 年代研制了l r c 摆式列车，经过试验后 于1 9 8 1 年投入运营。经过十余年的运用考验，性能可靠。但是由于客流等 原因，使用效果并不十分理想，未能推广使用。美国为了提高东北走廊和西 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 北太平洋线的旅行速度，曾经先后租用瑞典的x 2 0 0 0 和西班牙的t a l g o p e n d u l a r 列车进行提速试验，但最后决定采用由加拿大b o m b a r d i e r 和a 1 s t o m 联合设计和制造的“美国飞人”摆式列车哺”“。 日本是在米轨铁路上第一个采用摆式列车的国家。日本首先开发了3 8 1 系摆式列车电动组，于1 9 7 3 年投入名古屋一长野之间运营。该车采用了德国 w e g m a n n 的被动倾摆原理，使在米轨线路上的最高速度提高到1 2 0 k m h ，在 曲线上的限速比常规列车提高2 0 3 0 左右。1 9 8 3 年开始对3 8 1 系列车进 行改造，加一个作动风缸，并根据事先检测的线路数据储存在车载计算机中， 根据a t s 信号及列车速度来主动控制车体在通过曲线时的倾摆动作，从而使 性能大为改善。随后又设计和生产出了一批摆式电动车组和内燃动车组，既 用来提高既有线路的速度，也可用来在新干线上运行，如2 8 3 系、2 8 1 系、 2 0 0 0 系和3 0 0 x 系等哺“”。 其他些国家如挪威、捷克、澳大利亚、马来西亚等也纷纷进行摆式 列车的研究和开发，以提高在既有线路上的旅客列车运行速度。同时摆式列 车还可以用来对高速或准高速铁路进行进一步提速。从国外摆式列车的研究 和发展情况可以看出，摆式列车正成为世界各国铁路运输事业发展的一个趋 势。它可以适合各种线路的提速。并且，从降低旅行时间上看，提高曲线限 速要比提高最高峰值速度更有效，它既可增加旅行速度又可节约由于加速、 减速时的能耗。因此，采用摆式歹| j 车进行提速是一种有效而可靠的方法。 1 3 2 国内摆式列车的发展现状及应用前景 摆式列车的开发研制在我国还是近几年的事情，刚刚处于起步阶段。 1 9 9 8 年8 月2 8 日，广深铁路公司向瑞典租赁的一列一动六拖的x 2 0 0 0 摆式 列车开始投入运营，每日共l o 次往返于广 n - 深圳之间，最高时速1 9 0 k m h ， 取得了较好的经济效益和社会效益。1 9 9 9 年西南交通大学与唐山机车车辆 厂及浦镇车辆厂等单位联合开发了摆式客车迫导向转向架及自导向转向架。 目前正在进行线路考核试验。随着摆式列车技术的逐渐成熟，其在我国的应 用前景是十分广阔的。 1 3 3 摆式列车的分类及结构特点 按照摆式列车结构的不同，摆式列车分为主动摆( 又称强迫摆或有源 摆) 和被动摆( 又称自然摆或无源摆) 两种n “2 ”。 主动摆是通过附加作用力的方式使车体倾摆。在通过曲线时，利用液 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 压式、机电式或气动式作动器产生的附加外力强迫性的使车体向曲线内侧倾 斜。目前世界上的大部分摆式列车均采用这种方式，具有代表性的是意大利 的e t r 4 5 0e 2 4 1 高速动车及瑞典的x 2 0 0 0 型高速列车“”】。 主动摆按照提供附加力的力源的不同，可分为液压式、机电式、气动 式。 液压式是较早成熟的技术，但液压系统在技术上、结构上都很复杂， 且其重量大，检修很不方便。机电式由于耗能小，安装和维修保养方便，近 年来得到了快速的发展。气动式由于气体的可压缩性以及可能对主风管压力 的影响造成动作时迟较大，且驱动力小，还容易发生低频振荡，目前只有日 本采用。 被动摆是靠车辆在通过曲线时的离心力作用，使车体自然的绕其摆心 转动，没有外加动力的倾摆方式。具有代表性的是日本的3 8 1 系电动车组 2 1 和西班牙的t a l g o 列车【l 。 主动摆和被动摆各有利弊。被动摆的优点是结构简单，不需要作动器、 控制及信号采集系统，便于制造与维修。其缺点是倾摆角度较小，其倾摆角 可达3 5 。：倾摆装置的阻力大，在进入曲线或驶出曲线的时候车体倾斜滞 后，易导致乘客乘坐舒适度降低，因而需要将倾摆中心调整到一定高度，使 倾摆装置的阻力适当。而主动摆是利用作动器产生附加外力使车体倾斜，倾 摆角度较大，可达8 。1 0 4 ，速度提高幅度大，能够较大的抵消过离心加 速度：倾摆中心也可较低，车体重心的移动也小，但主动摆必须具备一套可 靠的作动、控制和信号采集系统。根据欧洲等国家的运用经验，采用主动式 摆式车体，可将未平衡加速度从1 2 m s 2 提高到2 3m s 2 ，这样可使列车速 度提高3 0 左右，旅行时间下降2 5 左右e 2 0 。 按照倾摆装置的安装位置不同，摆式列车分为簧间摆和簧上摆两种 啪 。 簧间摆是指倾摆装置安装在一系和二系悬挂之间，当车体倾摆时二系 悬挂随其倾摆，其特点是车体倾摆的倾摆角由于二系悬挂的挠度而小于摆枕 的倾摆角。在采用簧间摆结构的场合，当通过曲线时，枕簧与车体一起随车 体倾摆装置向内侧倾斜，乘客受未平衡离心加速度的影响较小。因此，即便 在高速通过曲线时，横向挡及横向挡座一起倾摆，乘坐舒适性好，不需要对 中装置。故采用簧间摆的结构能充分发挥摆式车的优点，对改善高速通过曲 线时的乘座舒适性有利。德国的v t 6 1 1 和瑞典的x 2 0 0 0 均采用此模式。 簧上摆是倾摆装置安装在二系悬挂之上，其特点是车体的倾摆角同摆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 枕的倾摆角一致，不会产生由于二系悬挂挠度的变化而导致的倾摆角损失。 在采用簧上摆的场合，枕簧与车体倾摆装置的倾斜无关，横向挡座不倾摆。 在高速通过曲线时，车体重心向曲线内侧横移，横向挡工作，增加了二系悬 挂的横向刚度，降低了横向平稳性指标。所以簧上摆需要安装横向对中装置。 意大利的e t r 4 5 0 采用此模式。 按照倾摆装置的结构不同，可分为： 四吊杆模式。摆枕通过4 根成“八”字形的摆杆支承于转向架构架上， 摆杆通过绕其支承点的转动实现摆枕的摆动。其特点是安装位置比较灵活， 整个倾摆机构可以安装在客车地板面以下，以便把车上全部空间都留给旅 客。v t 6 ，x 2 0 0 0 ，e t r 4 5 0 均采用了此模式。 滚子加曲面摆枕模式。摆枕的凸形承载面通过滚子支承于转向架构架 的凹形承载面上，通过摆枕的转动实现车体的倾摆。其特点是结构简单，维 修方便，但由于摆枕需要来回滚动，因而不能做的太薄，难以实现装置的小 型轻量化，滚轮之间需要有防尘装置且防尘装置复杂，倾摆装置的阻力大， 在进入曲线或驶出曲线的时候车体倾斜滞后，易导致乘客乘坐舒适度降低。 英国西海岸摆式车采用了此模式。 抗侧滚扭杆倾摆模式。在抗侧滚扭杆的垂直杆上设置作动装置，通过 左右作动装置的伸缩运动实现车体的倾摆，但其具有摆心不确定的缺点。德 国t a l b o t 公司生产的摆式车采用了此模式。 1 4 本文的主要工作 由国外摆式车的发展趋势来看，摆式列车的技术越来越成熟、性能越来 越可靠。我国在研制摆式列车上起步较晚，应借鉴国外的成熟经验。发展高 速、品质优良的摆式列车。采用车体倾摆技术可以解决列车高速通过曲线时 旅客的舒适度问题，但车体倾摆技术本身是不能降低作用在车辆上的离心力 的。车辆的离心力增加，轮轨之间的作用力也将随之加大，如使用传统的转 向架，势必加大轮轨磨耗。降低列车的运行安全性。因此在研制车体倾摆系 统的同时，必须研制适应于既有线路特点的摆式列车转向架。 本文研究对象为构造速度为2 0 0 k m h 的高速摆式客车转向架。 主要工作有以下几点： ( 1 ) 简要介绍分散动力摆式电动车组的设计方案和基本技术参数，确 定摆式电动车组的基本结构，并对其中主要构成部分进行简单的 介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) 根据我国的实际情况，对我国高速摆式客车转向架进行合理的选 型，确定高速摆式客车转向架的基本结构及主要技术参数。 ( 3 ) 对摆式客车转向架进行技术设计，确定转向架各组成部件的结构 形式，并对转向架中受力复杂的部件一构架和摆枕进行有限元分 析计算。 ( 4 ) 对倾摆机构进行运动学分析和受力分析，确定倾摆机构的基本参 数。 ( 5 ) 根据动力学仿真计算结果，分析摆式客车转向架的动力学性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第2 章高速摆式电动车组设计方案 高速摆式电动车组是为在我国既有线路提速而研制的动力分散型交- 直- 交电动车组，其适用于线路较好的区段，l _ a t k 能满足山区小曲线较多的线路。 2 1 摆式电动车组组成及基本技术参数 2 1 1 单元及列车组成 动车组一个动力单元由3 节车组成，包括2 个动力车和1 个非动力车。 简称两动一拖( 2 m 1 t ) 。其中头车的车头采用流线型以减少运行时的空气阻 力。流线型的前端导流罩可打开以便使用其内安装的车钩做连挂。该车又称 为控制动车如图2 1 所示，代码为m c 。另一辆动力车称为变流车如图2 2 所示，代码为m 。该变流车可代替m c 车而使本单元成为- - n 车的中间单元。 中间一辆不带动力的车为变压器车又称为拖车，如图2 3 所示，受电弓安装 于此车上，代码为t p 。 电动车组由2 个动力单元( 6 辆车) 组成，即电动车组车辆编排为m 。一 t p - m - m - t ，- m 。此时两个单元均为带头型的单元。 图2 - 1 摆式电动车组控制动力车m c 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 2 摆式电动车组变流动力车m 图2 - 3 摆式电动车组拖车t d 2 1 2 列车总体主要技术参数 根据我国的国情及适用范围，提出摆式电动车组的主要技术参数如下： 最高运行速度( k m h ) 2 0 0 最大轴重( t ) 1 5 5 牵引功率(kw)4320 启动制动力( k n ) 1 6 8 最大再生制动力( k n ) 1 6 8 最大倾摆角( 。) 8 最大倾摆角速度( 。s ) 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 n 最大倾摆角加速度( 。s 2 ) 固定轴距( m m ) 转向架中心距( m m ) 车钩中心线距轨面高度( 自重、充气状态，m m ) 通过最小曲线半径( m )连挂 单车 控制动车长度( m m ) 拖车及变流车长度( m m ) 车顶距轨面高度( 唧) 车体最大宽度( r a m ) 运行时受电方式 定员( 人) ：k l c 车 m 车 t p 车 车辆限界 单弓受流、 1 5 2 5 0 0 1 8 0 0 0 9 5 0 3 0 1 4 5 1 2 5 2 7 0 0 0 2 5 5 0 0 车体重心高( m m ) 限界：倾摆8 。后 2 0 0 1 4 3 5 1 5 5 7 0 2 5 0 0 2 0 0 0 双列圆柱滚子轴承 由9 1 5 中8 6 0 高速磨耗型踏面( l m a ) 1 4 5 1 2 5 空气弹簧承载 盘形制动 1 4 0 0 2 0 0 0 1 0 6 0 1 8 8 0 四吊杆机构 单拉杆牵引 7 0 ( 自由间隙+ 4 0 ) 8 5 1 5 1 5 7 0 1 6 6 0 符合g b l 4 6 卜8 3 标准轨距铁路机车车辆限界及9 5 j 0 1 一n 高速 铁路机车车辆限界条件的要求。 强度： 符合2 0 0 k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规 定的要求。 动力学性能： 笪鱼! ! ! ! 垦世! 壹垄堇堕型兰垫垄兰丝丝迂塞堑堡塑塞2 盟塞查： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3