日本鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的研究與發(fā)展歷程

馬 立

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司,北京100081)

第2次世界大戰(zhàn)后,日本一部分從事過飛機(jī)研究的科技人員加盟了鐵路,他們的創(chuàng)新研究極大地深化了對(duì)鐵道車輛運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí),并取得了豐碩的成果,包括定量地弄清了車輪踏面形狀、回轉(zhuǎn)阻力、軸箱支承剛度等各種參數(shù)與車輛運(yùn)行性能的關(guān)系。這個(gè)時(shí)期也是車軸軸承從滑動(dòng)軸承過渡到滾動(dòng)軸承的時(shí)期;進(jìn)入20世紀(jì)50年代后,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是鋼板或型鋼鉚接組裝,之后變?yōu)殍T鋼制造,隨著焊接和探傷技術(shù)的進(jìn)步以及強(qiáng)度評(píng)價(jià)法的發(fā)展,變?yōu)殇摪搴附咏Y(jié)構(gòu);同時(shí),隨著對(duì)車軸強(qiáng)度的深入研究、車軸超聲波探傷法的推廣應(yīng)用以及整體輾鋼車輪的出現(xiàn),使得輪對(duì)這一轉(zhuǎn)向架基本部件的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)有了跨越式發(fā)展,這些已在既有線車輛上采用的成熟技術(shù),轉(zhuǎn)移應(yīng)用到新干線高速電動(dòng)車上,其代表就是1964-10-01首次以速度210 km/h商業(yè)運(yùn)營、拉開了世界高速鐵路發(fā)展序幕的東海道新干線0系高速列車。

轉(zhuǎn)向架研究在鐵道車輛的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用,轉(zhuǎn)向架承受車體的質(zhì)量,并將輪對(duì)和懸掛裝置收容在構(gòu)架中,還要安裝驅(qū)動(dòng)裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)向架的基本要求包括①支承車體,不脫軌,安全運(yùn)行;②以高速運(yùn)行在直線和曲線線路時(shí),舒適度良好;③結(jié)構(gòu)簡單,容易維修;④鋼軌磨耗和軌道變形少等。

1 車輛運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向架

車輛運(yùn)行時(shí),受到了來自線路的振動(dòng)、車輪與鋼軌間的橫向滑動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)以及作用在車體上的風(fēng)壓等,產(chǎn)生了包括縱向、垂向、點(diǎn)頭、橫向、搖頭和測滾等6種形式的振動(dòng),抑制這些振動(dòng)可以得到良好的舒適性。車輪在鋼軌上運(yùn)行時(shí),重要的是平穩(wěn)地在直線上運(yùn)行和順暢地通過曲線,減少作用在鋼軌和車輛上的力。車輪接觸鋼軌面的“踏面”采用具有斜度的圓錐形,這種斜度可以引導(dǎo)車輛運(yùn)行,抑制通過曲線時(shí),曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)車輪的滑動(dòng),緩和輪緣碰撞鋼軌時(shí)的沖擊。高速運(yùn)行時(shí),在直線上會(huì)產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng),為了抑制這種振動(dòng),踏面的斜度要小,還必須限制軸箱相對(duì)于構(gòu)架的運(yùn)動(dòng)(一系懸掛剛度大)。此外,轉(zhuǎn)向架軸距大,在轉(zhuǎn)向架和車體間安裝抗蛇行減振器,這些都能有效地抑制蛇行運(yùn)動(dòng)。0系踏面的斜度為1/40,后來采用圓弧型踏面取代了圓錐型踏面(圖1)。

圖1 新干線車輪踏面形狀

選擇軸距要兼顧直線運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和通過曲線的性能,新干線選定為2.5 m。此外,為了抑制回轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng),抗蛇行減振器是重要的,TGV和ICE設(shè)置了2組抗蛇行減振器。此外,轉(zhuǎn)向架還要提供適當(dāng)?shù)幕剞D(zhuǎn)阻力。

2 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)

如圖2所示,轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、懸掛系統(tǒng)、軸箱和輪對(duì)構(gòu)成。此外,還有安裝了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和將其扭矩傳到車軸上的齒輪傳動(dòng)裝置以及通過空氣或油壓指令作用制動(dòng)力的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。

圖2 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成(200系)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由橫向?qū)ΨQ的2片側(cè)梁、枕梁(搖枕梁或橫梁)和端梁構(gòu)成,側(cè)梁通過軸箱和一系懸掛由輪對(duì)縱向支承。枕梁在橫向連接側(cè)梁,通過設(shè)在中心的心盤或中心銷使轉(zhuǎn)向架可以相對(duì)于車體回轉(zhuǎn)并傳遞牽引力和制動(dòng)力。端梁也在橫向連接側(cè)梁,但是,為了減薄,最近轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多采用側(cè)梁和橫梁整體焊接結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向架的發(fā)展方向是輕量化和簡單化。

3 轉(zhuǎn)向架的分類

不同的制造商和運(yùn)營商,對(duì)轉(zhuǎn)向架有不同的分類方法。將轉(zhuǎn)向架按照“軸箱支承方式”和“車體支承方式”分成2類。

(1)根據(jù)“軸箱支承方式”分類

①軸箱導(dǎo)框式(圖3)

圖3 軸箱導(dǎo)框式

這是軸箱只能在垂直方向運(yùn)動(dòng)的方式。軸箱收容在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁下方的軸箱導(dǎo)框內(nèi),通過安裝在軸箱上的彈簧支承車體載荷。這也是最早應(yīng)用的方法,由于其有較好的可靠性,一直在各種車輛上使用著。但是,要求軸箱與導(dǎo)框之間需經(jīng)常保持無間隙狀態(tài),給維修帶來困難。

②圓筒導(dǎo)向式(圖4)

在軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上均備有圓筒(兩個(gè)圓筒的直徑不同),將它們組合成一種類似活塞的結(jié)構(gòu)。圓筒的周圍設(shè)置軸箱彈簧。與軸箱導(dǎo)框式相比,其優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)部分少,有利于維修。在德國、瑞士和日本應(yīng)用較多。

圖4 圓筒導(dǎo)向式

③明登(Minden)式(圖5)

軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過薄板彈簧(板彈簧)連接,垂直方向的運(yùn)動(dòng)通過板彈簧的變形減振,由于沒有滑動(dòng)部分,維修容易,在許多鐵道車輛上得到應(yīng)用。舊型式是軸箱的左右(前后)用板彈簧固定在構(gòu)架上;新型式是僅從構(gòu)架的中心側(cè)支承軸箱。

除德國ICE和日本新干線的高速列車采用明登式外,日本不少的私鐵電車上也采用了這種結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)向架。

圖5 明登(Minden)式

④疊層橡膠式(圖6)

軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的接觸部通過疊層橡膠支承。沒有滑動(dòng)部分,只是定期地檢查橡膠的老化,維修簡單,所以,被許多車輛采用。

圖6 疊層橡膠式

⑤拉桿式(圖7)

通過拉桿將軸箱連接到構(gòu)架上。滑動(dòng)部分少,部件數(shù)稍多,法國的TGV采用了這種方式,近年來,出現(xiàn)了只一側(cè)有拉桿的方式(單連桿式)。

圖7 拉桿式

⑥軸梁式(圖8)

通過與軸箱做成一體的臂狀梁(軸梁)連接到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的方式。垂直運(yùn)動(dòng)通過軸梁引導(dǎo),而軸箱前后(縱向)被固定住。部件少,沒有滑動(dòng)部分,維修簡單。在日本,除JR最新的電動(dòng)車采用軸梁式外,也有一部分私鐵采用。

圖8 軸梁式

⑦經(jīng)濟(jì)式(開拓者式)(圖9)

這是有效利用空氣彈簧的剛性,省略軸箱支承裝置和軸箱彈簧的方式。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上直接安裝軸箱,結(jié)構(gòu)簡單。

圖9 經(jīng)濟(jì)式

20世紀(jì)60年代曾制造了很多,日本使用過的有東京快速電鐵、小田急電鐵、京阪電氣鐵道、南海電氣鐵道等,但是,舒適度問題一直未得到解決。

(2)根據(jù)“車體支承方式”分類

①搖枕式(圖10)

這是通過稱作“枕梁”的部件承受車體載荷的方式。載荷從上搖枕傳到下?lián)u枕,再通過“搖枕吊桿”傳到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架乃至車輪上。

用于各種車輛上,舒適度好,但是,部件數(shù)量和滑動(dòng)點(diǎn)多。近年來,開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單、舒適度好的轉(zhuǎn)向架。由于搖枕式轉(zhuǎn)向架曾經(jīng)有過廣泛使用的業(yè)績,所以,現(xiàn)在多數(shù)還被使用著。

圖10 搖枕式

②間接安裝式(圖11)

為了減輕維修工作量(時(shí)間、人力和工作量),廢除了搖枕吊桿,僅由搖枕梁(上搖枕梁)支承車體的方式。有可能采用空氣彈簧(也有用螺旋彈簧的)。

這是從1965年左右,在日本,不論舊國鐵還是私鐵廣泛采用的方式,但是,后述的無搖枕轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)以后,在JR和一部分私鐵基本上不再采用。

圖11 間接安裝式

③無搖枕轉(zhuǎn)向架(圖12)

縮短到達(dá)目的地所需時(shí)間是鐵道經(jīng)營者的重要服務(wù)內(nèi)容之一。為此,必須提高列車運(yùn)行速度和通過曲線的能力。即提高轉(zhuǎn)向架的高速運(yùn)行性能,降低曲線運(yùn)行時(shí)的橫向力。為此,必須實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的輕量化。但是,在有搖枕的轉(zhuǎn)向架中,搖枕和心盤裝置等的質(zhì)量,每個(gè)轉(zhuǎn)向架約為700—1 000kg,而其他部件的輕量化有限。

圖12 無搖枕轉(zhuǎn)向架

在高速車輛中,必須防止發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)這樣的有害振動(dòng)。為此,有搖枕的轉(zhuǎn)向架是通過搖枕和安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上旁承(摩擦板)的摩擦力給出回轉(zhuǎn)阻力的機(jī)構(gòu),但是,由于雨水的侵入和滑動(dòng)面的粗糙度等旁承的狀況,摩擦力會(huì)變化,使得高速運(yùn)行性能和曲線運(yùn)行性能降低。為了解決這一課題,開發(fā)無搖枕轉(zhuǎn)向架就非常必要。

無搖枕轉(zhuǎn)向架通過構(gòu)架上的搖枕彈簧和牽引裝置等機(jī)構(gòu)直接支承車體,與有搖枕轉(zhuǎn)向架相比,結(jié)構(gòu)簡單。但是,要求搖枕彈簧在具有防振性能的同時(shí),還要求在轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí),能夠?qū)圀w給出必要的回轉(zhuǎn)角度,容許大的橫向位移,具有較高的耐久性。在日本,開發(fā)了低橫向剛度的空氣彈簧并得到采用,考慮到空氣彈簧的耐久性,多數(shù)并用疊層橡膠分擔(dān)橫向位移。

在無搖枕轉(zhuǎn)向架中,與搖枕彈簧并列的是牽引力和制動(dòng)力傳給車體的牽引裝置和給轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)阻力的抗蛇行減振器。牽引裝置必須不妨礙搖枕彈簧的防振性能,并具有轉(zhuǎn)向架和車體解體作業(yè)的良好性,形狀有1根拉桿式、Z形拉桿式、門形板彈簧式、緩沖橡膠式和繩索式等。抗蛇行減振器是防止高速運(yùn)行時(shí)蛇行運(yùn)動(dòng)的油壓減振器,與有搖枕轉(zhuǎn)向架的盤承相比,可以穩(wěn)定地對(duì)轉(zhuǎn)向架給出回轉(zhuǎn)阻力,所以,有利于高速列車速度的提高。

無搖枕轉(zhuǎn)向架不僅改良了車體支承機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由于沒有了搖枕,擴(kuò)大了高度方向的空間,側(cè)梁中央部位的曲率小了,轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)簡單化了,可以降低轉(zhuǎn)向架新造和維修成本。

在日本,1980年無搖枕轉(zhuǎn)向架首次在地下鐵道車輛的客車上采用。之后在日本舊國鐵,TR908轉(zhuǎn)向架用于特快電動(dòng)車上,TR911轉(zhuǎn)向架1985年用于205系通勤電動(dòng)車和211系近郊電動(dòng)車上。JR標(biāo)準(zhǔn)化后,JR各公司的通勤、近郊、特快車輛廣泛采用了無搖枕轉(zhuǎn)向架。新干線電動(dòng)車在1992年開始營業(yè)運(yùn)行的300系“希望”號(hào),采用了無搖枕轉(zhuǎn)向架(圖13),當(dāng)前,無搖枕轉(zhuǎn)向架已成為主流。

圖13 新干線300系“希望”號(hào)的無搖枕轉(zhuǎn)向架(1992年)

使用螺旋彈簧的枕簧有ICE的機(jī)車、TGV、ET R500等。TGV-PSE最初的客車也使用螺旋彈簧,為了提高舒適度,改用了空氣彈簧。TGV-A以后型號(hào)客車全部采用空氣彈簧。為此在無搖枕轉(zhuǎn)向架中,開發(fā)了容許縱向、橫向大位移的空氣彈簧。新干線400系和300系以后全部采用了無搖枕轉(zhuǎn)向架。

4 主動(dòng)和半主動(dòng)控制

在懸掛上設(shè)置了控制機(jī)構(gòu),開發(fā)了主動(dòng)抑制振動(dòng)的主動(dòng)懸掛。嘗試了控制空氣彈簧內(nèi)壓、在枕簧上并列設(shè)置控制油壓缸等各種方式。所有都是激振器直接控制相當(dāng)于車體總重的載荷,需要解決控制能量大、反應(yīng)慢等課題。為了減小控制能量,開發(fā)了阻尼特性隨速度而切換的半主動(dòng)懸掛。在500系上做過主動(dòng)和半主動(dòng)2種懸掛方式,最終選擇了半主動(dòng)懸掛系統(tǒng),也被700系采用。E2系1000型采用了主動(dòng)和半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。

5 驅(qū)動(dòng)裝置

一般地將電動(dòng)機(jī)的扭矩通過齒輪減速傳遞到車軸上,包括驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)裝置和減速齒輪,總稱驅(qū)動(dòng)裝置。

對(duì)于高速車輛,要求減小簧下質(zhì)量,同時(shí),必須減小對(duì)鋼軌的動(dòng)作用力。為此,電動(dòng)機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架或車體上,通過可動(dòng)聯(lián)軸節(jié)傳遞到減速齒輪上。每軸傳遞的扭矩愈大,在起動(dòng)空轉(zhuǎn)、再黏著時(shí),電動(dòng)機(jī)扭矩的變動(dòng)也愈大,有時(shí),會(huì)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,產(chǎn)生彈性自激振動(dòng)。

為了控制這種現(xiàn)象,驅(qū)動(dòng)裝置彈性系統(tǒng)的共振頻率要高,必須避開因扭矩變化造成的激振頻率變化范圍,一般地,彈簧要硬。

新干線電動(dòng)車采用平行萬向軸,如圖14所示,電動(dòng)機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上,電動(dòng)機(jī)的扭矩通過稱作WN聯(lián)軸節(jié)的“柔性齒輪聯(lián)軸節(jié)”,傳遞到減速齒輪箱的小齒輪上。齒輪箱是一級(jí)減速,由大齒輪和小齒輪構(gòu)成,大齒輪安裝在車軸上,把驅(qū)動(dòng)力傳給車軸。柔性齒輪聯(lián)軸節(jié)(WN聯(lián)軸節(jié))如圖15所示,筒內(nèi)側(cè)切成溝的內(nèi)齒,與此相對(duì)應(yīng)的2組外側(cè)齒輪嚙合,兩內(nèi)側(cè)齒輪間用螺栓連接,分別安裝外齒輪的軸允許相對(duì)位移。

安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的電動(dòng)機(jī),通過可動(dòng)聯(lián)軸節(jié)將電動(dòng)機(jī)的扭矩傳到減速箱的小齒輪上。減速箱為一級(jí)減速,由小齒輪和大齒輪構(gòu)成,大齒輪安裝在車軸上,將扭矩傳到車軸上。

圖14 平行萬向軸驅(qū)動(dòng)裝置

圖15 柔性齒輪聯(lián)軸器

在筒的內(nèi)側(cè)切出溝的內(nèi)齒輪,用與此相對(duì)應(yīng)的2組外齒輪相嚙合,內(nèi)齒輪間用螺栓連接,分別安裝外齒輪的軸允許相對(duì)位移。

平行萬向軸的名稱來源于電動(dòng)機(jī)軸和車軸的平行。新干線除961型試制車和500系外,都是使用這種WN聯(lián)軸節(jié)的平行萬向軸。

6 結(jié)束語

日本鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的研究與發(fā)展歷程,對(duì)于正在快速發(fā)展高速鐵路和城市軌道交通關(guān)鍵時(shí)期的中國鐵路來說,具有重要參考價(jià)值,不僅在結(jié)構(gòu)方面,而且在基礎(chǔ)理論和原理方面,如車輛運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向架、懸掛系統(tǒng)、主動(dòng)和半主動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)裝置等,使設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架不僅安全可靠,而且性能優(yōu)異。

[1]佐藤 芳彥.新干線テクノロジ-[M].東京:株式會(huì)社山海堂,2004.

[2]松本 雅行.電気鉄道[M].東京:森北出版株式會(huì)社,2007.