日本地鐵窄軌新徑向轉(zhuǎn)向架的開(kāi)發(fā)

為了解決地鐵線路小半徑曲線多和曲線超高遞減率低，造成輪軌噪聲、輪緣磨耗等問(wèn)題，東京地鐵在銀座線1000系車(chē)輛上采用SC101型徑向轉(zhuǎn)向架，已經(jīng)確認(rèn)在標(biāo)準(zhǔn)軌距線路上徑向轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)性能得到改善。

本文以窄軌徑向轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)為目的，評(píng)估其在實(shí)際車(chē)輛上的運(yùn)行性能，介紹試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架概要、使用該徑向轉(zhuǎn)向架的東西線15000系現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果?；谏鲜龀晒毡裙染€新造13000系車(chē)輛安裝了批量生產(chǎn)的SC103型徑向轉(zhuǎn)向架。

1 徑向轉(zhuǎn)向架的研制

地鐵線路由于建設(shè)上的制約，多有小曲線和超高遞減率低的曲線，造成大的橫壓、輪軌噪聲、輪緣磨耗、超高遞減段輪重變化的問(wèn)題。作為這些問(wèn)題的對(duì)策，東京地鐵開(kāi)展了剛性軸箱支撐、空氣彈簧懸掛的最佳化、搖枕轉(zhuǎn)向架的進(jìn)一步研究，開(kāi)發(fā)摩擦調(diào)整材料噴射裝置等措施，并趨于實(shí)用化。

為進(jìn)一步解決好上述問(wèn)題，東京地鐵與新日鐵住金公司一起，開(kāi)發(fā)僅在車(chē)輛中間的車(chē)軸轉(zhuǎn)向的標(biāo)準(zhǔn)軌徑向轉(zhuǎn)向架樣機(jī)——FS576型轉(zhuǎn)向架。

FS576型轉(zhuǎn)向架外觀見(jiàn)圖1，轉(zhuǎn)向軸的配置見(jiàn)圖2。

圖1 FS576 型徑向轉(zhuǎn)向架

圖2 轉(zhuǎn)向軸與非轉(zhuǎn)向軸的配置

已經(jīng)確認(rèn)，試制的徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)時(shí)橫壓、噪聲降低、輪緣磨耗減少。基于評(píng)估結(jié)果，針對(duì)銀座線1000系車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架，設(shè)計(jì)了圖3所示的SC101型徑向轉(zhuǎn)向架。2012年4月開(kāi)始投入營(yíng)業(yè)運(yùn)行，已經(jīng)確認(rèn)了這種徑向轉(zhuǎn)向架有良好的曲線通過(guò)性能。

圖3 SC101型徑向轉(zhuǎn)向架

在標(biāo)準(zhǔn)軌銀座線徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能改善的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)窄軌用徑向轉(zhuǎn)向架，試制窄軌徑向轉(zhuǎn)向架，并進(jìn)行了現(xiàn)車(chē)性能評(píng)估。

本文報(bào)告試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架概要、東西線15000系現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果。基于上述成果，介紹日比谷線新造13000系車(chē)輛安裝的批量生產(chǎn)的規(guī)格為SC103型徑向轉(zhuǎn)向架運(yùn)營(yíng)情況。

2 徑向轉(zhuǎn)向架的概要

徑向轉(zhuǎn)向架因有轉(zhuǎn)向裝置，改善了輪軸的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，使橫壓降低。下面將橫壓降低的機(jī)理、與一般轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)狀態(tài)的比較，做一說(shuō)明。

2.1 普通轉(zhuǎn)向架

普通轉(zhuǎn)向架在通過(guò)曲線時(shí)的轉(zhuǎn)向狀態(tài)如圖4所示。

普通轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向不足，原因是，轉(zhuǎn)向架前軸（前轉(zhuǎn)向架的第1軸、后轉(zhuǎn)向架的第3軸）產(chǎn)生沖角，第1軸橫向爬行力增加；后軸（前轉(zhuǎn)向架的第2軸、后轉(zhuǎn)向架的第4軸）處于軌道中心附近位置，輪徑差不足，后軸有縱向爬行力（切線力）的作用。這2種力對(duì)轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生反徑向的作用，使得接觸輪緣的前軸產(chǎn)生大的橫壓。

圖4 曲線通過(guò)時(shí)普通轉(zhuǎn)向架的狀態(tài)

2.2 徑向轉(zhuǎn)向架（前轉(zhuǎn)向架）

在單軸徑向轉(zhuǎn)向架（前轉(zhuǎn)向架），曲線通過(guò)時(shí)后軸轉(zhuǎn)向的狀態(tài)如圖5所示。

運(yùn)行方向前側(cè)轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向產(chǎn)生沖角，對(duì)第2軸產(chǎn)生向外軌的橫向爬行力，第2軸向外軌移動(dòng)。這樣，輪徑差的不足得到緩解，第2軸縱向爬行力減少。而且，由于第2軸向外軌的移動(dòng)，轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向不足向徑向轉(zhuǎn)向的態(tài)勢(shì)變化。其結(jié)果是，不直接轉(zhuǎn)向的第1軸的沖角減小，第1軸的橫向爬行力減少。隨著第2軸縱向爬行力和第1軸橫向爬行力的減少，抑制徑向移動(dòng)的扭矩減小，第1軸外軌的橫壓降低。

圖5 曲線通過(guò)時(shí)徑向轉(zhuǎn)向架狀態(tài)（前轉(zhuǎn)向架）

2.3 徑向轉(zhuǎn)向架（后轉(zhuǎn)向架）

在單軸徑向轉(zhuǎn)向架（后轉(zhuǎn)向架），曲線通過(guò)時(shí)后軸轉(zhuǎn)向的狀態(tài)如圖6所示。

行進(jìn)方后側(cè)轉(zhuǎn)向架，對(duì)前軸第3軸轉(zhuǎn)向，減小了沖角。這樣，第3軸的橫向爬行力減小。結(jié)果是，第3軸外軌的橫壓降低。

圖6 曲線通過(guò)時(shí)徑向轉(zhuǎn)向架狀態(tài)(后轉(zhuǎn)向架)

3 試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架

3.1 試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架構(gòu)成

試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架的裝車(chē)及其構(gòu)成、參數(shù)如圖7、圖8和表1所示。

與2軸徑向相比，單軸徑向轉(zhuǎn)向架的非轉(zhuǎn)向軸是M軸，即動(dòng)力軸，有抑制轉(zhuǎn)向架重量增加、便于制造和維護(hù)的好處。

圖7 15000系01車(chē)（左）和試制的徑向轉(zhuǎn)向架（右）

圖8 試制的徑向轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成

表1 試制的徑向轉(zhuǎn)向架參數(shù)

這樣，試制的窄軌轉(zhuǎn)向架與SC101型一樣，車(chē)輛端部的輪軸（第1軸、第4軸）是非轉(zhuǎn)向軸，位于車(chē)體中間的輪軸（第2軸、第3軸）是轉(zhuǎn)向軸，采用1臺(tái)轉(zhuǎn)向架中僅1軸轉(zhuǎn)向的單軸徑向操控方式。并且，試制的徑向轉(zhuǎn)向架安裝在15000系的拖車(chē)（T車(chē)）上，轉(zhuǎn)向軸、非轉(zhuǎn)向軸都是非動(dòng)力軸（T軸）。

而且，車(chē)輛端部的第1軸、第4軸非轉(zhuǎn)向軸軸箱支撐采用原有的單連桿方式，轉(zhuǎn)向裝置是連桿維系搖枕和軸箱的結(jié)構(gòu)，這與SC101型是一樣的。另一方面，試制的窄軌轉(zhuǎn)向架與SC101型的不同點(diǎn)列在表2。為了適應(yīng)最高速度的提升、車(chē)長(zhǎng)增加伴隨的軸重增加，軸距有所擴(kuò)大，提高了轉(zhuǎn)向裝置的強(qiáng)度，盤(pán)形制動(dòng)由每軸1個(gè)增加到每軸2個(gè)。

表2 線路要求規(guī)格的比較

3.2 窄軌徑向轉(zhuǎn)向架速度提高

這次試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架的最高運(yùn)行速度要求比SC101型徑向轉(zhuǎn)向架高出30km/h，加之標(biāo)準(zhǔn)軌變?yōu)檎壍能壘鄿p少，就產(chǎn)生了直線運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題。為此，試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架的軸距由2000mm增加到2100mm，并用動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK做了模擬的可行性驗(yàn)證（圖9）。

圖9 試制的窄軌徑向轉(zhuǎn)向架

模擬的一個(gè)結(jié)果是，在蛇行搖擺臨界速度上，徑向轉(zhuǎn)向架要比普通轉(zhuǎn)向架低。超過(guò)臨界速度時(shí)兩車(chē)軸轉(zhuǎn)向架的蛇行搖擺狀態(tài)見(jiàn)圖10。由圖10看出，徑向轉(zhuǎn)向架由于轉(zhuǎn)向裝置的作用，蛇行搖擺的波長(zhǎng)減小了?？烧J(rèn)為是受此影響，徑向轉(zhuǎn)向架蛇行搖擺的臨界速度降低了。

圖10 徑向轉(zhuǎn)向架與普通轉(zhuǎn)向架的蛇行搖擺狀態(tài)

根據(jù)采用的模擬確認(rèn)，試制的徑向轉(zhuǎn)向架的蛇行搖擺限界速度大于200km/h。這就表明，對(duì)于要求110km/h最高速度運(yùn)行的穩(wěn)定性是沒(méi)有問(wèn)題的。進(jìn)而，旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上實(shí)機(jī)速度達(dá)到了200km/h，也確認(rèn)110km/h時(shí)還未發(fā)生蛇行搖擺的情況。

4 現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)條件和結(jié)果

4.1 現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)條件

為了評(píng)估這次試制的徑向轉(zhuǎn)向架，在東京地鐵運(yùn)行速度最快的東西線上進(jìn)行了試驗(yàn)。在東西線15000系車(chē)輛上按圖11安裝了試制的徑向轉(zhuǎn)向架，徑向轉(zhuǎn)向架按條件運(yùn)行后，為了比較，取下轉(zhuǎn)向裝置，安上單連桿，以普通轉(zhuǎn)向架的條件在同一區(qū)間運(yùn)行。整理出兩者的結(jié)果。

圖11 現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)時(shí)的條件

4.2 曲線通過(guò)性能的評(píng)估

在采用徑向轉(zhuǎn)向架和普通轉(zhuǎn)向架情況下，通過(guò)最小曲線時(shí)的橫壓波形見(jiàn)圖12。線路曲線參數(shù)如表3所示，這是曲線半徑為117m、167m組合的一段復(fù)合曲線。從結(jié)果可以確認(rèn)，相對(duì)普通轉(zhuǎn)向架，徑向轉(zhuǎn)向架第1軸外軌的橫壓降低。

圖12 第 1 軸外軌橫壓波形

表3 曲線參數(shù)

還進(jìn)行了營(yíng)業(yè)線正常速度運(yùn)行時(shí)各圓曲線內(nèi)第1軸外軌橫壓的比較、第2軸軸箱支撐連桿荷載的比較，如圖13、圖14所示。

圖13 不同曲線半徑與第 1 軸外軌橫壓的關(guān)系

從圖13看出，不論曲線半徑大小如何，徑向轉(zhuǎn)向架比普通轉(zhuǎn)向架的第1軸外軌橫壓都要小。原因之一，如圖14所示，第2軸軸箱支撐連桿的荷載（相當(dāng)?shù)?軸縱向爬行力），在不同曲線上也都是徑向轉(zhuǎn)向架要小，抵制轉(zhuǎn)向的力矩減小，這與橫壓降低有關(guān)。

圖15表示出第1軸沖角和曲線半徑的關(guān)系，得到在各種曲線上都是徑向轉(zhuǎn)向架沖角小的結(jié)果。這是由于轉(zhuǎn)向作用，后軸向外側(cè)移動(dòng)，轉(zhuǎn)向架形成徑向的狀態(tài)，可認(rèn)為是第1軸沖角減小的原因。

從這些現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果，得到圖16所示的前轉(zhuǎn)向架后軸轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)概念，可產(chǎn)生前軸側(cè)外軌橫壓降低的效果。

4.3 乘坐舒適性的評(píng)估

在70～95km/h高速運(yùn)行區(qū)間，車(chē)體地板面左右振動(dòng)加速度和乘坐舒適水平的波形比較見(jiàn)圖17。

圖15 不同曲線半徑與第 1 軸沖角的關(guān)系

圖16 單軸徑向轉(zhuǎn)向架（前轉(zhuǎn)向架）設(shè)計(jì)概念

圖17 車(chē)體地板面左右振動(dòng)加速度和乘坐舒適性水平

與前述模擬相同，徑向轉(zhuǎn)向架高速運(yùn)行時(shí)也很穩(wěn)定，確認(rèn)了徑向轉(zhuǎn)向架與普通轉(zhuǎn)向架有同等的乘坐舒適性。

5 營(yíng)業(yè)線評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果

基于現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)的良好結(jié)果，2013年9月，試制的徑向轉(zhuǎn)向架安裝到15000系1輛車(chē)上（2個(gè)轉(zhuǎn)向架），開(kāi)始在營(yíng)業(yè)線上進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估試驗(yàn)。在營(yíng)業(yè)線投入運(yùn)用已經(jīng)有近4年時(shí)間，保持著良好的運(yùn)行性能。

其中的一個(gè)結(jié)果是，圖18所示為15000系試制的徑向轉(zhuǎn)向架與同一編組的普通轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪磨耗情況，圖19是車(chē)輪位置編號(hào)。從圖18確認(rèn)，在輪緣磨耗量上，試制的徑向轉(zhuǎn)向架比普通轉(zhuǎn)向架整體平均降低約60%。

6 日比谷線 13000 系SC103型窄軌徑向轉(zhuǎn)向架

由于試制的東西線徑向轉(zhuǎn)向架的現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)、營(yíng)業(yè)線長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)取得良好結(jié)果，在日比谷線新造車(chē)輛13000系上安裝了批量生產(chǎn)的SC103型窄軌徑向轉(zhuǎn)向架。2016年12月，開(kāi)始在營(yíng)業(yè)線上運(yùn)行，圖20、圖21分別是日比谷線13000系車(chē)外觀和所裝SC103窄軌徑向轉(zhuǎn)向架的外觀。

6.1 曲線通過(guò)性能的評(píng)估

評(píng)估SC103型窄軌轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行性能的一例是在營(yíng)業(yè)線小圓曲線（半徑160m、超高76mm、軌距加寬13mm）鋼軌上貼應(yīng)變片，進(jìn)行同樣軸重03系M車(chē)與13000系徑向轉(zhuǎn)向架車(chē)（MT車(chē)）第1軸的橫壓比較。圖22橫軸是日期時(shí)刻、縱軸是第1軸橫壓的比較，結(jié)果確認(rèn)了徑向轉(zhuǎn)向架比普通轉(zhuǎn)向架橫壓平均減少了35%。

6.2 曲線通過(guò)噪聲的評(píng)估

關(guān)于徑向轉(zhuǎn)向架和普通轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)時(shí)的列車(chē)噪聲，做了針對(duì)噪聲最高的曲線（半徑127m）的解析，比較結(jié)果見(jiàn)圖23。這里有曲線通過(guò)時(shí)每個(gè)頻率的噪聲比較，可以看出在400～500Hz附近，徑向轉(zhuǎn)向架的噪聲比普通轉(zhuǎn)向架低了約15dB。

圖18 試制的徑向轉(zhuǎn)向架和普通轉(zhuǎn)向架的輪緣磨耗量比較

圖19 車(chē)輪位置編號(hào)

圖20 日比谷線 13000 系車(chē)輛

圖21 日比谷線 13000 系 SC103 型窄軌徑向轉(zhuǎn)向架

圖22 第 1 軸外軌橫壓的比較

圖23 曲線通過(guò)時(shí)噪聲的比較

7 結(jié)束語(yǔ)

東京地鐵與新日鐵住金公司一起，經(jīng)過(guò)對(duì)東西線上試制的徑向轉(zhuǎn)向架的評(píng)估，開(kāi)發(fā)了批量生產(chǎn)的SC103型窄軌徑向轉(zhuǎn)向架。日比谷線新造車(chē)輛13000系采用了這種轉(zhuǎn)向架，曲線通過(guò)性能良好，噪聲得到抑制，為提高車(chē)輛運(yùn)行安全性和舒適性做出了貢獻(xiàn)。

[1]福島知樹(shù). 地下鉄向け狹軌用新操舵臺(tái)車(chē)の開(kāi)発[J].鉄道車(chē)両と技術(shù)，2017（249）：15-21.