铁路建设中的技术问题

铁路建设中的技术问题

请根据高速列车交付的技术要求，说明当前存在的一些技术问题和解决方案。

张红军：高速列车转向架是保证列车高速运行的关键部件。随着列车速度的提高，列车所

需牵引功率急剧增加，轮轨动作用力变得更大，轮轨粘着快速降低，制动功率需要加大。

这些都对高速列车转向架提出了更苛刻的要求。

为满足列车高速运行的需要，高速列车转向架须具有足够大的牵引功率，高的运行稳定性,

低的轮轨动作用力，高的运行舒适性，大功率制动能力和简单、可靠、少维护的结构。为

此，高速列车转向架须解决以下技术问题：

(1)转向架轻量化技术

转向架的质量是影响转向架动力学性能的重要参数，其质量分为簧下质量和簧间质量。

簧下质量是影响轮轨动作用力的重要因素。高速列车转向架须尽量降低簧下质量。为此，

高速列车转向架采用整体微钢小轮径车轮、空心车轴、轻金属轴箱体、轻量化轴箱轴承和

电动机架悬或体悬的悬挂技术，以全面降低簧下质量。

研究表明，簧间质量和转动惯量对列车的运行稳定性、运行平稳性和轮轨间横向作用力均

有显著影响。随着列车速度的不断提高，转向架运动失稳，除轮对的蛇行运动外，常耦合

有转向架构架的蛇行运动，也就是说簧间质量和转动惯量分别影响着构架的侧摆稳定性和

摇头稳定性。为提高高速列车的临界运行速度，动力集中式高速动力车转向架，常将质量

大的电机全部悬挂在车体匕或将部分质量悬挂在车体匕以降低簧间质量和转动惯量。

另外，高速列车转向架还采用轻量化的焊接钢结构构架，轻金属的齿轮箱等，甚至研制非

金属结构的构架以降低簧间质量。动力分散式动车转向架，电机质量小，常将电机架悬在

构架的横梁上。为减轻簧间质量和转动惯量，常采用H形构架，轻量化电动机，将设备尽

量集中在转向架中心附近，

(2)转向架悬挂技术

(1)转向架采用两系悬挂。一系弹簧较硬，二系弹簧较软;一系并联垂向液压减振器;二

系采用高圆钢弹簧或空气弹簧，并适当匹配液压减振器实现垂向利横向软特性。软的二系

特性将构架振动与车体有效地隔离，使车辆能够获得良好的运行平稳性。

(2)合理匹配一系纵横即度参数,转向架一系悬挂参数的纵横向匹配对转向架运行稳定

性具有显著作用，并影响转向架的曲线通过能力和轮轨的横向动作用力。高速列车转向架

设计十分重视一系纵横刚度参数匹配。为了获得准确和稳定的参数匹配值，转向架在结构

设计时，尽量将一系的纵横刚度参数解耦，以控制参数的准确性。ICE1转向架的轴箱定位

方式是一种一系纵横刚度参数解耦的范例。

(3)采用有源和半有源悬挂技术，以改善高速列车转向架动力学性能。随着有源悬挂和

半有源悬挂技术研究的不断深入，高速列车转向架已开始应用半有源或有源悬挂控制技术

提高列车运行舒适性。奥地利的SF600转向架的试验研究表明，半有源悬挂系统可改善列

车运行舒适性15%我国理论研究表明，半有源悬挂系统可使车体的横向加速度峰值降低

30%,有源悬挂系统可使车体的横向加速度峰值降低60%o

(3)高速列车转向架驱动技术

高速列车驱动技术是高速列车转向架首先须解决的问题。高速列车转向架驱动机构由牵引

电动机、齿轮传动系统和联轴相构成。驱动系统须满足足够大的牵引功率、高的运转速度、

轻的质量和小的体积空间等要求。为此须解决以下技术问题：

(1)交流驱动技术。大功率牵引是高速列车遇到的首要问题。功率大、重量轻、体积小

的交流电动机对改善高速列车转向架的动力性能起到了关键性作用，同时使高速列车转向

架有可能采用大功率电机实现高速牵引的需要。当前高速机车的轴功率可达到1600kWo

此外，交流传动技术结合先进的粘着利用控制技术，可以提高粘着利用率。

(2)高速齿轮系统传动技术。牵引电机的功率是通过高速齿轮箱传递给轮对的。高速齿

轮箱设计须充分估计其工作环境和载荷强度，解决好减重、齿轮高速重载啮合问题，解决

好轴承润滑和齿轮箱密封的技术难点。

(4)驱动电机悬挂技术

各国在研制高速列车转向架技术时，均将驱动电机悬挂在车体上或构架上。日本对

RDT9032转向架的对比试验研究表明，电机悬挂在车体上较悬挂在构架上其转向架运行临

界速度可提高30%以上。我国对轮对空心轴的转向架的初步分析计算表明，当速度为300

km/h时，体悬较架悬的轮轨横向力降低46%,横向平稳性指标值降低23.8%。由此可见，

电机的悬挂方式对转向架的动力特性影响十分显著。动力集中式高速动力车转向架的电机

悬挂方式基本采用体悬或半体悬的悬挂方式，以充分降低簧下和簧间质量。动力分散式高

速动车的电机悬挂方式基本上以架悬方式为主。电机架号虽然牺牲一些动力学性能，但能

使结构得到简化。

驱动电机悬挂的典型结构是：

(1)电机轴横向布置的体悬结构。以法国TGV动车转向架为成功应用范例。

(2)电机轴横向布置的半体悬结构。以德国ICE动车转向架为成功应用范例。

(3)电机轴横向布置的架悬结构。以日本新干线300X系列高速动车转向架为成功应用范

例。

驱动电机悬挂除上述的典型结构外，还可因电动机布置位置、驱动联轴器的结构和悬挂结

构的变化组合成新颖的悬挂方式。理论分析表明电机悬挂结构和参数的选取对转向架动力

学性能具有较大的影响。

(5)高效联合制动技术

高速列车制动须解决列车动能的快速转换和能审消耗技术，并在轮轨粘着允许条件下，给

列车提供较大的减速度。为此，高速列车通常采用联合制动方式，以再生或电阻制动为主,

空气制动为辅，并采用电子防滑装置来提高轮轨粘着利用。ICE1和TGV高速列车在常用制

动时，电制动和空气制动的动能分配比为40:60,新干线高速列车的动能分配比为97:3。

现代高速列车转向架采用轴盘或轮盘制动作为空气制动。盘形制动的摩擦系数稳定，制动

功率大，是一种高效的空气基础制动装置。

现代高速列车已将非粘着制动的涡流制动应用到动力分散式高速列车转向架上。300X、

ICE3、AGV高速列车已在非动车上采用涡流制动，提高制动力。

黄成荣：为了实现运行速度的提高，首先必须实现更高的运动稳定性临界速度。比如说，

最高运行速度为160km/h的列车，其运动稳定性临界运度高于200km/h即可认为其运动

稳定性满足要求;而最高运行速度为300km/h的列车，其运动稳定性临界速度起码要求高

于350km/ho

其次是安全性、舒适性问题。列车速度的提高，实际上相当于增加了列车所受到的外界激

扰，如何在激扰增强后使列车的安全性、舒适性指标达到更严格的要求是这个问题的难点

所在。

除上述性能方面的要求外，还在可靠性、维修性、测试性、保障性等方面对列车包括转向

架提出了更高的要求。当然对转向架这样的机械系统而言，这方面_E作的难度非常大，需

要探索的问题比较多。

为了满足高速转向架在性能方面的要求，需要从以下几方面来考虑：

(1)降低列车的轴重、簧卜质量及簧间质量。对动力转向架而言，随着速度的提高，电

机悬挂方式从抱轴到架悬再到半体忌、体悬，即是将电机等质量从簧下转移到簧间再转移

到簧上，实现簧下质量及簧间质量的降低。对非动力转向架而言，基本都采用了无端梁、

无摇动台、无摇枕的“三无”结构，通过结构的简化，实现簧下质量及簧间质量的降低。

(2)采用空心车轴、整体加工车轮等，构架、轮轴等采用强度性能好的材料，齿轮箱采

用铝合金，甚至轴箱也采用铝合金等等。高速列车采用交流传动方式来降低转向架的簧下

质量及簧间质量也有明显的作用。

(3)为了提高运动稳定性临界速度，高速转向架普遍采用抗蛇行减振器。高速列车转向

架普遍采用大挠度弹簧，增加液压减振器的使用数量，有些转向架还采用半有源悬挂甚至

采用有源悬挂方式。

(4)高速转向架对焊接工艺、加工精度及组装精度方面提出了更高的要求，这方面的要

求包括转向架两侧固定轴距差、构架对角线差、四角高差、车轮滚动圆直径差、轮对内侧

距公差、轮对残余动不平衡值等等。

陈国胜:转向架的技术特点及需解决的技术问题主要体现在以下几个方面：

(1)轮轨关系。对于高速列车，良好的线路条件对列车的平稳、可靠的高速运行具有决

定性的影响。线路的曲线半径和轨道的横向、垂向、纵向的不平顺等均对机车车辆高速运

行产生不良影响。因此，不同的线路条件决定了采用不同速度等级的机车车辆。

轮对内侧距离的大小直接关系到车轮与钢轨间的间隙，小间隙可以提高机车车辆的运行平

稳性，但恶化了曲线通过性能。因此高速机车车辆需要确定合适的轮轨间隙，并且要考虑

踏面形状、轮对变形以及制造误差对轮对内侧距离的影响。车轮踏面形状直接影响机车车

辆的临界速度，对于高速动力转向架，车轮踏面形状的设计既要考虑临界速度，又要考虑

减少磨耗。

转向架两端轴距差也影响机车车辆的临界速度，并且加大车轮的磨耗，因此，高速机车车

辆需严格控制转向架两端的轴距差。

(2)悬挂系统及轴箱定位。岛速动力转向架悬挂系统是保证岛速动力转向架向速运行的

关键，它由一、二系弹簧、减振器及轴箱定位组成。高速动力转向架悬挂的最大特点:一

是二系采用高挠弹簧和抗蛇行减振器;二是轴箱一般采用单侧轴箱拉杆定位。轴箱拉杆两

端采用球形橡胶关节。由于橡胶关节径向刚度大，回转刚度小，因而轴箱纵向具有较大的

定位刚度，且轴箱相对构架能自由地沉浮及绕本身轴线回转。该种结构的特点是结构简单,

且可实现一系纵向、横向弹性参数相对独立，这对高速动车转向架是十分重要的；并且一

系纵向刚度大，横向刚度小，有利于提高临界速度，保持驱动系统稳定，提高粘着利用率

及改善曲线通过性能。

高速动力转向架悬挂系统的设计不但要保证高速动力性能，也要保证高速及曲线通过时各

种运动部件之间的关系；井旦要考虑机械传动系统弹性元件及牵引装置对机车动力学性能

的影响。

(3)驱动系统。高速动力转向架的驱动系统结构主要有2种:一是弹性空心轴驱动结构；

二是联轴节驱动结构。驱动电机的转矩均是通过弹性空心轴或联釉节传递到轮对。高速动

力转向架传动齿轮一般采用斜齿或人字齿，以提高传动的平稳性。对于高速动力转向架传

动系统的设计，一是要考虑高速釉承的定位和润滑;二是要进行各种状态下的各部件间的

运动分析;三是要进行各部件间力的传递分析。以上分析均要考虑高速旋转时离心力的影

响以及机车运动过程中的动态影响。

(4)轮箱的润滑及密封。高速动力转向架齿轮箱的设计不但要保证齿轮的润滑，也要保

证传动轴承的润滑，因此，需对齿轮箱在高速运行时的内部空间进行压力分布分析和试验

测试，在此基础上进行油路(进油、回油)设计，以保证油路畅通，油量适中；同时优化

旋转件间的迷宫密封，保证润滑油不泄漏。润滑不良或润滑油泄漏对高速转向架的可靠运

行是一个严重的威胁。

(5)轴承。高速动力转向架轴箱轴承均采用整体轴承，以便于控制轴箱横动量和保证轴

承油脂不泄漏，实现免维护。轴箱体要严格控制受力状态下的变形量和提高加_E精度。

在轴箱设计中要保证雨、雪、沙不会进入轴箱轴承内。

200km/h及以上动力转向架传动轴承最好采用油润滑，以提高其可靠性。

要设置轴承诊断装置，保证高速动力转向架的可靠运行。

(6)构架、轮对的疲劳设计。高速动力转向架均采用整体碾钢车轮，对车轮的化学成分、

杂质含量、力学性能和内部缺陷提出了很高的要求。特别是要求对车轮的疲劳性能进行全

面的分析和试验:对车轮辐板形状和厚度需进行优化设计;在强度计算中需要考虑离心力、

牵引力、制动力以及轮轴装配应力的影响，并且对其表面质量要严格控制;在车轮上不允

许有应力集中的孔、棱角存在；需要确定高速机车车辆用车轮材料的疲劳极限，这对车轮

设计极其重要。

高速动力转向架车轴最好采用25CrM04(对应EA4T),其含碳量较小，而综合力学性能

乂较优，国外对其研究较充分，国内乂有该材料。

车轴轮座处最好采用喷铜处理，这样可以提高疲劳性能和大大降低轮时的维修成本。车轴

轮座与轴身过渡圆弧R应尽量大于75mm,以提高疲劳性能。

劝于空心车轴，对其内部的表面质量提出的要求更严格，因为其表面的疲劳强度较低。

由于高速动力转向架采用柔性构架，因此必须对构架进行模态分析。构架内部筋板的布置

要考虑变形的影响，不要让筋板在运动过程中干涉到盖板。特别是需进行焊接结构工艺性

分析和对焊逢进行疲劳分析。在构架设计中不允许有不开坡口的结构存在，并且要保证完

全焊透。要按照UIC615标准进行构架疲劳试验。构架计算和试验均要考虑电机、制动器

吊座等悬挂点的受力情况,

(7)基础制动。高速动力转向架基础制动均采用大热容量、耐磨、抗热疲劳制动盘，200

km/h以上动力转向架均采用盘形制动，300km/h及以上动力转向架更需要采用轴盘制动

以减少簧下质量。但对于动力分散列车来说，动力转向架均采用轮盘制动，非动力转向架

采用轴盘制动。

高速动力转向架基础制动均采用制动和缓解合二为一的制动缸，并且有闸片与制动盘间隙

自动调整机构。制动缸的动作要保证绝对可靠。

不管是采用轮盘制动还是轴盘制动均要分析制动盘温度分布和热应力，并从结构上隔断热

量向车轮或轴上传递。

(8)紧固件的设计。对于高速动力转向架，各种紧固件的防松及抗疲劳设计特别重要:一

是要尽量采用大直径和抗疲劳螺栓;二是从结构上保证螺栓只受拉应力;三是采用钢丝螺套

或机械防松。

(9)磨耗、变形对高速动力转向架性能和可靠性的影响。变形主要是指机车在运动过程

中构架的变形，弹簧的变形，各种橡胶关节的变形等。这些变形影响了转向架的各种定位

关系和悬挂参数，因此会对高速转向架的动力性能产生影响。磨耗主要是指车轮的磨耗、

齿轮的磨耗、轴承的磨耗、制动闸片、制动盘的磨耗、各种销套间的磨耗。磨耗不均会产

生异常受力。这些会对高速动力转向架的寿命和可靠性产生严重不利影响。

(10)缺陷及制造误差的控制。制造误差恶化转向架的性能且会产生异常受力情况，质量

缺陷严重影响转向架的疲劳寿命。因此，对于高速动力转向架所有部件均要严格控制质量

缺陷和制造误差。

综上所述，高速转向架具有特殊的技术特点，需要我们从设计、结构、材料、试验、制造

工艺等方面提高认识。只有从基础工作做起，才能真正设计制造出适合我国的高速动力转

向架。

封全保:高速列车转向架应具有高的稳定性和低的轮轨动作用力，高的粘着利用率和艮好

的驱动性能，高的安全性能和低的维修工作量。一般通过以下技术措施来实现以上目标：

(1)通过选择合理的一、二系悬挂结构形式并进行参数优化来保证高速车商的稳定性。

如采用易于实现轴箱三向刚度解耦的单拉杆+钢圆弹簧结构做为一系悬挂，采用易于实现

垂向和横向刚度匹配的高圆弹簧结构做为二系悬挂，同时配以适当的减振元件，达到保证

动力学性能的目标。

(2)通过采用适当的牵引电机及基础制动装置的悬挂方式和相应的轮轨减重措施，有效

降低转向架簧下质量，并配以一系悬挂的参数优化达到降低轮轨动作用力的R标。如采用

驱动制动单元体悬或半体悬把该部分的质量由黄下转移到簧上，采用空心车轴和小轮径车

轮减轻轮对质量达到降低黄下质量的目的，保证低的轮轨动作用力。

(3)通过选用能实现运动和传递扭矩解耦的装置来稳定传递牵引或制动扭矩，并选用适

当的牵引方式达到保证牵引性能的目标。如采用易于实现三向刚度解耦的六连杆空心轴传

动或三爪万向轴结构达到牵引制动力稳定传递的目的，采用斜牵引杆结构达到减小轴重转

移的目的。

(4)通过强度分析、试验和有效的安全防护设计保证转向架安全可靠，如采用有限元技

术对主耍受力部件进行优化设计，对焊接方法和结构进行强度试验,对关犍运动件和整台

转向架进行跑合试验等。通过采用低磨损或无磨耗结构或新技术，减少磨耗延长零部件使

用寿命。如采用橡胶关节或耐磨销套，制动缸密封与导向分离技术等等达到减磨效果，最

终减少维修工作量。

问:动力分散式与动力集中式高速列车转向架的技术特点及我国在开发高速列车时应注意

的问题。

张红军:动力集中和动力分散是高速列车2种典型的动力配置形式。日本基于日本国内路

基松软、对轴重限制严格、站间距短、列车须频繁加减速等原因，提出动力分散的实施方

案。德国和法国则基于欧洲铁路轨道基础好、能承受较大的作用力、拥有先进的大功率驱

动技术和多年积累的大功率机车牵引技术经验，选择了动力集中式高速列车方案。

随着列车速度的不断提高，列车牵引和制动功率迅速增加，轮轨间粘着有限，轮轨间动作

用力急剧增大，车轮和轨道磨损严重。当速度大丁300k川/h时，列车动车轴重、粘着重

量和驱动功率成为动力集中式高速列车的限制因素。一贯倡导动力集中的德国和法国开始

重新考虑高速列车的动力配置问题。法国自1999年对外宣布开始研制350km/h的动力分

散式AGV高速列车，2002年投入运营。德国首列运营速度330km/h的动力分散式ICE3高

速列车于2000年投入使用。

高速列车动力配置选型对科学规划高速铁路是十分重要的。高速列车动力配置不仅与列车

的本身技术问题有关，而且涉及到列车的最高运营速度、列车编组、运输组织、列车的周

期成本、周边环境经济和高速铁路未来发展等多项因素。但世界高速列车的三巨头，德国、

法国和日本在尚速列车竞争发展路上的殊途同归现象，是值得我国在拟定京沪高速铁路的

高速列车动力配置方案时特别关注的。

黄成荣:对于动力集中高速列车，由于整列车的动力集中于「2节动力车，动力车需要产

生、传递很大的牵引力，其牵引电机功率、体积比较大;整个动力车的设备布置集中，轴

重相对较大，其动力转向架的构架、轮对等均相对较重，因此必须从转向架结构方面采取

措施降低列车的簧下质量及簧间质量。对于200km/h等级的动力转向架，电机悬挂些本

采用架悬方式，机械传动主要采用轮对空心轴传动方式;在驱动位置方面分车轮辐板驱动

和车轴驱动等方式;其基砧制动方式分轮盘、轴盘、制动轴轴盘等方式。对于300km/h等

级的动力转向架，电机悬挂基本采用半有源或有源方式，以减轻簧间质量，机械传动上要

采用轮对双空心轴传动或万向轴传动方式;轮对双空心轴传动时基础制动采用轴盘方式，

万向轴传动时基础制动采用轮盘方式。

对于动力分散高速列车，由于列车的动力分散于多节动车，每节动车需要产生、传递的牵

引力不大，其牵引电机功率、体积相对较小，列车设备分散布置，每节车轴重均相末较小,

动力转向架的构架、轮对等均相对较轻，从转向架结构方面采取措施降低列车的簧下质量

及簧间质量的压力比集中方式小，因此其动力转向架电机悬挂基本采用架悬方式，机械传

动主要采用联轴节传动方式，基础制动基本采用轮盘方式。

对于动力分散和动力集中高速列车非动力转向架均采用无端梁、无摇动台、无摇枕的“三

无”结构，基础制动均采用轴盘方式，差别较小。

封全保:动力分散转向架有些部件易于与拖车转向架简统。由于功率小，牵引、制动设计

方便自如；由于承载低，结构更为简单；由于转向架重量轻，相应的各部分惯量小；易于保

证其动力学性能，尤其是高速如350km/h速度情况下。相反，动力集中式动力转向美结

构复杂，要采用多种技术措施保证其性能，尤其是降低轮轨动作用力和保证稳定性方面。

单从运行平稳性、安全性、舒适性和减少对轨道的影响方面讲二者均能保证。从技术上讲,

动力集中和动力分散均能满足高速运行要求，如欧洲的TGV和1CE1、1CE2系列动车组均

是动力集中式的，其中TGV-A曾创造了515.3km/h的轮轨系统高速行车世界记录；另一方

面，日本的新干线系列和德国的ICE3采用动力分散式的。这说明技术上二者是成熟的，

各有千秋，关键看用于什么系统环境下和用于什么目的。考虑中国国情，若运行时间在4

h以内，应采用动力分散的列车技术，方便两地(多地)高速公交化运行，如北京一天津；

若运行时间超过6h,应采用动力集中的列车技术，方便组织，易于实现大区间运行，如

北京一广州。

问：保证高速列车转向架安全可靠运行应关注哪些问题？

封全保:在保证高速列车安全可靠性方面应关注以卜.问题：

(1)轮轴的状态问题。尤其是要监控车轮的情况，关注车轴材料对裂纹敏感性和轮座的

微动磨损。

(2)吊挂部件的防落问题。防止发生因部件坠落的事故。

(3)轴承润滑问题。运用中应定期更换润滑油，加强油面的控制，杜绝缺油的情况下运

行，丰富轴温监控的内涵，强化故障诊断功能，预防故障的出现。

(4)强度和疲劳问题。对关键受力螺栓进行监控，定期掌控构架等承载件的强度。

(5)关键件的防护问题。保护转向架下部的制动管路、制动缸、齿轮箱和托架箱体，防

止因飞石打击造成的部件损坏。

张红军:性能优良可靠的转向架是高速列车安全运行的重要保证。转向架的安全可靠与转

向架的设计、制造、装配、质量管理、运行维护等多方面因素相关，此处仅对开发过程中

的有关问题进行讨论。在高速列车转向架的开发过程中，须注重以下几方面：

(1)充分降低轮轨动作用力和转向架振动。列车在高速运行时，转向架振动加剧，轮轨

动作用力快速增大，强烈的振动是促使转向架失效的源头。只有有效地抑制振动才能改善

转向架的工作环境。削弱振动的有效措施是：确定合理的结构方案，有效地降低簧下质量、

簧间质量和优化转向架