徑向轉向架及其在地鐵、輕軌車輛中的應用

摘要：論述了徑向轉向架的原理及其在減輕輪軌表面磨耗方面的作用。根據地鐵、輕軌車輛走行部的結構及技術特點，探討了徑向轉向架在我國地鐵、輕軌車輛中運用的必要性和可行性。
進入21世紀，我國城市軌道交通獲得了較快的發展，由于安全、快捷、舒適等優點，城市軌道交通備受青睞，在改善城市交通擁擠狀況、快速集散客流、促進經濟發展中起了非常重要的作用。然而，在我國已經開通地鐵的北京、上海、廣州等城市都不同程度地存在著曲線上鋼軌內側面和輪緣磨耗過快，導致維修費用高居不下的問題。同時，車輪輪緣切咬鋼軌產生的尖嘯聲，也對城市環境造成了噪聲污染。采用徑向轉向架是解決上述問題的途徑之一。
1徑向轉向架
徑向轉向架是為了提高車輛的曲線通過能力而在常規轉向架的基礎上設計出的轉向架，廣泛應用于貨車、準高速列車和擺式列車上。近年來出于減輕輪軌磨耗，提高運行安全性的需要，徑向轉向架開始應用于城市軌道交通車輛上，并在日本、加拿大等國家獲得了成功。徑向轉向架與普通轉向架的區別在于曲線通過方式的不同，如圖1所示。圖中左側是普通轉向架，右側是徑向轉向架。從圖中可看出，徑向轉向架在通過曲線時的沖角比普通轉向架要小，因此第一輪對的橫向力可以降低，從而減輕輪軌磨耗[1]。
徑向轉向架的歷史相當久遠。根據舍菲爾的報告，13世紀的馬車時代就出現了十字交叉拉桿的車輪連接方式。舍菲爾在博物館發現了資料，受到啟發，設計了舍菲爾型徑向轉向架。而轉向角連鎖方式徑向轉向架的發明者稱，其基本思路是出自18世紀后期已經在美國注冊的專利。
早期設計的徑向轉向架由于未經過車輛動力學方面的優化設計，連接機構多帶有多余結構，不僅增加了轉向架制造成本，而且由于簧下重量的增加還影響了振動特性，因此多數難于推廣普及。可以說，這正是鐵道機

圖1 徑向轉向架的曲線通過方式

車車輛及轉向架動力學理論得以問世的緣由之一。徑向轉向架設計的關鍵是在保證輪對按照預想的軌跡順利回轉而通過曲線的同時，還要保證轉向架具有較高的運行穩定性。所謂穩定性，就是在直線運行時無論外界怎樣干擾均不發生蛇行運動失穩。一般來說，這兩者互相限制，難以兼顧。1973年英國國鐵研究所的wickens提出了具有劃時代意義的等價定位剛度理論，為開發徑向轉向架提供了理論上的依據。基于這一理論，世界各國開發出各種不同結構的徑向轉向架。
最簡單的徑向轉向架是適當減小輪對縱向定位剛度，利用輪軌之間的蠕滑力使輪對自動導向。具有十字交叉拉桿連接機構的徑向轉向架也是利用輪對的自導向功能進行導向。但是這兩種徑向轉向架的導向能力有限，因此又出現了利用車體與構架和輪對之間的連接機構強迫輪對轉向的轉向角連鎖方式。按照是否利用了輪對的自導向功能可以把徑向轉向架分為兩類——自導向轉向架和迫導向轉向架。為了進一步提高輪對的導向功能，法國有關研究機構又提出了采用控制方式的徑向轉向架的概念，本質上也屬于迫導向轉向架。根據徑向轉向架功能和結構的不同，表1列出了到目前為止世界各國正在研究和已經應用的徑向轉向架。縱向欄目是概念和功能，橫向欄目表示以常規轉向架為基礎，增加的附加裝置的結構特征。該表不一定包括全部，表中帶“*”的表示已達到實用化，其它表示處于試制階段。

表1 徑向轉向架的分類

2．徑向轉向架在減輕輪軌磨耗方面的應用經驗
徑向轉向架的出現，為鐵路提高運行性能，降低維護費用提供了可能，因此很快在西方鐵路發達國家得到廣泛的應用，尤其是在機車和擺式列車上。運用經驗表明徑向轉向架在減輕輪軌橫向力和磨耗方面的確有著顯著的效果。
美國SD60MAC型機車裝用EMD徑向轉向架之后輪緣磨耗明顯減少[2]；裝有自導向徑向轉向架的德國VT611擺式動車組在曲線上可提高運行速度25%，當線路曲線半徑大于400m時，輪對的徑向能力較強，有效降低了橫向力；瑞士SIG公司的迫導向轉向架擺式客車，在半徑為300m的曲線上輪軌磨耗減小30%，橫向力降低50%，效果非常好；日本的283系客車采用徑向轉向架在曲線上運行時，輪軌橫向力降低了33% ～50%[3]。
我國首次在擺式客車試驗車上應用徑向轉向架，已經通過了線路試驗，試驗階段取得了良好效果。表2是在運行速度80km/h時，我國在擺式實驗車上分別采用迫導向、自導向、傳統轉向架情況下的第一輪對橫向力（單位為KN）。

表2. 在不同曲線半徑時轉向架第一輪對橫向力比較

從表中可看出，在通過小半徑曲線時，與普通轉向架相比，迫導向轉向架的輪軌橫向力大幅度降低；與裝配209HS轉向架的試驗車相比，裝配迫導向轉向架的客車在小半徑（300～400m）曲線通過時，輪軌橫向力明顯降低；與裝配209HS轉向架的試驗車相比，裝配自導向轉向架的客車在大半徑（大于500m）曲線通過時，輪軌橫向力有所降低。
3．徑向轉向架在地鐵、輕軌車輛上的應用
地鐵、輕軌等城市軌道交通線路是在城市現有布局下進行規劃修建的，線路走向一般串聯主要客流集中點，并與其它交通系統，如鐵道、公交汽車等站點相交，運行線路受街道和建筑物限制，因此曲線路段多，曲線半徑小，這就使得車輛曲線通過時會產生過大的沖角，增大輪軌力，加劇輪軌磨耗。因此與傳統機車車輛相比，城市軌道交通車輛走行部應具備下列性能特點：1)運行噪聲低；2)良好的曲線通過性能；3)車輛運行平穩性好。為了實現這些性能，需要在轉向架上采用一些新型結構，如：單電機轉向架、彈性車輪、獨立車輪以及徑向轉向架等。
單電機轉向架（架懸式）輪軌沖擊小，噪聲也降低，但運用經驗比較少，而且輕軌車輛一般采用交流牽引電動機，轉向架內的空間足夠，因此單電機轉向架用的較少；采用彈性車輪也可降低噪聲減少輪緣磨耗，但只在軸重12t以下效果好，軸重較大時，由于橡膠強度等的限制，就不適用；獨立車輪在減少噪聲降低磨耗方面效果很好，在國外先進的輕軌車輛上運用比較成功，如德國的MGT-6D和NGT-6C、奧地利的TRAM CAR 輕軌車輛等[4]，但這項技術在國內尚無應用經驗；徑向轉向架在國外運用比較成功，國內的研究也已充分展開，干線鐵路上已通過線路試驗，證明可以有效降低橫向力。因此，利用徑向轉向架以減小輪緣與鋼軌的沖角，降低輪軌橫向力和輪軌磨損，從而降低維修成本，并降低噪聲，改善乘座舒適度是我國城市軌道交通建設提高車輛技術含量的最佳選擇。
事實上日本、加拿大等國家自80年代起就已經將徑向轉向架應用于地鐵車輛上。加拿大在80年代中期開發的直線電機驅動輕軌車輛上采用了ＭＫⅠ型迫導向轉向架，成功運用于多倫多、溫哥華及美國的底特律等城市。近期又在ＭＫⅠ的基礎上，開發了ＭＫⅡ型迫導向轉向架，并在馬來西亞吉隆坡的高架輕軌運營中取得了良好的效果。日本在90年代引進加拿大技術的同時，開發了內置構架與外置構架兩種直線電機徑向轉向架，在東京、大阪、福岡等地鐵線路上運用，結果令人非常滿意[5]。
徑向轉向架在城市軌道交通領域達到實用化，對我國城市交通建設來說是一個大目標。擺式試驗車的試驗結果表明，我國自行研制的迫導向轉向架與自導向轉向架在直線上以120km/h速度以及在曲線（半徑300～1000m）上以80km/h速度運行時，脫軌系數、輪重減載率、垂向和橫向運行平穩性均滿足《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB5599-85）的要求[6]，這表明，依靠我國自己的科研力量完全可以開發出達到實用化的徑向轉向架。借鑒日本的經驗，我國可以根據現有條件，在引進關鍵技術的基礎上進行仿制并進一步開發具有我國特色的地鐵、輕軌用徑向轉向架。
4 結束語
國內外的運用經驗表明，輪軌表面磨耗過快是地鐵、輕軌系統中的慣性問題，而低成本、易維護保養的徑向轉向架是從根本上解決這一問題的有效途徑。當前最重要的是立足于我國自身的科研基礎研究開發機構簡單、可靠性高的徑向轉向架，并盡快應用于已經建成的地鐵和輕軌系統之中，產生經濟效益。
參考文獻
[1]柳擁軍等.基于虛擬樣機的擺式客車迫導向機構的仿真研究[J].北方交通大學學報，2002，26（4）：53—56.
[2]Gurt A.Swenson, R.Thomas Scott.機車徑向轉向架對輪軌磨耗的影響[J].國外內燃機車，1999，6：19～22.
[3]傅茂海等.我國擺式客車轉向架的選型研究[J].西南交通大學學報，第35卷，第6期：595～599.
[4]王伯銘. 輕軌車輛走行部的特點 [J].鐵道車輛，1999，12：16～17.
[5]楊利軍.直線電機徑向轉向架車輛結構及性能分析[J]. 上海鐵道大學學報.第21卷.2000,2：81-94.
[6]舒興高等. 裝迫導向、自導向轉向徑向轉向架的客車第二次動力學性能試驗報告[R].北京：鐵道部科學研究院機車車輛研究所，2001.