高速动车组概论3(共同体-转向架)

1 41 第三章动车组转向架技术 第一节高速转向架应具备的性能第二节高速转向架技术第三节动车组转向架 2 41 第一节高速转向架应具备的性能 一 高速运行的稳定性二 高速运行的平稳性三 高速通过曲线的性能 3 41 第一节高速转向架应具备的性能 在设计制造高速转向架时 必须解决其高速运行时的稳定性 平稳性和良好的曲线通过性能等关键技术问题 以保证高速列车安全行驶 乘坐舒适 减少维修 4 41 一 高速运行的稳定性轮对的蛇行运动 假设 轮对与转向架之间无任何刚性和弹性约束 轮对单独在轨道上滚动钢轨顶部呈刀刃状而且是两根平行直线轮对是两个对称圆锥体 轮轨之间无相对滑动不计轮对上任何作用力和惯性力 5 41 自由轮对的蛇行运动 6 41 自由轮对蛇行运动曲线为 7 41 自由轮对蛇行运动的周期为 自由轮对蛇行运动的波长为 可见 r0越大 0越小 L 越长 蛇行运动越平缓 8 41 当铁道车辆在某一速度以下运行时 即使有一定的线路扰动使车辆在横向偏离线路中心位置 但扰动消失后 车辆的横向振动会逐渐衰弱 最后回到线路中间位置 因此车辆运动是稳定的 而当车辆在某一速度以上运行时 蛇行运动的振幅将会越来越大 直至车轮轮缘碰撞钢轨 损伤车辆及线路 甚至造成车辆脱轨 倾覆等行车安全事故 这时列车运行是不稳定的 这一速度称为蛇行稳定性临界速度 简称临界速度 9 41 试验研究证明 当列车的运行速度超过200km h时 有可能出现这种不稳定的蛇行运动 高速列车必须保证在其临界速度以下运行 以使其运行稳定 安全 通过改变转向架结构 优化参数使其具有较高的临界速度 是研制高速转向架需要解决的关键技术问题 也是高速转向架有别于一般转向架的主要特点 10 41 二 高速运行的平稳性平稳性是列车在规定的线路条件下 在设计最高速度范围内运行时 设备能平稳工作 乘客感到舒适的基本性能 乘客舒适度是反映乘客在旅途中疲劳程度的综合性生理指标 影响舒适度的因素很多 如车内设备 通风 照明 温度 湿度 噪声 瞭望和振动等等 不过 其中振动是车辆整个运行中始终存在的 一直起作用的主要因素 11 41 理论分析和实践经验表明 车辆的垂向和横向运行平稳性随速度提高而下降 通常用平稳性指数W Sperling方法的评价计算值 来表示 它反映了力的变化率引起的冲动和振动时的动能大小对舒适度的影响 式中f 振动频率 Hz F f 与振动频率有关的加权系数 12 41 我国铁路客货车平稳性等级标准 13 41 三 高速通过曲线的性能高速客车通过曲线时 将产生过大的侧压力 会造成轮 轨的剧烈磨损 还易引起脱轨 倾覆等安全事故 要合理地兼顾车辆的曲线通过性能与抗蛇行运动稳定性要求 此外 还需要控制噪声 减少自重 尤其是减轻簧下质量等 14 41 第二节高速转向架技术 一 高速转向架发展概况二 高速转向架组成及相关技术 15 41 一 高速转向架发展概况20世纪50 80年代 一些国家开始将列车速度提高到140 160 200km h 日本东海道新干线列车所用的DT200型转向架 最高运营速度为210km h 法国于1973年正式生产Y32型转向架 其最高运营速度为200km h 德国于1974年开始生产MD52型转向架 最高运营速度也是200km h 16 41 二 高速转向架组成及相关技术尽管高速转向架的形式多种多样 但随着列车速度的进一步提高 高速转向架的结构形式逐步趋于类同 它们的主要特点是 无摇枕 空气弹簧悬挂 有回转阻尼 加装弹性定位等 下面简要介绍高速转向架的组成和相关技术 17 41 1 构架 它是安装各种零部件的载体 承受和传递垂向力 水平力和扭矩等 2 轮对 轮对直接向钢轨传递列车重量的动作用力 通过轮对的回转实现列车在钢轨上的运行 有些转向架的制动力也通过轮对实现 18 41 3 弹簧悬挂装置 它是用来保证一定的轴重分配 缓和轮轨冲击作用 是保证车辆运行平稳性等动力学性能的重要装置 4 牵引装置 它是车体与转向架的连接装置 用以传递车体与转向架之间的水平力等 同时保证车体与转向架之间回转运动 19 41 5 轴箱定位装置 它是联系构架和轮对的活动 关节 除了保证轮对能自由回转外 还能在构架与轴箱之间产生相对运动时由它传递纵向力和横向力 并实现弹性定位作用 目前 高速转向架的轴箱定位装置有单 双 拉板式 拉杆式 转臂式以及采用橡胶弹簧等多种结构形式 20 41 日本IS式 单拉板式 转向架 法国TGV转向架的轴箱定位装置 德国单拉板式转向架 21 41 6 回转阻尼装置 回转阻尼也是抑制高速转向架蛇行运动的一个有效措施 一般采用以下两种装置 旁承支重结构和抗蛇行减振器 全旁承支重结构由摇枕上的旁承装置承受全部载荷 当转向架相对车体转动时 上下旁承之间由摩擦力形成的摩擦力矩阻止转向架相对车体转动 以提供足够的回转阻尼 旁承支重具有结构简单 可减轻车体摇枕梁和摇枕重量等优点 但需选择适当的摩擦副材质 22 41 车体与构架之间 或摇枕与构架之间 安装抗蛇行减振器 也可提供足够的回转阻尼 有效地抑制转向架的蛇行运动 例如 MD52型转向架在采用磨耗形踏面的情况下 速度只能达到160km h 而装用抗蛇行减振器后 速度可提高到250km h 因此 在日 法的200km h以上转向架上都安装有抗蛇行减振器 23 41 7 抗侧滚装置 为了使高速客车具有良好的垂直振动性能 车体悬挂装置的总静挠度至少需要200mm以上 其中80 左右分配在中央弹簧上 而在垂向悬挂比较柔软的情况下 为防止通过曲线时车体的侧滚角过大 一般在高速转向架上设置抗侧滚扭杆 24 41 此外 加大中央弹簧的横向间距也可以起到同样的作用 如MD52 350型将中央弹簧的横向间距加大到2500 2600mm 取消了抗侧滚扭杆装置 25 41 8 主动和半主动悬挂系统的开发 应用主动或半主动控制方法来控制车辆系统的振动 车体倾斜 曲线通过以及轮对位置等等 就可用更经济的手段实现更高的速度 或达到更好的运行性能 这是新一代转向架发展的主要特点之一 如SGP400型在回转阻尼系统 中央悬挂的横向弹性系统以及轮对导向系统等三方面 应用主动或半主动控制系统 26 41 第三节动车组转向架 一 动车组转向架的分类二 动力转向架与非动力转向架的结构特点三 国外动车组转向架结构特点和主要技术参数 27 41 一 动车组转向架的分类动力转向架单动力轴转向架双动力轴转向架非动力转向架 28 41 二 动力转向架与非动力转向架的结构特点动力转向架和非动力转向架 其主要部分采用基本一致的结构型式 1 绝大多数均为无摇枕转向架 2 轮对为空心车轴 整体轧制车轮 磨耗型车轮踏面 3 一系悬挂采用钢弹簧 液压式减振器 轴箱定位装置 4 二系悬挂主要采用空气弹簧 29 41 5 牵引装置主要采用拉杆方式 动力转向架还要有 6 牵引电机 安装方式采用架悬或体悬或半架半体 其中体悬式可降低簧下质量 7 驱动装置 齿轮减速装置和联轴节 齿轮减速装置通过轴承安装在车轴上 牵引电机与齿轮减速装置通过联轴节传递驱动力 30 41 此外 动力车和拖车均采用复合制动方式 其中 动力车采用电阻制动 或再生制动 盘形制动 而拖车采用涡流盘制动 或磁轨制动 盘形制动 由于动力转向架有牵引电机和驱动装置 空间位置比较紧张 因此需采用轮盘式 每轴2个 而非动力转向架采用轴盘式 每轴2 3个 表3 1日本高速动车组代表性转向架结构型式与参数 三 国外动车组转向架结构特点和主要技术参数 表3 1日本高速动车组代表性转向架结构型式与参数 续 表3 2法国TGV动车组代表性转向架结构型式与参数 34 41 Y230动力转向架 叠层橡胶 Y230动力转向架 转臂式 35 41 表3 2法国TGV动车组代表性转向架结构型式与参数 续 36 41 Y237拖车转向架 转臂式 表3 3德国ICE动车组代表性转向架结构型式与参数 38 41 ICE1