（车辆工程专业论文）基于独立旋转车轮的变轨距转向架研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 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学位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 奉学位论文。 本学位论文属于 1 保密d 在生年解密后适用本授权书 2 i i 保密口，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：茜 、 只期：2 为3 年6 月 黾 群饥 刻 以 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i 页 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，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。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，均己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： 1 论文在国内首次对铁道车辆变轨距转向架进行了技术方案设计研 究，包括其结构方案设计、悬挂参数的优化设计以及动力学性能预测与分析 等，体现在本文第2 4 节、第6 _ 2 节及第7 章； 2 论文对独立旋转车轮的动力学特性进行了系统的研究，并在国内首 次将独立旋转车轮应用到变轨距转向架的研究之中，详细分析了独立旋转车 轮变轨距转向架的动力学性能，并对其相关技术问题进行了探讨，体现在本 文第2 4 节及第7 章。 ( 要求：简述各主要创新点，并注明其所在章、节) 学位论文作者签名：亏迢 日期：2 沁j 年c 月1 2n 西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页 摘要 解决铁道车辆在轨距不同区间的直通运行是国际和地区间联运中亟待 解决的问题，采用变轨距转向架技术是一种行之有效的方法。我国目前在变 轨距转向架方面的研究尚属空白，开发和研制适合我国国情的变轨距转向架 已势在必行。基于此，铁道部于2 0 0 1 年列专项进行研究( 项目编号： 2 0 0 1 j 0 1 3 ) ，以研制适合于我国国情的、具有自主知识产权的变轨距转向架。 本文结合铁道部科技研究开发计划项目，在国内首次对变轨距转向架 的机理及结构进行研究，提出了我国第一台变轨距转向架的技术设计方案。 论文着重对变轨距转向架的结构进行了方案设计，并建立起相应的动力学模 型，利用计算机数值仿真模拟方法对变轨距转向架进行了参数优化和动力学 计算。根据计算机仿真结果，对变轨距转向架的动力学性能进行了详细的分 析，并在以下几个方面进行了系统的研究。 1 论文首先进行变轨距转向架的方案设计研究，从变轨距车轮的型式、 车轮的移动模式、载荷的承载方式、锁紧机构及变轨距转向架的轨距变化范 围等诸方面对变轨距转向架进行了选型分析，并在此基础上提出了两套变轨 距转向架设计方案。文中详细介绍了两套方案的各组成部件，分析讨论了方 案i 和i i 的优缺点，确定方案i i 为最佳方案。 2 为了有效完成轨距变换，必须设计一配套的地面轨距变换装置。论 文基于变轨距转向架的结构特点设计了一与变轨距转向架相配套的地面轨 距变换装置。详细介绍了轨距变换装置各部分的结构特点，并对其工作原理 进行了阐述。 3 独市旋转车轮是整个变轨距转向架的重要组成部件，不仪是因为其 实现了变轨距功能，更重要的是独立旋转车轮的轮轨蠕滑效应与传统轮对存 在极大差异，这在很大程度上影响了变轨距转向架的动力学性能。论文对独 立旋转车轮的轮轨滚动接触蠕滑率力进行了分析，研究了轮对横移和摇头 运动以及曲线半径埘独立旋转车轮轮轨蠕滑率的影响情况。 4 根据变轨距转向架的结构方案，建立了变轨距转向架车辆的动力学 计算模型。同时对车辆系统的各部件分别进行了受力分析，建立起各个部件 的运动方程，将各个部件的运动方程联立即得车辆系统的运动方程，并对车 辆系统各个部件之间的弹簧悬挂力进行了求解。 5 在进行转向架的设计研究时，为了得到其动力学性能的最优匹配， 西南交通大学博士研究生学位论文第1v 页 必须对其悬挂参数进行优化分析。论文利用动力学程序对变轨距转向架的 一、二系悬挂参数进行了优化分析，从而得到转向架动力学参数的最佳匹配。 6 为了全面地对变轨距转向架的动力学性能进行分析研究，论文根据 参数优化结果，对变轨距转向架的动力学性能进行了预测。并通过对变轨距 转向架和传统轮对转向架的动力学性能的分析比较，深入地研究了变轨距转 向架的动力学性能。最后，对转向架中受力最为复杂的构架进行了强度分析。 论文的主要创新之处在于： 1 论文在国内首次对铁道车辆变轨距转向架进行了研究，包括其结构 方案设计、悬挂参数的优化设计以及动力学性能预测与分析等。 2 论文对独立旋转车轮的动力学特性进行了系统的研究，并在国内首 次将独立旋转车轮应用到变轨距转向架的方案设计研究之中。 总之，基于独立旋转车轮的变轨距转向架方案，适合中国国情和路情， 在理论上是可行的。本文的研究填补了我国在变轨距转向架研究方面的空 白，对今后我国变轨距转向架的研制具有较强的工程实际指导意义。 关键词：转向架：变轨距：独立旋转车轮：动力学性能 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 a b s t r a c t s o l v i n gt h eq u e s t i o nt h a tr o l l i n gs t o c kd i r e c t l yr u nt h r o u g ht h ei n t e r p l o t b e t w e e nd i f f e r e n tg a u g e si sa l w a y sap r o b l e mt h a ti su i g e n t l yb e i n gs o l v e di n i n t e 兀“n i o n a lt r a f n c ，a d o p t i n gt h et e c h n 0 1 0 9 yo fg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ei st h e m o s ti d e a lm e t h o d a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho nt h eg a u g e - c h a n g e a b l eb o g i ei sb l a n k i nc h i n a i ti sv e r yu r g e n tt h a tt h eg a u g e c h a n g e a b l eb o g i es u i t i n gt h es i t u a t i o no f o u rc o u n t r yi sd e v e l o p e d b a s e do nt h a t ，i no r d e rt od e v e l o pg a u g e c h a n g e a b l e b o g i e sw h i c ha r e f i tf o rt h es i t u a t i o no fc h i n aa n dh a v es e l f d e t e r m i n a t i o n k n o w 】e d g ep r o p e r t yr i g h t ，t h em i n i s t r yo fr a i l w a y se s t a b l i s he s p e c i a li t e mt ob e r e s e a r c h e di n2 0 0 1 t h en u m b e ro fi t e mi s2 0 0 l j 0 1 3 i nt h i sp a p e r ， c o m b i n i n gw i t h【h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t p r o j e c tf o rt h em i n i s t r yo fr a i l w a y s ，r e s e a r c ho nm e c h a n i s ma n ds t r u c t u r eo fa g a u g e c h a n g e a 【b l eb o g i ea r ef l r s t l yc a r r i e dt h r o u g hi nc h i n a ，t h et e c h n o l o g y d e s i g ns c h e m eo ff i r s tg a u g e c h a n g e a b l eb o g i eo fc h i n ai sp u tf o r w a r d t h e s c h e m e d e s i g n o fa g a u g e c h a n g e a b l eb o g i e i s e m p h a s i z e d ， a n dt h e c o r r e s p o n d i n gd y n a m i cm o d e li s e s t a b l i s h e d p a r a m e t e r so ft h e b o g i e a r e o p t i m i z e da n di t sd y n a m i c si sc a i c u l a t e db yc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d t h ed y n a m i c sb e h a v i o r so ft h eb o g i ea r ea n a l y z e di nd e t a i l c o n c r e t e j y ，i nt h i s d i s s e n a t i o n ，t h em a i ns t u d yw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 f i r s to fa l l ，r e s e a r c ho ns c h e m ed e s i g no fag a u g e c h a n g e a b l eb o g i ei s c a r r i e dt h r o u g h t h es t u d yo fab o g i e st y p ew h i c hi n c l u d es u c ha st h em o d e lo f w h e e l ，m o v i n gm o d eo fw h e e l ，b e a r i n gs t y l eo fl o a d s ， 1 0 c k i n gm e c h a n i s m ， c h a n g e a b l er a n g eo fg a u g e ，e t c ， i sp u tu p ，a n db a s e do nt h o s e ，t w od e s i g n p r o j e c t so ft h eg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ea r ep u tf o r w a r d t h es t r u c t u r e so ft w o p r o j e c t sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h es e c o n dp r o j e c ti s a no p t i m a lo n eb y a n a l y z i n ga d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft w op r o j e c t s 2 i no r d e rt oc o m p l e t et h ec h a n g eo fg a u g ee f f e c t i v e l y ，ag a u g e - c h a n g e a b i e e q u i p m e n tm a t c h i n gt h eb o g i ei nt h eg r o u n dm u s tb ed e s i g n e d i nt h i st h e s i s ， b a s e do nt h es t m c t u r et r a i to ft h eg a u g e c h a n g e a b l eb o g i e ，ag a u g e c h a n g e a b l e e q u i p m e n tw h o s es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s l i ci si n t r o d u c e di nt h eg r o u n di sd e s i g n e d ， a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eg a u g ec h a n g ee q u i p m e n ti se x p o u n d e d 3 t h ei n d e p e n d e n t l yr o t a “n gw h e e l i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l eb o g i e b e c a u s eo fn o to n l yt h eg a u g e - c h a n g e a b l ef u n c t i o no ft h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n g w h e e l ，b u ta l s od i f t e r e n c eo fw h e e l r a i lc r e e pb e t w e e nt h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n g w h e e la n dt r a d “i o n a lw h e e l s e t s ，w h i c he n o r m o u s l ye f f e c t sd y n a m i cp e r f o r m a n c e 西南交通大学博士研究生学位论文第v i 页 o ft h eg a u g e c h a n g e a b l eb o g i e i nt h i sp a p e r ，w h e e l r a i lr o l l i n gc o n t a c tc r e e p a g e s a n dc r e e p so fi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e la r ea n a l y z e d ，t h ee f f e c t so f1 a t e r a la n d y a wm o t i o n so fi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l ，a n dt h ec u f v er a d i u st oc f e e p a g e s o fw h e e l 一r a i lr o l l i n gc o n t a c ta r ee m p h a s i s a t i c a u yr e s e a r c h e d 4 a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r es c h e m eo ft h eb o g i e ，d y n a m i c sc a l c u l a t i n g m o d e io fac a rw i t hg a u g e c h a n g e a b i eb o g i e si se s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ， f o r c e so fe a c hp a no ft h ec a ra r es e p a r a t e l ya n a l y z e d ，m o t i o ne q u a t i o n so fe a c h p a n a r ee s t a b l i s h e d ，m o t i o ne q u a t i o n so fac a rm a yb eg a i n e db yj o i n i n gt h o s eo f e a c hp a n a n ds p r i n gs u s p e n s i o nf o r c e sa m o n ge a c hp a no fac a ra r ec a l c u i a t e d 5 i no r d e rt og a i nt h eo p t i m a lm a t c ho fd y n a m i c sp e r f o r m a n c e ，s u s p e n s i o n p a r a m e t e r s o fa b o g i e a r e o p t i m i z e dw h e nt h eb o g i ei sd e s i g n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，s u s p e n s i o np a r a m e t e r so ft h eg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ea r eo p t i m i z e d b yu s i n gd y n a m i cp r o g r a m ，t h e r e b y ，t h eo p t i m a lm a t c ho fd y n a m i c sp a r a m e t e r s o fab o g i ei sg a i n e d ， 6 a c c o r d i n gt op a r a m e t e r so p t i m i z e dr e s u l t s ，d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h e g a u g e c h a n g e a b l eb o g i e i sf b r e c a s t e di no r d e rt o a n a l y z e i t s d y n a m i c s p e r f o m a n c er o u n d l y a n di t sd y n a m i c s p e r f o r m a n c ei s r e s e a r c h e di nd e t a i l t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd y n a m i c sp e r f o r m a n c eb e t w e e nt h eg a u g e c h a n g e a b l e b o g i ea n dt h et r a d i t i o n a lb o g i e f i n a l l y ，i n t e n s i t yo ft h ef r a m et h a ti s 【h em o s t c o m p l e xc o m p o n e n to fab o g i ei sa n a 】y z e d a b o v ea l lt h i n g s ，t h em a i ni n n o v a t i o no f t h i sd i s s e n a t i o ni sa sr o l l o w s ： 1 i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c ho nd e s i g nt e c h n o l o g yo fag a u g e c h a n g e a b l eb o g i e f o r r 0 1 l i n gs t o c k i s f j r s t l y c ar r i e dc h r o u 曲i nc h i n a ，w h i c hi n c l u d e ss u c ha s s t r u c t u r es c h e m ed e s i g n ，o p 【i m a ld e s i g no fs u s p e n s i o np a r a m e t e r s ，f o r e c a s ta n d a n a l y s i so fd y n a m i c sp e r f o r m a n c e ，e t c 2 i nt h i sp a p e r ，d y n a m i c sc h a r a c t e “s t i c so fi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l a r er e s e a r c h e da l l a r o u n d ，a n dt h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e li sf i r s t l ya p p l i e d i nt h ed e s i g no fg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ei nc h i n a i naw o r d ，t h ep r o j e c to fag a u g e c h a n g e a b l eb o g i e sb a s e do ni n d e p e n d e n t l y r o t a t i n gw h e e l si sa d a p t e dt ot h es i t u a t i o no fc h i n aa n dc h i n e s er a i l w a y ，a n di t i s f e a s i b l ei nt h e o r y t h er e s e a r c hb l a n ko fg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ei sm a d eu pb y t h es t u d yo ft h i sd i s s e n a t i o ni no u rc o u n t r y w h i c hh a ss 【r o n g e re n g i n e e r i n g m e a n i n gt ot h em a n u f a c t u r eo fg a u g e c h a n g e a b l eb o g i ei nc h i n a k e yw o r d s ：b o g i e ；g a u g e c h a n g e a b l e ；i n d e p e n d e n t l yr o l a t i n gw h e e l ：d y n a m l c s p e r f o m l a n c e 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 高新科技和全球经济一体化的飞速发展，各国及各地区之f 白j 的商业贸 易往来和文化交流日益频繁，跨国间及跨地区间的客货运输在近二十年来增 长迅速。在众多的运输方式中，铁路运输以其运量大、安全、快捷及对环境 污染小的优势，成为国际联运中首选的运输工具。但长期以来，由于政治、 经济及技术等原因，世界各国的铁路运输一直保持着多种轨距的现状。据统 计，自1 9 世纪初开始出现铁路以来，全世界目前一共有1 0 0 多种不同的轨 距，其分布十3 8 l 2 1 3 4 m m 之间“。仅以欧亚夫陆桥为例，其从我国的上 海、连云港到欧洲西海岸的阿姆斯特丹，铁路总长1 1 万公阜。北线中的中 国及欧洲各国是1 4 3 5 m m 的准轨，而蒙古、俄罗斯及白俄罗斯都是1 5 2 0 m n l 的宽轨。中线在我国境内是沿着古代丝绸之路向西，继续前行则遇到中亚各 国的宽轨，直到伊朗、士耳其才又是准轨。至于南线，问题更为突出，东南 亚各国都是i o o o m m 的窄轨，即使修通缅甸至盂加拉的铁路，还要联通印 度、孟加拉及巴基斯坦1 6 7 6 m m 的宽轨”1 。这些不同轨距的线路严重阻碍了 跨国间及跨地区问的铁路运输及经贸活动的发展。为进一步发挥铁路运输的 优势，促进世界经济的快速发展，解决不同轨距之问的国际联运已势在必行。 目前，世界上主要采取以下几种措施来解决4 i 同轨距之间的国际联运问题 2 引： ( 1 ) 统一线路轨距。改变一个铁路网的轨距，使之十日邻铁路m 棚司 是最有效但也是最昂贵的解决轨蹈差异问题的方法。英国大西铁路公司的 2 13 4 m m 轨距的线路改为标准轨距是这一方法的典型实例；美国内战后修建 跨洲铁路线时也将北部各洲的线路改为通用的标准轨距；在印度，6 0 0 0 k m 的水轨逐渐被改为宽轨，澳大利亚也如此。上述改变线路轨距的目的就是要 形成单一轨距的连贯网络。事实上，将线路轨距改建为统一的国际标准轨距 是从根本上解决不同轨距之间的国际联运的最为有效的方法，但其改建投资 规模大、周期长，且在改建过程中铁路运输将处于瘫痪状态，故该措施仅限 于新建铁路或路网较短的地区。 ( 2 ) 转运。采用转运模式可在线路和装备基本不改动的条件卜满足不 同轨距之间的国际联运要求。但在转运过程中货物的再次装卸或乘客的换乘 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 页 将增加运输或旅行时间、加大货物的损坏率和降低机车车辆的利用率。用集 装箱运输可避免货物的损坏率和缩短换装时间，但集装箱必须满足相应的限 界要求。采用转运模式一般仅使用于运量不大的支线及专用线运输。我国内 蒙古自治区境内由集宁到二连站的线路1 9 6 5 年前是1 5 2 4 m m 的宽轨，车站 为此铺设和修建了大量宽、准轨轨距股线和仓库。油罐车从原苏联开来后， 就在邻线并列我国的准轨油罐车，用油泵从宽轨列车的罐车中抽出原油再注 入准轨列车的罐车中。如遇到油管接头对接不上，就得将原油抽出后存储在 地面的储备大油罐中，再从储备大油罐中抽入准轨列车的罐车中。集二线 1 9 6 5 年改为准轨后，这种换装就移到中蒙边境的二连站进行。 ( 3 ) 交换走行部。采用交换走行部的模式可在线路基本不改动的条件 下满足不同轨距之间的国际联运要求。但在交换走行部时将增加运输或旅行 时问，且在交界处必须有足够的不同轨距的轮对或转向架。由北京至莫斯科 的国际旅客列车就在我国的二连或满洲里站更换客车转向架。若需从莫斯科 到华沙或欧洲的其它城市，国际列车就得在白俄罗斯的布列斯特站更换上准 轨轨距的转向架。目前欧洲大陆与东欧不同轨距的铁路联运多采用这种交换 转向架的方法。 ( 4 ) 采用铁路驮背运输车。铁路驮背运输车的模式就是在换装时将窄 轨车直接驶上专用的宽轨平车，由宽轨平车将窄轨车及其货物一同运向目的 地。采用此方法可缩短换装时f 刨，但必须备有相应的专用宽轨平车，同时仅 适用于单向换装。由于限界的严格要求，故此方法仅适用于轨距差别较大的 地区。 ( 5 ) 采用变轨距转向架。变轨距转向架可有效地解决轨距不同区间的 直通运行，既省时又便利。它可以使旅客无需换乘，货物无需换装，同时可 使轨距变换站的基础设施费用减少到最低。尤其在运输危险货物、换装时易 腐坏货物、易污染环境的货物、加固费用较高和需要防护的货物时，采用这 一技术更能显示其优越性。目前西班牙和法国之间的过境联运就是采用西班 牙t a l g o 公司制造的t a l g o 变轨距转向架来实现的。采用这种自动变轨距转 向架，一辆客车完成自动过轨平均仅用3 分钟( 加上更换牵引机车所耗时 间) ，大大节约了过境时间。 在国际联运中，铁路是否能吸引到新的货物，既取决于洲际铁路干线 经由国铁路的多边合作，也取决于不 司轨距间是否采用更为有效的过轨技 术。表l ，l 为运送液体燃芈4 和气体物质时，对不同轨距间的各种过轨技术进 行的分析比较，分析计算过程中采用了载重6 0 t 、容积为8 0 m 3 的4 轴罐车 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 和6 0 9 6 m ( 2 0 英尺) 集装箱【6 i 。分析结果表明，采用自动变轨距转向架技 术具有明显的优越性。它是一种能够充分适应我国经济与运输业发展需要的 投资少、周转快、效率高、收益大的联运方式。因此，对变轨距转向架的研 究具有较强的理论意义和现实意义。 表1 - 1运输液体燃料和气体物质的各种技术分析 服务计算 运输工具、变 总运费中技术 运输技术时间效率 距线路及其维 护的单位费用 对外支出有效 ( m i n )( t h ) 份额性 ( u s d t ) 1 装载单元( 集装罐) 的换装 62 l5 0l5 1 lo 52 l 2 罐体及容器的换装 1210 7 5159 90 515 3 罐车对罐车直接换装 4 09 0 ol5 9 8o71 2 4 罐车一贮罐一罐车方式换装 7 05 1 63 15 3o 85 5 升降车体更换转向架 2 0l8 0 0 9 9 0o 6 1 9 6 用升降机更换所有轮对 5 7 2 0 7 1 30 - 3 3 2 7 用升降机史换单个轮对 162 2 5 o8 _ 8 9o 32 7 8 自动变轨距转向架 o 57 2 0 0o 77 1 033 5 1 2 独立旋转车轮的特点及其研究现状 白1 8 2 5 年世界第一条铁路j f 始运营以来，所有的铁道机午车轴几乎都 无例外地采用由两个车轮【直l 定压装在一根车轴【二的轮刘。为保证车辆顺利 通过曲线，牟轮踏面基本上都采用锥形踏面或磨耗形踏面，即车轮上i 衮动圆 半径是由外向内递增的。4 二辆运行时，由于线路的不平顺加之同一轴上的两 个车轮的同步转动，造成轮对在直线上运行时产生蛇行运动。而在曲线上运 行时，山于轮对上两个车轮的同步转动，在内外轨上行走的距离不相等，仅 靠车轮不同半径的滚动圆不能完全弥补故在轮轨问将产生较大的纵向滑 动，从而加剧了轮轨之问的磨耗和噪声。解决上述问题的有效办法是将两个 车轮解耦，使它们能够分别独立旋转。这种同一根轴上左右车轮可以相互各 自独立地绕车轴旋转的轮对称为独立旋转车轮。对独立旋转车轮的研究以 追溯到2 0 世纪仞。世界上在铁道机车车辆中采用独立旋转车轮的第个号 利是瑞人c h a r i e sd eb a n g 于19 0 3 年申报的i ”。其基本原理就是将两车轮 通过轴承安装在车轴上使车轮能相对车轴转动，其基本原理见剀1 1 ，1 9 0 8 西南交通大学博士研究生学位论文 第4 页 年，奥地利人a 1 0 i sm a r i a l e i n w a t h e r 发明了无公共轴的独 立旋转车轮，即左右两车轮在空 间坐标内无任何相互约束。1 9 1 3 年，加拿大人b a 2 s t e rr o a d s s e a b r o o k 提出了用套筒联轴器 将左右两车轮连接的专利，其基 本原理是使曲车轮能相对联轴器 自由转动【 “】。 图1 一l 独立旋转车轮模型简图 在有轨交通的历史上，第一次采用独立旋转午轮的是美国亚利桑那州 的一家车辆j _ 于1 9 1 6 年为该州拥有2 万多居民的图森市制造的城市轻轨车， 其日的 要是使车辆的地板能低于4 0 0 m m ，以便于乘客上下车。这种2 轴 内燃轻轨牟第一批共生产了4 辆。两年后，该厂又生产了2 0 辆提供给n e w b i r n e y 市的公交公一j 。然而，由于该车的轮缘在直线上经常贴靠钢轨，车轮 踏面和轮缘磨耗远高于同类型采用常规轮对的车辆，且多次发生脱轨事故。 因此，使用该_ 午的两城市几乎同时中断了对其的使用【7 j 。进入2 0 世纪3 0 年 代，德埃森有轨电车公司出于同样目的，制造了一辆采用独立旋转年轮的 轻轨 乜车样乍。该样牟的命运同美国的一样，由ri 战的影u 向，试验不得小 经常被迫中断，加之缺少零配件和必要的维修工作，在8 年的时蚓单，该车 远行不到1 2 0 0 0 k m ，并在l9 4 1 年的一次空袭巾破炸毁。此后，瑞上的b is 铁蹄公司同家铁道车辆合作，开发了一列采用独市旋转车轮的轻轨电动 乍细，i 虽电动1 二组山2 辆完全牛h 同的车组成，中问采用了铰接式转向架。存 运川中发现，陔车轮缘磨耗十分，”重，并多次发生脱轨市故。鉴r 当时的技 术条什和试验水甲在没有任何结论的情况下，该电动车组不得f ；在1 9 4 4 年将独立旋转车轮更换成整体轮对卜。应该指f i 的是，当时的轮轨粘着理 论还不足以解释其原因。直到1 9 6 7 年倚兰现代轮轨粘管理论的丌拓人jj k a l k e r 的博士论文发表后，人们才真f 刈蠕滑之问的相互作用有了认识】。 二战后，独立旋转车轮的失败经验渐渐被人们淡忘。进入2 0i l ! _ 纪7 0 年代，欧洲捍国丌始注意到环境保护的蕈要肚，铁路运输诒：经过战后的衰落 岳j 始逐步复荪。2 0 世纪8 0 年代，高速列车在欧洲的出现和城市轨道交通 的e 述发展，使人们再次对独奇= 旋转车轮产生新的兴趣，两欧一些同家和h 奉等逐渐重观对独越旋转车轮的研究。众所周知，高速剁车要解决的一个父 谜题，就是皇n 们提高轮对证直线上的抗蛇行性能。山r 采i r j 传统轮肘的转 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 向架一直受蛇行稳定性和曲线通过性能相互矛盾的困扰，而独立旋转车轮转 向架在理论上不存在纵向蠕滑力，不会产生蛇行运动，因此采用独立旋转车 轮转向架可以大大提高临界速度。 倡导再次对独立旋转车轮进行研究的主要开拓者，是德国亚琛工业技 术大学机械系机车车辆研究所的f r e d e r i c h 教授。2 0 世纪8 0 年代末， f r e d e r i c h 教授首先研制开发出了无公共轴的独立旋转车轮转向架，并在德 国慕尼黑的滚振试验台上进行了试验，其最高试验速度达到5 0 7 k 州h ，随 后又装车进行了线路动力学试验。在此试验基础上，德国d u e w a g 公司和 m a n 公司研制出了用于德国高速列车i c e 的独立旋转车轮转向架，并装车 进行了线路动力学试验”l 。其巾m a n 公司的转向架除采用了独市旋转车 轮外，还出于降低质量的目的在世界上首次采用了玻璃钢构架。此后，h 本、 意大利、瑞士、芬兰等先后研制出了采用独立旋转车轮的高速转向架，并进 行了线路试验”“。综观所有已研制出的高速车独立旋转车轮转向架的试验 结果，可以发现正是由于独立旋转车轮理论上不存在纵向蠕滑力，因此传统 轮对原有的自动复位和曲线导向功能在独立旋转车轮上不复存在。受轨道不 平顺和轮对加工时安装误差的影响，独立旋转车轮在运行过平旱中一旦偏移， 便难以自动回到轨道中心，曲线运行时亦缺乏必要的蠕滑导向力矩，即独立 旋转车轮在直线卜缺乏自动埘中能力、在曲线上缺乏导向能力。使轮对在直 线轨道上的对中性能下降而产生轮缘接触和曲线上基本只能靠轮缘导向，因 而导致轮缘磨 耗严重。基于 上述原因，高 速列车采用独 立旋转车轮转 向架的试验均 末获得圆满成 功。但是，两 欧一些国家及 日本等对独市 旋转车轮转向 架的研究并未 因此而告终。 经过不懈地努 表1 2 国外主要独寺旋转车轮转向架 转向架名称导向原理 祸合独立轮刘 车轴问祸合器联结 德国c o m b i n o新型导向荦元独立旋转车轮轮座 德国e e f l h b 新型导向巾元自调节独寺旋转车轮 德国i c e m a n蠕滑力导向 日本r t x 1 离心力径向调节 西班牙t a l g o 拖动式独立旋转车轮轮对 意大利f i a t 蠕滑力导向 法国u r o t r a m车体调节轮对位置 比利时b a s 2 0 0 0车体调节轮对位置 意大利b o a车体调节轮对位置 瑞士s i g蠕滑力导向j a c o b 转向架 西南交通大学博士研究生学位论文第6 页 力，他们已研制出许多用来提供独立旋转车轮导向能力的方法，根据其导向 机理的不同，设计出了型式多样、差异较大的独立旋转车轮转向架【9 ”。”， 如表1 2 所示。这些独立旋转车轮转向架的研制成功，使得独立旋转车轮的 应用不再受到无导向能力的限制。 2 0 世纪中、后期，为满足不同轨距国家自动过轨联运的运用条件，许 多国家开始研究和开发变轨距转向架。而自动变轨距的转向架采用独立旋转 车轮易于实现。如西班牙的t a i g o 轨距可变列车和日本的e 3 0 型a 方式变 轨距电车就是采用独立旋转车轮转向架来实现自动变换轨距的目的 3 5 ：8 3 1 1 1 3 国外变轨距转向架运用及发展现状 1 3 1 西班牙 对于变轨距转向架的研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。西班牙由于地 理位置的特殊性，其陆地通往欧洲大陆的唯一通道是经由法国。由于政治和 历史的原因，西班牙铁路的轨距为1 6 6 8 m m 的宽轨，而法国则为1 4 3 5 m m 的准轨卜”。二次世界大战后，西欧围家问的经贸发展迅速，在此背景下， 西班习：铁路一直在寻求一种同欧洲大陆铁路联运的模式，并于1 9 6 6 午研究 设计山轮对内侧距可调的转向架。这种巾西班牙t a l g o 公司研制出的自动变 轨距转向架，采用构思极为新颖的独立旋转车轮，其先右两侧车轮不是采用 恨公共乍轴连结，而是分别在转向架轮轴轴承库上转动，车轮l 叮以 ：右移 动，以适应小同的轨距，如图】一2 所示。图】一3 所示为其轨距变换过程“。 住西班牙和法国边 境车站e 各设有 15 米长的专用线 路，| # 辆远行到孩 专崩线上，先抬高 转向架，悬空车 轮，而后在甘轨作 用下自动移动、安 装车轮，使l 一轮内 删距钧合轨趾要 求，再落卜- 转向 图1 2 西班牙t a l g o 转向架简图 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 架，一辆车平均仅 需几分钟即可自动 完成过轨。 西班牙铁路 为了解决其与邻国 的货物联运问题 运用t a i g o 型变轨 距转向架的自动变 轨距原理，也开发 出了应用于货车的 变轨距转向架 “3 ，其变轨距 轮对如图1 4 所 示。轮对由两个半 轴组成，两半轴上 的车轮独立旋转， 两半轴通过一可伸 缩轴连接，每个半 转向架车轮内侧距适用宽轨 在专用线上抬起转向架 车轮卸载 车轮解锁 在导轨作用下车轮向内侧移 动，使两轮内侧距适用准轨 在新的轨距位置锁紧车轮 落下转向架，车轮内侧距适 用准轨 图l - 3 西班牙t a i g o 变轨距转向架轨距变换过程 轴两端由内外轴承支承。轮对有两套锁紧机构安装在内轴承上，每一内轴 承有两个用于在车轮和构架之间相互自锁的止挡。轨距变换过程是货车以 不大于1 5 k m h 的速度通过大约1 2 m 长的轨距变换站时自动完成的。其自 动变轨距原理与图1 3 相似，当轮对到达轨距变换站时，行车钢轨在一个 外轴 一 ， 车轮 、 ， 内轴承联轴器可伸缩轴 ? j l 、 “ | 1 。 t 、 i 、 帛 一_ 四 川匝吲 一 一日前1 二i = 厂 心 、 蔷、划 ，；簪门： l f ” jl k 图1 4 西班习+ 货车变轨距轮对 西南交通大学博士研究生学位论文第8 页 斜面处结束，轴箱支承在滑动轨道上，车轮处于自由悬挂状态，且轴箱轴 承在紧凑的锁紧装置中在横向滑动平面上稍有下降。再进一步向前运动时， 变换站上t 型钢轨夹住相应的锁紧销的耳柄，并在通过下一个斜面时把销 下拉，轮对轴承被解锁。解锁之后，左右车轮在导向轨压力作用下向相反 方向运动，这样，车轮、半轴及其轴承被移动到新的轨距位置。然后就是 锁紧和重新加载的过程。 近年来，西班牙1 u g o 公司和德国融a u s s m a f f e i 公司合作，在可变轨距 式t a l g o 转向架的基础上，开发出了t a l g ob t 型可变轨距动力转向架 瞳“”“。虽然t a l g o 型变轨距转向架技术在不断发展，但其基本原理仍保持 不变。 1 3 2 日本 日本铁路为解决其准轨与窄轨( 1 0 6 7 m m ) 的联运问题，于2 0 世纪9 0 年代开发出了采用独立旋转车轮的e 3 0 型电动车组的变轨距动力转向架p 0 4 1 ， 4 “4 ”。如图1 5 所示为e 3 0 型a 方式变轨距转向架的轮轴结构简图。其左右 车轮独立旋转，外套筒与车轴均不旋转。驱动方式为电机直接驱动。在外套 筒的车轴端部设有车轮间隔固定用凸起，即图中锁块上的锁钉，在轴箱上设 有与之相吻合的孔，利用孔与锁钉的配合来固定轮对内侧距。轨距变换过程 是车辆以不大于1 5 k m l l 的速度通过轨距变换设施时自动完成的。当轮对到 达轨距变换设施时，钢轨向下倾斜下降，轮对沿着倾斜下降钢轨前进，随着 轮对的前进，轴箱逐渐落在支承辊子上，载荷也逐渐由车轮向辊子上转移。 与此同时，轴箱端部锁块上的凸起( 锁钉) 也同车轴逐渐一起下沉。由于在 轴箱上与锁钉相配 合的孔不下沉，故 在轨距变换设施入 口处，车轮载荷消 失，车轮亦被解 锁。随着车辆的前 进，解锁后的左右 车轮在导向轨压力 作用下向相反方向 运动，到达新的轨 距位置。而后，随 图1 5 日本e 3 0 变轨距转向架的轮轴结构 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 着车轮的前进，地面上钢轨又是向上倾斜的，车轮逐渐上升，锁钉插入孔内， 车轮在新的轨距位置被锁紧，载荷重新加载到车轮上。 而后，日本铁路研究所根据其e 3 0 型a 方式变轨距转向架的开发经验， 又开始研究整体构造不同于e 3 0 型a 方式的b 方式变轨距转向架【4 “”。这 种转向架左右车轮的运行机制与常规轮对一