（光学工程专业论文）摆式电动车组受电弓倾摆系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 缩短旅行时间和提高舒适性是当今世界铁路的主要发展方向。我国幅员 辽阔，有相当多的铁路处于山区，线路坡度大、曲线半径小，线路的曲线半 径限制了列车速度的提高。采用摆式列车，可使列车以较高的速度通过曲线 而不降低旅客的舒适性，可实现在既有线路上提速，是提高铁路与其它交通 工具竞争能力的一种有效办法。 动力分散的牵引模式能有效减小轴重，更有利于摆式列车高速通过曲线， 代表了摆式列车技术发展方向。对于摆式电动车组，带受电弓的车体倾摆时， 车顶上的受电弓系统也必须作出相应的倾摆，才能保证受电弓与接触网的正 常接触。电气化铁路的运输量大，运营成本低，对环境无污染，发展摆式电 动车组在我国有着广阔的前景。而目前国内对摆式电动车组受电弓倾摆系统 的研究尚未深入开展，严重制约了摆式电动车组技术的发展，因此对摆式电 动车组受电弓倾摆系统的研究具有重要的理论和现实意义。 本文首先介绍了国外摆式电动车组受电弓倾摆系统的发展现状，以及摆 式电动车组受电弓倾摆系统的结构及其工作原理，对国外摆式电动车组受电 弓系统的倾摆控制模式、支承结构、摆动模式作了详细的分析。 从分析国外受电弓倾摆系统技术发展趋势出发，结合我国国情，提出符 合我国实际需要的基于四连杆机构的被动式受电弓倾摆系统方案。在考虑车 体倾摆和车辆限界要求的条件下，完成了受电弓倾摆系统的设计。 根据普通电力机车弓、网的空间位置关系，提出了摆式电动车组受电弓 倾摆系统运动特性要求。优选出与车体倾摆机构相匹配的受电弓倾摆机构。 对受电弓滑板中点的运动进行了分析。 最后，运用a d a m s 软件，对基于四连杆机构的被动式受电弓倾摆系统 进行建模，根据车体倾摆运动特性，对受电弓倾摆系统进行运动学仿真和动 力学仿真，并完成了相应的优化。分析了受电弓倾摆机构各点的受力情况， 并对受电弓倾摆系统对于车体及转向架可能带来的各种影响作出了分析研 究。为受电弓倾摆机构的设计开发提供了依据。 关键词：摆式电动车组；受电弓；倾摆机构；倾摆 h b s t r a c t i ti st h et a r g e to ft h em o d e r nr a i l w a yt or e d u c ej o u r n e yt i m ea n d i n c r e a s et h er i d i n gc o m f o r t a b i l i t yi nt h ew o r l d i no u rc o u n t r y ，m a n y r a i l w a y st h a tw e r eb u i i ti nm o u n t a i d o u sa r e ah a v eh e a v yg r a d l e n ta n d c u r v e sw i t hs m a l lr a d i i s t h er a d i u s e so fc u r v e s1 i m i tt h es p e e do f t r a i n t h et i l t i n gt r a i n sc a nn e g o t i a t ec u r v e sf a s t e rt h a nn o n t i i t i n g t r a i n sa n dk e e pt h er i d i n gc o m f o r t a b i l i t y i ti sa ne f f e c t i v em e a n s t oi n e r e a s et h ea b i l i t yt oc o m p e t ei n t r a n s p o r t a t i o nm a r k e t p o w e r d i s t r i b u t e dt r a c t i o nm o d ei st h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n t o ft i l t i n gt r a i nb e c a u s ei tc a nr e d u c ea x i sl o a da n di m p r o v ec u r v i n g p e r f o r m a n c e f o rp o w e r d i s t r i b u t e dt i l t i n ge n f u i no r d e rt om a k et h e n o r m a lc o n t a c tb e t w e e np a n t o g r a p ha n de a t e n a r y ，i ti sn e c e s s a r yf o r p a n t o g r a p ht ot i l tw h i l ec a r b o d yi st i l t i n g t od e v e l o pt h et i l t i n g e m uh a sv a s tp r o s p e c ti nc h i n ab e c a u s ee l e t r i f i e dr a i l w a yh a sg i a n t a b i l i t yo ft r a n s p o r t a t i o n ，l o wc o s ta n dn op o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t n o w1 i t t l et h i n gh a sd o n ef o rt h er e s e a r c ho np a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e m o ft i l t i n ge m u ，s ot h ej o bh a sa c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n o u rc o u n t r y t h es t a t u so fr e s e a r c ho dp a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e mo fe m ua b r o a d i sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fp a n t o g r a p h t i i t i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o lm o d e ，s u p p o r t i n gs t r u c t u r e a n da c tm o d eo fp a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e mo fe 姗ja r ed i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ea p p l y i n gs t a t u so ft i l t i n gt r a i ni nc h i n a a n dt h e t r e n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h ep a n t o g r a p ht i l t i n gt e c h n o l o g y ，t h e p a s s i v ep a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e mb a s e do nf o u r 1 i n k a g em e c h a n i s mi s p r e s e n t e d t h ep a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e m i s d e s i g n e da c c o r d i n g t o r e q u i r m e n t o fc a r b o d yt i l t i n ga n dr o l l i n gs t o c kg a u g e b a s e do nt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s o ft h ec o n t a c tb e t w e e n p a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y ，t h er e q u e s to fk i n e m a t i co ft h ep a n t o g r a p h t i l t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d t h ef o u r 一1 i n k a g et i i t i n gm e c h a n i s mo f p a n t o g r a p hi so p t i m i z e dt om a t c ht h ef o u r 一1 i n k a g et i i t i n gm e c h a n i s m o fc a r b o d y t h et r a c ko ft h em i d d l ep o i n to fc o n t a c ts t r i p si sa n a l y z e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a tl a s t ，t h eg e o m e t r i cm o d e lo ft h e p a s s i v ep a n t o g r a p ht i l t i n g s y s t e mb a s e do nf o u r l i n k a g et i i t i n gm e c h a n i s mi sb u i l db yt h ea d a m s s o f t w a r e 。t h ek i n e t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o no fp a n t o g r a p ht i l t i n g s y s t e ma r ed o n ea c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r is t i co ft h e c a r b o d y s m o v e m e n t a n dt h e p a r a m e t e r s o fp a n t o g r a p h t i l t i n gm e c h a n i s ma r e o p t i m i z e d t h ef o r c e ，w h i c ha c t so nt h ep a n t o g r a p ht i l t i n gs y s t e m ，i s a n a l y z e da n di t si n f l u e n c et ot h eb o g i ea n dc a r b o d yi sd i s c u s s e d t h e r e s u l ti so fp r a e t i c a ls i g n i f i c a n c ei nd e s i g no fp a n t o g r a p ht i l t i n g m e c h a n is m k e yw o r d s ：t i l t i n ge m u ：p a n t o g r a p h ：t i l t i n gm e c h a n i s m ：t i l t - _ _ - _ _ _ _ _ - _ - 一_ _ _ - - _ 一_ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 。1 论文的选题背景 第1 章绪论 2 0 世纪中期，汽车、航空等运输方式相继崛起，世界交通运输工具进入 了多元化的发展格局。铁路运输开始面临汽车和航空运输的双重挑战，原来 以老大自居的铁路面临客、货运量大量流失的危机。铁路要取得主动局面， 在客运方面可采取加快列车运行速度减少旅行时间、增加旅途舒适度等措施。 提高列车运行速度，一般有两条途径：一是修建高速铁路，同时采用高速机 车车辆；二是在既有线路上开行特种车辆如摆式列车来提高运行速度。 修建高速铁路，采用高速机车车辆虽可以从根本上实现高速运输，但是 修建高速铁路造价高、周期长，当今世界只有极少数经济发达国家有实力开 发和投入运营。我国是一个经济实力相对较弱的发展中国家，幅员辽阔、山 区铁路众多，要大规模地修建高速线路，目前无论从技术上还是经济上都是 不现实的。 在既有线路上提速，可以降低费用，但线路的曲线半径限制了列车速度 的进一步提高。我国大部分线路客、货混跑，超高的大小一般以货车作为基 准来确定【l 】，要提高列车曲线通过速度，补偿由于曲线超高不足而对曲线通 过速度的限制，一种有效的途径就是采用摆式列车。 摆式列车的工作原理十分简单，在线路实设超高一定的情况下，当列车 进入曲线时，让车体向轨道内侧再倾摆一个角度，相当于再增加一定超高， 于是车体上的重力加速度横向分量可以平衡更大的离心加速度，故可提高列 车通过曲线的速度i z l 。 意大利p e n d o l i n o 、西班牙t a l g o 和瑞典x 2 0 0 0 摆式列车在8 0 年代的成 功应用，引起了欧美许多国家对摆式列车的极大兴趣。进入9 0 年代，摆式列 车技术日趋成熟，实践证明，运用摆式列车投资少，见效快，花少量费用和 时间即能提高曲线通过速度3 0 左右，缩短运行时间约2 5 左右1 1j ，达到客 运提速和提高旅客乘坐舒适性的目的。因此各国开始看好摆式列车的广阔运 用前景及其巨大的经济潜力，纷纷以不同的方式来研制和运用摆式列车。 目前世界上投入运营的摆式列车基本上为动车组的型式。动力分散的牵 引模式可有效减小轴重，降低轮轨横向力和磨耗，更适合于在曲线上高速运 行，同时也有利于列车小编组运行，适应客流多变的需要，是当今摆式列车 发展的趋势p j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 截止2 0 0 1 年，电气化铁路已占我国铁路运营里程的1 8 左右”1 。电力机 车的运输量大，运营成本低，对环境无污染，在坡道地区更能发挥其爬坡的 优点。我国的石油资源较少，随着汽车数量的激增和工农业的迅速发展，对 石油的需求量激增，目前我国约三分之一的石油靠进口。电能被称为清洁能 源，我国水资源比较丰富，政府正在积极开发水力资源发电，我国的能源结 构决定了铁路电气化的发展方向。目前，世界各国对环境保护的呼声越来越 高，我国也越来越重视对自然的保护和环境污染的治理。因此摆式电动车组 在我国有着广阔的前景。 摆式电动车组运行时，带受电弓的车体也要倾摆，由于车体倾摆引起的 受电弓滑板的偏移量较大，超过了滑板的正常工作范围，因此车顶上的受电 弓系统必须作出相应的倾摆，才能保证受电弓和接触网的正常接触，从而保 证受流的连续性和列车的安全性【7 1 。要进行摆式电动车组的开发，必须对受 电弓倾摆系统进行深入研究，目前国内对摆式电动车组受电弓倾摆系统的研 究尚未深入开展，几乎是一项空白，严重制约了摆式电动车组技术的发展。 对摆式电动车组受电弓倾摆系统的研究在国内是一项开创性的工作，面临从 理论到实践的很多问题需要解决。随着铁路电气化水平提高以及对摆式电动 车组的需求日趋增加，对摆式电动车组受电弓倾摆系统进行研究就具有十分 重要的理论和现实意义。 1 2 受电弓倾摆系统分类及其结构特点 1 2 1 受电弓倾摆控制模式 国外对于摆式电动车组受电弓倾摆系统的研究已进行了很多年，研制了 多种类型的受电弓倾摆系统。同摆式列车的车体倾摆控制模式一样，按照有 无倾摆作动器，受电弓倾摆系统也有两种控制模式：被动摆( 又称自然摆或 无源摆) 和主动摆( 又称强迫摆或有源摆) 两种。 1 2 1 1 被动摆 被动摆式受电弓系统在其倾摆过程中，系统没有外加动力作用。被动摆 式受电弓系统又可分为三种模式。 第一种模式是支承台架式。受电弓通过支承台架直接安装在转向架构架 上。受电弓、支承台架与转向架构架无相对运动，相当于将受电弓直接安装 在转向架上。受电弓在倾摆过程中与普通机车受电弓一样，不受车体倾摆的 影响。意大利的e t r 4 5 0 、e t r 4 6 0 摆式电动车组和日本的3 5 1 、8 8 3 系列摆 式电动车组采用了该模式【3 1 ，其结构如图1 1 所示。 堕重窒堕查兰堕堕塞生堂篁堡塞蔓! 夏 图1 1e t r 4 6 0 摆式电动车组电弓支承装置 第二种模式是滑动导轨式。受电弓安装在一个带滑动导轨的支承台上， 由连接在转向架上的钢丝绳拉动，使支承台在车体倾摆过程中保持在轨道中 心线上的中立位置。受电弓支承台用滑动阻力非常小的轴承导向，能相对车 顶作左右滑动。左右两对钢丝绳从转向架构架起沿车体侧墙延伸到车顶，通 过张紧机构连接到支承台上，以约束受电弓支承台，使受电弓一直保持在轨 道中心线上的中立位置。该装置的关键部分是钢丝绳的张紧机构，左右两对 钢丝绳按相同方向绕在张紧机构的滚筒上，滚筒通过支承轴承安装在支承台 下面，直径约1 0 0 r a m 。张紧机构的盘形弹簧给卷绕的钢丝绳一定张力。当车 体产生的左右、上下振动时，将使钢丝绳的张力发生变化，张紧机构的滚筒 利用盘形弹簧力，或弹簧阻力进行正、反转，使左右钢丝绳卷绕和松开同样 的长度，这样就使转向架左右构架至滚筒的钢丝绳总长保持不变，从而使受 电弓不受车体振动的影响而保持中立位置。日本的8 0 0 0 系列摆式电动车组采 用了该模式1 3 j 。其结构如图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜28 0 0 0 系列摆式动车组电弓支承装置 图1 3 四连杆式被动倾摆受电弓 第三种模式是四连杆式。受电弓支承装置安装在一对四连杆构成的一个 摆动平面上，由曲臂杠杆带动四连杆摆动。益臂杠杆一端与转向架相连，另 一端连接受电弓底座，曲臂杠杆的支点固定在车体上，车体的运动带动曲臂 杠杆转动，从而拉动支承装置与受电弓一起运动。受电弓支承装置通过吊杆 连接在车顶上，四连杆各转动关节采用了转动轴承约束【引。其结构原理如图 1 3 所示。 堕亩交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 1 2 主动摆 主动摆受电弓倾摆模式是通过在车体顶部安装的作动器使受电弓倾摆。 在列车通过曲线时，利用液压式、机电式或气动式作动器产生的附加外力强 迫性地使受电弓向曲线外侧倾摆。主动摆按照提供附加力的力源的不同，可 分为液压式、机电式和气动式。 液压式作动器是较早成熟的技术，在车体倾摆系统中得到广泛的应用， 但液压系统在技术上、结构上都比较复杂，而且其重量较大，检修不方便， 在受电弓倾摆系统中没有得到应用。 机电式作动器由于能耗小，安装和维修保养方便，近年来得到了快速的 发展。机电式作动器有两种，一种是伺服电机带动同步带的方式，如英国西 海岸的摆式电动车组w c m l ，采用一台伺服电机通过同步带控制受电弓支承 装置在导轨上的位置。伺服电机的控制指令来自于车体倾摆系统中的倾摆控 制计算机，实现伺服电机与车体倾摆作动器的反向同步控制。其结构如图1 4 所示【引。 图l 一4 伺服电机带动同步带式受电弓倾摆系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 另一种机电式作动器采用与车体倾摆系统相似的线性作动器，线性作动 器由伺服电机通过齿轮箱带动螺母，螺母带动滚柱丝杠将旋转运动转化为直 线运动。典型结构如西门子公司的i c e e t 摆式电动车组，受电弓倾摆机构采 用与车体倾摆机构相似的四连杆机构，受电弓支承平台通过四连杆机构安装 在车顶上，四连杆机构的倾摆运动采用与车体倾摆作动器相似的线性作动器 控制。受电弓四连杆机构的运动与车体四连杆机构的运动方向相反，保证了 受电弓在车体倾摆过程中能够始终处于轨道中心线上的中立位置。作动器指 令同样来自于车体倾摆系统中的倾摆控制计算机【8 1 。其结构如图1 5 所示。 图1 - - 5 线性作动器驱动模式 气动式主动摆受电弓系统由于气体的可压缩性以及可能对主风管压力的 影响造成动作时迟较大，且驱动力小，还容易发生低频振荡，只有日本在其 5 9 1 试验车上试用过，但存在控制可靠性问题，没有成功应用【引。结构原理 如图1 6 所示。 堕塑窒塑盔兰塑土研究生学位论文第7 页 气皙 图1 6 气动式受电弓倾摆系统 1 2 2 受电弓支承结构形式 常见的摆式电动车组受电弓支承结构形式有三种。 第一种支承结构形式是支承台架式。受电弓通过支承台架安装在转向架 构架上。如意大利e t r 4 5 0 、e t r 4 6 0 摆式电动车组以及日本3 5 1 、8 8 3 系列 摆式电动车组，各个公司的支承台架结构略有差别l 射。结构如图1 1 所示。 第二种为四连杆形式。采用四连杆式时，受电弓通过绝缘子安装在个 支承平台上，支承平台通过四根吊杆连接在车顶上，四连杆各转动关节采用 了转动轴承约束，即使列车运行时车体会产生各个方向的振动，受电弓支承 装置不会跳离四连杆的约束。如图1 7 所示。 图1 7 四连杆式支承结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第三种是滑动导轨式，其结构如图1 - - 8 所示。受电弓安装在框架式支承 台上，m 1 、m 2 、m 3 为绝缘子安装点，支承台通过滑轮r 约束在导轨s 】、s ： 上，导轨的表面按一定的形状设计，以便补偿车体倾摆引起的受电弓的偏移。 为了保证受电弓支承台在列车运行过程中不脱离导轨，采用了特殊的约束装 置将受电弓支承台限制在导轨上。英国西海岸的摆式电动车组w c m l 和日 本的8 0 0 0 系列摆式电动车组采用了该模式i 8 l 。 图1 8 受电弓滑动导轨示意图 1 2 3 受电弓摆动模式 1 2 3 1 被动摆式受电弓倾摆系统的摆动模式 被动摆式受电弓倾摆系统按支承结构分有三种模式，支承台架式、滑动 导轨式和四连杆式。支承台架式受电弓系统的受电弓不摆动，滑动导轨式和 四连杆式有不同的摆动方式。 滑动导轨式受电弓倾摆系统采用钢丝绳牵引方式，日本的8 0 0 0 系列摆式 电动车组采用了此方式i ”。钢丝绳带动受电弓支承台在导轨上滑动，从而使 受电弓保持在轨道中心线的中立位置。钢丝绳固定在转向架上，沿车体侧墙 连接到车顶的受电弓支承台，钢丝绳与支承台的连接处有一个张紧机构，通 过张紧机构，给钢丝绳一定的预紧力，克服车体振动引起的受电弓的偏移。 基于四连杆机构的被动式受电弓倾摆系统，一般采用曲臂杠杆机构带动 的模式，西门子公司的被动式受电弓倾摆系统采用了该模式，如图l 一9 所示。 曲臂杠杆的支点铰接在车体上，一端通过拉杆连接在转向架构架上，另一端 一堕堕窭亟查堂塑圭堕窒圭堂篁堡窒蔓! 夏 图1 9 西门子公司的被动受电弓倾摆机构 与受电弓支承台相连，车体倾摆时，带动曲臂杠杆转动，从而带动四连杆以 及受电弓倾摆。值得注意的是，其车体倾摆系统采用了簧上摆的模式，摆枕 与车体之间没有弹簧，转向架构架与车体的振动一致，车体的振动不会引起 受电弓的摆动。 1 2 3 2 主动摆式受电弓倾摆系统的摆动模式 对于主动倾摆受电弓而言，气动式以及液压式作动器由于种种原因，没 有得到应用。机电式作动器近年来发展较快，一种是伺服电机通过同步带拉 动的方式，车顶上安装一个伺服电机，车体倾摆时，通过电机的正、反转， 同步带拉动受电弓支承平台运动，控制受电弓支承装置在导轨上的位置，实 现受电弓的倾摆运动。如英国西海岸的摆式电动车组w c m l 。 另一种是线性作动器驱动的方式，受电弓支承装置通过四连秆机构安装 在车体上，四连杆摆动位置采用与车体倾摆机构相似的线性作动器控制。车 体倾摆时，车顶上的线性作动器做与车体倾摆作动器类似的动作，使受电弓 四连杆机构的运动与车体倾摆机构的运动方向相反，保证受电弓滑板中点在 车体倾摆过程中处于轨道中心线的中立位置，如西门子公司的i c e e t 摆式 电动车组。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 1 3 国外受电弓倾摆系统的研究状况 1 3 1 西班牙 西班牙的t a l g o 公司1 9 4 3 年开发的摆式列车是最早运用的摆式列车，在 经过4 0 年的不断改造和试验后，t a l g o 公司于1 9 8 0 年将t a l g op e n d u l a r 摆式 列车投入批量生产。到9 0 年代初，t a l g op e n d u l a r 已经成功研制了时速达到 2 5 0 k m h 的摆式列车，在德国的高速线路上试验速度达到3 0 0 k m h 。西班牙 是目前世界上唯一采用被动式摆式列车的国家。t a l g op e n d u l a r 动力方式采用 专门的机车牵引，受电弓不倾摆1 2 1 。 1 3 2 瑞典 瑞典是著名的摆式列车x 2 0 0 0 的发源地。瑞典也是一个多山的国家，它 在1 9 6 9 年进行了首次摆式列车试验，目的是在对既有线路不进行改造或稍加 改造的基础上提高列车的运行速度。1 9 7 3 年瑞典铁路( s j ) 和a s e a ( 后来的 a b b 和a d t r a n z ) 公司制定了联合开发x 1 5 摆式列车的计划。1 9 7 5 年制造出 样车并进行了多年的试验，1 9 8 1 年获得瑞典政府的第一列订单，1 9 8 6 年批量 生产时改名为x 2 0 0 0 ，之后又研制了时速达2 5 0 k m h 的新型x 2 0 0 0 列车。瑞 典铁路( s j ) 1 9 8 6 年8 月向a b b - - s c a n d i n v i a 公司签订了2 0 列x 2 0 0 0 的合 同，1 9 9 0 年8 月，对第一列车进行了运营试验，到1 9 9 5 年共有3 6 列x 2 0 0 0 交付使用。x 2 0 0 0 摆式列车，采用动力集中方式，头车不倾摆，安装在头车 上的受电弓没有倾摆装置1 2 j 。 1 3 3 意大利 7 意大利不仅是主动式摆式列车发源地，同时也是研制和开发摆式列车最 为成功的国家之一。f i a t 公司早在1 9 5 7 年就开始研究并制造出模拟试验样机， 经过1 8 年的反复试验，于1 9 7 5 年制造出两辆编组的实用性样车e t r 4 0 1 电 动车组，即第一代p e n d o l i n o 。它采用横向加速度传感器和陀螺仪来检测进入 曲线的状态，利用液压作动器使车体进行倾摆。继第一代p e n d o l i n o 后，f i a t 公司开始批量生产第二代p e n d o l i n o ( e t r 4 5 0 ) ，p e n d o l i n o 的第三代为 e t r 4 6 0 、e t r 4 7 0 。f i a t 通过出口或技术转让，在摆式列车项目上获得了巨 大的成功【5 1 。e t r 4 5 0 和e t r 4 6 0 摆式电动车组，受电弓倾摆系统采用被动摆 模式，直接从转向架构架上安装支承台架，受电弓与车体间没有约束，受电 弓支承装置与车体倾摆动作无关l l ，2 】。 1 3 4 日本 日本是在窄轨铁路( 1 0 6 7 m m ) 上第一个采用摆式列车的国家。日本大 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 部分铁路为窄轨且地处山丘，为提高列车的速度，日本积极开发摆式列车技 术。日本首先开发的摆式电动车组是3 8 1 系列，于1 9 7 3 年投入名古屋一长野 之间运营。该车采用了德国w e g m a n n 的被动倾摆原理，使其在米轨线路上 的最高速度提高到1 2 0 k m h ，在曲线上的限速比常规列车提高2 0 - - 3 0 左 右。1 9 8 3 年开始对3 8 1 系列车进行改进，加了一个作动风缸，并将事先检测 的线路数据存储在车载计算机中，根据a t s 信号及列车速度来主动控制车体 在通过曲线时的倾摆动作，从而使性能大为改善。随后又设计和生产出了一 批摆式电动车组和内燃动车组，既用于既有线路提速，也可用来在新干线上 运行【1 _ 3 j 。日本的摆式电动车组有5 个系列，其特点及受电弓型式如表1 1 所示f 5 1 。 表1 1日本的摆式电动车组受电弓型式 j rj r 铁路公司j n rj r e a s tj rc e l l t r a lj r w e s t s h i k o k uk v u s h u 系列3 8 1e 3 5 13 8 32 8 38 0 0 08 8 3 组成4 m 2 t2 m 2 t2 m 2 t2 m 4 t2 m 3 t3 m 4 t 最高速度 1 2 01 3 01 3 01 3 01 6 01 3 0 ( k m h ) 车辆重量 3 4 2 - 3 6 23 3 以93 1 2 - 3 7 93 3 4 - 3 9 63 0 - 4 0 53 7 6 4 0 “) 电机功率1 2 0 k w 1 5 0 k w 1 5 5 k w 2 2 0 k w 2 0 0 k w 1 9 0 k w ( k w l 44444 x 4 车体铝合金钢不锈钢不锈钢，钢不锈钢不锈钢 倾摆角度5 05 0 5 05 05 05 0 滚子被动滚子主动导向滚子导向滚子滚子主动 滚子主 倾摆类型 摆摆主动摆主动摆摆动摆 受电弓倾下部机构 直接安装 下部机构下部机构 钢丝绳连直接安 在转向架接到转向 装在转 摆方式补偿型式补偿型式补偿型式 架上向架上 转向架径 无无有无无 无 向机构 投入时间 1 9 7 31 9 9 31 9 9 41 9 9 61 9 9 3 1 9 9 5 至1 9 9 8 年 2 7 76 0 7 61 84 85 0 运营车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 3 5 德国 德国是世界上开行摆式列车最多的国家。早在1 9 2 8 年，德国人 k r u c k e n b e r g 就提出了摆式列车的原理及方案图，但受当时机械制造和控制技 术所限，其设计思想直到1 9 3 5 年才由瑞士s i g 公司在b l s 铁路上实现。德 国在6 0 年代即由w e g m a n n 公司开发出了被动式倾摆系统，并在一列内燃动 车组上进行了试验，但其效果不尽人意，7 0 年代又在其他动车组上进行试验， 尽管性能有所改善，但仍然没有达到预想的效果。8 0 年代末，为了适应与高 速主干线相匹配的需要，提高其二级线路的速度，德国联邦铁路( d b ) 对意 大利主动倾摆的e t r 4 0 1 列车和西班牙被动倾摆的t a l g o2 0 0 列车进行了线路 试验，并采购了6 列t a l g o 摆式列车和2 0 列采用意大利f i a t 倾摆技术的v t 6 1 0 内燃动车组。此举极大地激发了德国机车车辆工厂对开发和研制摆式列车的 热情。a e g 公司首先在1 9 9 5 年研制出世界上第一列采用机电式作动器的摆 式内燃动车组( v t 6 1 1 ) 。随后t a l b o t 公司在世界上首次采用了在抗侧滚扭杆 上安装倾摆作动器的倾摆技术，并于1 9 9 6 年在v t 6 1 4 内燃动车组上成功地 进行了试验，1 9 9 8 年获得了挪威铁路( n s b ) 1 3 列摆式动车组的订单l l , 2 1 。 s i e m e n s 公司下属的奥地利s g p 公司，在上世纪8 0 年代末就致力于摆式 列车的研究开发，s i e m e n s 利用其技术优势与意大利f i a t 公司合作研制摆式 列车，先后开发出i c e - e t 摆式电动车组和i c t v t ( v t 6 0 5 ) 摆式内燃动车组， 于1 9 9 9 年开始向德国铁路提供4 3 列i c t e t 和2 0 列i c t v t ”。该车采用了 新型的s f 6 0 0 转向架，运用机电式倾摆技术并有横向气动半主动悬挂装置。 s i e m e n s 公司有两种形式的受电弓倾摆系统，一种是主动摆模式，支承结构 为四连杆模式，受电弓支承装置安装在四连杆机构上，四连杆机构的倾摆运 动由线性作动器控制。另一种是被动摆模式，支承结构也是采用四连杆模式， 但驱动方式是由一根与转向架相连的曲臂杠杆拉动，曲臂杠杆的支点铰接在 车体上。车体的摆动带动杠杆转动，从而拉动受电弓倾摆机构摆动，完成受 电弓的倾摆。 1 3 6 加拿大 加拿大国家铁路和b o m b a r d i e r 公司在7 0 年代研制出l r c 摆式列车，加 经过试验后于1 9 8 1 年投入魁北克一温莎运营。经过十余年的运用考验，性能 可靠。但是由于客流等原因，使用效果并不十分理想，未能推广使用。 b o m b a r d ie r 和a 1 s t e m 联合设计和制造的“美国飞人”摆式列车，列车牵引 采用动力集中方式，受电弓不倾摆j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 3 7 美国 美国为了提高东北走廊和西北太平洋线的旅行速度，曾经先后租用瑞典 的x 2 0 0 0 、西班牙的t a l g op e n d u l a r 和德国的i c e 等列车进行提速试验，引 起了美国各州的关注，但最后决定采用由加拿大b o m b a r d i e r 和a l s t o m 联合 设计和制造的“美国飞人”摆式列车【2 1 。 1 3 8 英国 英国在6 0 年代中期开始摆式列车研究，并于7 0 年代制造了a p t - p 型摆 式电动车组，a p t 车的受电弓倾摆系统采用台架和连杆机构支承的方式。 1 9 8 0 年末开始进行试验，几经挫折后，于1 9 8 1 年进行试运营。但在一次 2 1 0 k m h 速度运行时，由于倾摆机构出现故障，发生了旅客在车内摔倒等事 故。此外，加上其他一些原因，英国停止了a p t 摆式列车的研究。到9 0 年代 初，为了在与航空的竞争中取胜，g n e r 和v i r g i n 公司计划重新引入摆式列 车以实现提速，于1 9 9 7 年向意大利f i a t 公司定购了8 列1 1 辆编组的摆式列 车，并于2 0 0 0 年在东海岸干线伦敦一爱丁堡之间运行。另外5 5 列由f i a t 和 a l s t o m 联合制造的7 辆编组摆式列车用于西海岸线，用于西海岸线的摆式电 动车组( w c m l ) ，受电弓支承装置采用滑动导轨形式，导轨的表面轮廓设 计与车体倾摆机构的运动特性相对应。伺服电机通过同步带控制受电弓支承 装置在导轨上的位置i 2 i 。 1 3 9 法国 法国也是摆式列车的创始国之一。在1 9 4 0 年试验之后，法国于1 9 5 6 年 研制了最大倾角为1 8 。的摆式电动车组，对它进行了长达1 0 年的试验后， 于1 9 7 0 年试制了两辆摆式列车并进行了试验，因该车的结构过于复杂，维修 困难而最终放弃。直到9 0 年代中期，法国开始重新研制摆式车。法国t g v 有 多种结构形式，为了解决车辆速度提高和成本之间的矛盾，法国将研制第4 代t g v ，其中包括摆式t g v 。a l s t o m 公司的摆式t g v ，在t g v - - p s e 基 础上改造，其车辆摆而机车不摆，没有受电弓倾摆机构1 2 】。 1 3 1 0 瑞士 尽管同是摆式列车的创始国之一，瑞士的摆式列车多年来一直未达到实 用的程度。7 0 年代末，s i g 公司重新开展摆式列车的研究，并于8 0 年代试制 出试验样车。由于在线路试验中倾摆机构发生故障而停止继续试验。直到9 0 年代末，试验和研制工作才重新展开。1 9 9 7 年，s i g 公司和s c h i n d l e r 公司 与瑞士联邦铁路( s b b ) 达成2 0 0 0 年开始提供2 7 列i c n 2 0 0 0 摆式电动车组的 协议【2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l4 页 1 3 1 0 其它国家 其他些国家如挪威、捷克、澳大利亚、马来西亚等也纷纷进行摆式列 车的研究和开发，以提高在既有线路上的旅客列车运行速度【2 1 。 1 4 国内受电弓倾摆系统的研究状况 1 9 9 9 年铁道部立项自行研制我国的第一列摆式列车，由国内十几家单位 联合研制，采用内燃机车牵引，西南交通大学承担了该车倾摆控制系统的研 制( 项目编号：9 9 j 4 5 一e ) 。之后，国内各大铁路工厂也相继投入大量资金进 行摆式列车的开发和生产，唐山机车车辆厂开发的1 6 0 k m h 内燃摆式动车组 已经完成，四方机车车辆股份有限公司将开发2 0 0 k m h 动力分散型4 m 2 t 摆 式电动车组，该电动车组由2 个动力单元组成，一个动力单元由3 节车组成， 包括2 个动力车和1 个非动力车，简称两动一拖( 2 m 1 t ) 。其中头车又称为 控制动力车，代码为m c ，另一动力车称为变流车，代码为m ，中间一辆不 带动力的车为变压器车又称拖车，受电弓安装在拖车上1 3 ”。总之，目前国内 对摆式电动车组受电弓倾摆系统的研究尚未深入开展，几乎是一项空白，严 重制约了摆式电动车组技术的应用和发展。 2 0 0 2 年，受教育部博士点基金项目( 项目编号：2 0 0 2 0 6 1 3 0 1 6 ) 资助， 西南交通大学展开了对高速摆式列车受电弓倾摆系统的研究。本文正是在该 项基金的资助下完成的。 1 5 本文的主要内容 采用摆式列车是在既有线路上实现提速和增加舒适性的一种有效措施。 采用动力分散的牵引模式是当今摆式列车发展的趋势，动力分散牵引模式又 根据线路运用条件不同分为内燃和电力动力分散两种牵引模式。铁路电气化 是我国铁路发展的既定方针，电力机车的运输量大，运营成本低，对环境无 污染，发展摆式电动车组在我国有着广阔的前景。然而采用电力动力分散的 牵引模式也带来一个新问题，即由于带受电弓的车也要倾摆，车顶上的受电 弓系统也必须作出相应的倾摆，才能补偿由于车体倾摆引起的受电弓的偏移， 从而保证受流的连续性和列车运行安全性。目前国内对摆式列车受电弓倾摆 系统的研究尚未深入开展，严重制约了我国电动摆式动车组技术的发展。随 着铁路电气化水平提高及对电动摆式动车组的需求日趋增加，对受电弓倾摆 系统进行研究就具有十分重要的理论和现实意义。为此，本文将对摆式电动 车组的受电弓倾摆系统进行全面分析研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 本文的主要内容有： ( 1 ) 根据目前国外摆式电动车组受电弓倾摆系统技术应用状况，结合我国 国情，选择了一种符合我国实际的摆式电动车组受电弓倾摆系统模式。完成 了基于四连杆机构的被动式受电弓倾摆系统的系统设计。 ( 2 ) 参考普通电力机车受电弓与接触网的接触条件，提出对摆式电动车 组受电弓倾摆运动的要求，在保持受电弓底座与转向架构架平行的要求下， 优选出受电弓四连杆机构的位置和尺寸参数。 ( 3 ) 运用a d a m s 软件，对基于四连杆机构的被动式受电弓倾摆系统进 行了几何建模以及运动学仿真，对受电弓的倾摆规律及受电弓滑板中点的运 动规律进行了研究，对杠杆机构的尺寸、位置参数进行了优化。 ( 4 ) 根据车体的倾摆运动特性，对受电弓倾摆系统进行了动力学仿真， 分析了受电弓倾摆系统的受力情况，校核了拉杆的稳定性，并且分析了受电 弓倾摆系统对车体和转向架可能带来的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第2 章受电弓倾摆系统方案设计 国外对摆式电动车组受电弓系统的研究，从摆式列车技术应用开始己进 行了很多年，开发了多种受电弓倾摆系统模式，并已应用于各类摆式电动车 组上。本章就摆式电动车组受电弓倾摆系统设计的关键问题进行了探讨，分 析各种系统模式的优缺点，提出了一种适合我国国情的摆式电动车组受电弓 倾摆系统方案。 2 1 受电弓倾摆控制模式选择 摆式电动车组受电弓倾摆系统设计的关键问题之是倾摆控制模式的 选择。受电弓倾摆系统按照有无倾摆作动器可分为两种控制模式：被动摆和 主动摆两种模式。 被动摆式受电弓倾摆系统在倾摆过程中，系统不需要外加动力的作用。 被动摆式受电弓倾摆系统包括三种模式：第一种模式是将受电弓通过支承台 架直接安装在转向架构架上。其最大特点是结构简单，受电弓支承装置与转 向架保持相对固定，受电弓不受车体倾摆的影响。缺点是转向架上的振动直 接传递到受电弓，对受电弓与接触网的接触性能有一定的影响，而且在车体 内部要通过支承台架，减小了乘客的有效使用空间，一般要占用一排座位的 空间。如图1 1 所示。第二种模式是受电弓安装在一个带滑动导轨的支承台 上，由连接在转向架上的钢丝绳拉动，使支承台在车体倾摆过程中保持轨道 中心线上的中立位置。钢丝绳是在车体外部安装，不占用车体空间，但必须 解决由于车体振动引起的钢丝绳张力的变化，因此它采用了一个盘形弹簧装 置，使左右钢丝绳卷绕和松开同样的长度，结构相对复杂。另外，滑动支承 台的轨迹设计必须与车体倾摆系统相适应。如图1 2 所示。第三种模式是受 电弓支承装置通过一对四连杆机构安装在车顶上，由曲臂杠杆机构带动四连 杆摆动。四连杆各转动关节采用了转动轴承约束，受电弓与支承装置一起运 动，即使列车运行时车体会产生各个方向的振动，受电弓支承装置不会跳离 四连杆的约束。如图1 3 所示。 主动摆式受电弓倾摆系统是通过车体顶部安装的作动器使受电弓倾摆。 在通过曲线时，利用作动器产生的附加外力强迫性地使受电弓向曲线外侧倾 摆。主动摆受电弓倾摆系统的受电弓吏承装置与转向架无连接要求，保证了 乘客的使用空间，整个车体内视野开阔。主动摆按照提供附加力的力源的不 同，可分为液压式、机电式和气动式。液压式作动器在技术上、结构上都比 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 较复杂，而且其重量较大，检修不方便，在受电弓倾摆系统中没有得到应用。 机电式作动器由于能耗小，安装和维修保养方便，近年来得到了快速的发展。 如图1 - - 4 、1 5 所示。气动式主动摆受电弓系统由于气体的可压缩性以及可 能对主风管压力的影响造成动作时迟较大，且驱动力小，还容易发生低频振 荡，只有日本在其5 9 1 试验车上试用过，但存在控制可靠性问题，没