城市轨道交通径向转向架技术发展与应用

城市轨道交通径向转向架技术发展与应用

1径向转向架的研究与应用车辆的径向倾角是指当列车以u9的速度运行时，车轴可以在曲线的径向位置上的不同执政党中处于不同的发展趋势。u2009被称为径向流放。径向转向架的历史相当久远。然而,初期径向转向架连接机构的多余结构不仅增加转向架制造成本、恶化维护保养性能,u2009而且由于簧下重量增加而影响振动特性,难于推广。直到1973年当时英国国铁研究所的Wickens提出的等价定位刚度的理论,为开发带有各种连接机构的径向转向架提供了理论上的可能性。由于径向转向架有效地解决了转向架曲线通过性能和横向稳定性之间的矛盾,提高了列车的曲线通过能力,并能减少轮轨侧向磨耗,世界各国都在积极进行径向转向架的研究试制。近年来,径向转向架开始应用于城市轨道交通车辆上,并在日本、加拿大等国获得了成功。径向转向架在我国的发展开始较晚。在大铁路选择线路方案上会尽量避免小半径曲线,因此,车辆径向转向架则“英雄无用武之地”。近年来,在城市轨道交通方面,径向转向架在国内已有成功应用的先例。如广州地铁直线电机车辆应用SDB-LIM型迫导向径向转向架,其最大设计速度为120u2009u2009km/h,最小通过曲线半径为60u2009u2009m。2曲线轨道东南角对于转向架和轮轴姿态进行定义:将轮轴的中心在曲线轨道中心线以外的,定义为转向不足;将轮轴中心与轨道中心线重合的定义为径向转向(冲角为零);将轮轴中心在轨道中心线以内的定义为过度转向。2.1第3轴是横向对于第3轴的冲角普通转向架在通过小半径曲线段时,转向架处于转向不足的状态,转向架的前轴(前转向架的第1轴、后转向架的第3轴)产生了冲角,前轴的车轮受到来自外轨的横向蠕变力。而后轴(前转向架的第2轴、后转向架的第4轴)处在接近轨道中心的位置,由于轮径差得不足,后轴受到纵向蠕变力(切线力)。这些力作为转向架的反导向力矩,对与轮缘接触的前轴产生了巨大的横压(图1)。2.2前后导向角不一致柔性定位转向架的一系悬挂采用柔性悬挂,u2009定位刚度比常规转向架小。在曲线上运行时,依靠各自轮轨之间的蠕滑力来导向,以减小轮对在曲线上的冲角,由于缺少了前后轮对的连接装置,一系柔性定位转向架前后导向角不能保持一致。它虽具有一定的前轮导向能力,u2009但不具备前后轮对的径向能力。2.3装配导向机构自导向径向转向架的基本原理是轮对间相互连接或对角交叉支撑,u2009通过在同一转向架的前后轮对之间加装导向机构,u2009把前后轮对铰接起来,使前后轮对易于实现相对回转。导向机构可以将前轮对趋于曲线径向位置的趋势反向传递给后轮对,使前后轮对在通过曲线时均有趋于曲线径向位置的作用。自导向径向转向架结构较为简单,在半径较小的曲线上径向调节作用较弱,并不能完全实现车辆径向通过曲线。2.4u293转移集中布置的结构特点迫导向径向转向架利用车辆通过曲线时车体或摇枕与转向架的相对回转位移,u2009通过连接车体和轮对的导向机构迫使前后轮对反向回转而趋于曲线的径向位置。3fs576型转向架东京地铁全线营业里程195.1u2009km,其中曲线占50%以上,半径300u2009u2009m以内的小半径曲线占到15%。尤其是半径200u2009u2009m以内的小半径曲线占全线14%。基于这种线路地形特征,日本东京地铁公司与住友金属公司共同研发了FS576型转向架。这一新型转向架为两轴转向架,其中一轴带有迫导向连杆式,而另一轴为一系柔性定位连接。为此,该型转向架也可以称之为“半迫导向径向转向架”。每节车厢所安装的2台转向架中,靠近车辆中间位置的2根车轴(2、3轴)采取迫导向径向控制,而其余2轴(1、4轴)为一系柔性定位悬挂。具体形式如图2所示。3.1连杆导向机构的选择转向架的摇枕、转向架构架、轴箱通过连杆机构连接,之所以采用连杆式导向机构,是因为这种连接方式能够实现有效控制,在导向操控频繁的情况下具有更高的安全性(图3、表1)。3.2第2轴为横向威胁的控制FS576型转向架按照车辆前进方向,每节车厢上2台转向架的4个轴分别定义为第1、2、3、4轴。当经过曲线段时,各轴动作情况如下。(1)第1、2轴。按照通过曲线段时产生的转向角对第2轴迫导向,其冲角增大,来自外轨的横向蠕变力增加,所以,需要将第2轴向外轨方向移动。这样可以缓解轮径差的不足,减少第2轴的纵向蠕变力。另外,通过第2轴向外轨方向的移动,转向架的位置由转向不足改变为径向转向。这样,即使没有对第1轴进行迫导向控制,也能使其冲角以及横蠕变力减小。由此可见,第2轴的纵向蠕变力以及第1轴的横向蠕变力的减少,可以使转向架的反导向力矩减少,第1轴外轨的横压降低(图4)。(2)第3、4轴。对于前进方向后侧的迫导向转向架,通过曲线段时,对作为前轴的第3轴进行迫导向,使其冲角和横向蠕变力减小。从而减少第3轴外轨的横压(图5)。4fs576半强迫驾驶现车试验和评估4.1迫导向装置的模拟法由于该转向架的导向轴轴箱前后支撑仅由迫导向装置连接,这一结构可有效保证操控效果,一旦迫导装置出现异常就会影响行驶安全。因此,比照丸之内线的现车行驶情况对迫导向装置进行了模拟分析。其中包含一些容易造成脱轨因素的模拟,例如:S形曲线、渡线等轨道条件下行驶的仿真,在住友金属公司的曲线试验线上进行的导向杆松动等。借此,事先确认了该转向架不会对行驶安全造成无法弥补的损失。4.2外轨横压对比2009年9月,2台FS576型转向架被安装在东京地铁丸之内线分支线02系列车辆的3号车上,进行现车走行试验。同时还将FS576型转向架的导向装置取下换成一系柔性定位连接,进行相同条件的走行试验,最终对试验数据进行了比对。安装方法如图6所示。(1)通过曲线段时,第1轴外轨横压的对比。采用FS576型转向架及普通转向架条件下,以40u2009u2009km/h速度通过R=167u2009u2009m的曲线段时,其第1轴外轨横压的对比情况如图7所示。可见,在包括缓和曲线的全部曲线段上,FS576型转向架的横压都比较低,通过圆曲线段的横压降低大约30%。(2)通过各种半径的圆曲线时,第2轴纵向蠕滑力对比(图8)。通过分析图8反映的第2轴轴箱支撑连接处受力的测量结果,可见在各种曲率的曲线段,FS576型转向架第2轴的纵向蠕变力均降低。(3)通过各种半径的圆曲线时,第1轴冲角及外轨横压的对比见图9、图10。图9、10表明,由于第1轴的冲角的减小,转向架接近径向转向姿态,横压也随之减少。按照前文的理论可知,FS576型转向架对横压的降低效果不受曲线半径的影响。(4)通过各种半径的圆曲线时,第3轴冲角及外轨横压的对比见图11、图12。可见,随着FS576型转向架第3轴的冲角的减小,横向蠕变力减小,因此,第3轴的外轨压力也随之减小。4.3u2004车辆噪声分别对采用普通转向架和FS576型转向架的车内噪声进行实时监测,其结果如图13、14所示。在通过半径为160u2009u2009m的小半径曲线段时,采用普通转向架的车辆在频率为4～7u2009u2009kHz的区域会产生很大的噪声,而这种噪声在采用FS576型转向架的情况下基本完全消失。FS576型转向架通过半径200～500u2009u2009m小曲线时,在降低横压、提高行车安全及稳定性、降低轮轨磨耗量、降低车内噪声等方面效果明显。5向架的作用及评价新型转向架在结构、安装方式等方面的特点使其在实际应用中具有很多优势。(1)由于每节车厢2台转向架的导向轴都被配置在靠近车体中间的位置,原本安装在第1轴、第4轴的主电机和驱动装置仍然可以安装在原位置,因此,可以防止车体在通过缓和曲线过程中发生轴重减载;(2)由于导向装置只安装在转向架的1根轴上,对于降低制造及维修成本、控制转向架质量都具有一定作用;(3)采用迫导向转向架还能够有效消除车内噪声,提高乘车舒适度。由于城市轨道交通在线路方案的选择上受到诸多的局限(要求避开地下建筑物基础和高架地面建筑物,减少线路占地和拆迁工作量,降低土建工程造价等),往往不得不选择建设小曲线线路。其结果使世界上的城市轨道交通(地铁、轻轨、市中心区现代有轨电车等)不同程度地存在着曲线上钢轨内侧面和轮缘磨耗过快、车辆设备维修费用高居不下、车轮轮缘切咬钢轨的噪声污染环境等问题。