（光学工程专业论文）内燃摆式动车组总体方案设计及列车动力学分析.pdf

北京交通大学工程硕士专业学位论文 摘要 铁路发展一速度的不断提高是重要标志，各国在不断新修高速铁路 的同时对运输设备的机车车辆也提出新的要求，逐步发展为动车组的形 式。动车组的主要特点是：固定单元式编组，按照用户要求可对车内设 施进行特殊设置，在动力牵引上分动力集中和动力分散两种形式，动力 分散牵引形式已成为高速动车组的发展趋势。 世界各国在修建高速铁路提高列车运行速度的同时，也积极采用摆式 列车进行既有线路提速，已取得了卓越的成绩。我国铁路在近几年均利 用现有设备积极挖潜，进行提速，取得很大成效。其中线路条件较好的 四大干线成效显著。在既有线路上提速，就是在不影响旅客乘坐舒适度、 不降低列车运行安全性的前提下，提高曲线通过速度。国外的运用经验 证明，采用摆式列车可提高曲线通过速度3 0 左右，是既有线路提速有 效的途径之一。 摆式动车组就是在既有动车组研发成果的基础上，进行摆式车关键 技术的研究开发。因此，摆式动车组的重点是针对倾摆控制系统、径向 转向架技术、轻量化车体技术等进行开发研究。国外摆式动车组采用的 技术各有不同，按有无能源分为被动( 自然) 摆式客车与主动( 强制) 摆式 客车。主动倾摆机构按能源供给又有液压、压缩空气、机电之分。倾摆 机构的连接型式多为吊杆式，也有采用滚轮式和轴承导轨式。按倾摆机 构在转向架上的位置有簧上摆和簧间摆等，必须根据我国的实际出发， 正确选择出适合我国既有线提速采用摆式动车组的形式。 本文详细提出了内燃摆式动车组总体工程化方案，包括动车组的总 北京交通大学工程硕士专业学位论文 体技术参数、车端连接装置、动力车总体、客车总体、转向架结构及参 数等。 建立了四辆车动力学分析模型，利用a d a m s r 丑i 1 动力学仿真系统 进行动车组的仿真分析研究，对车辆之间安装适当的横向和垂向减振器可 明显减小由线路不平顺随机激扰所引起的列车振动响应。 介绍了径向转向架实验台及线路试验的情况，给出了实验结果。 关键词：摆式动车组；方案：列车组动力学；试验研究 i i 北京交通大学工程硕士专业学位论文 a b s t r a c t t h ei i n p r o v e m e mo fs p e e di sa j li 1 p o n a ms 河b o li nm e d e v e l o p r r l e n to fr a i l w a y ，l l e na 1 1c o u n t e si n 廿l e 、o d db u i l d h i g h s p e e dr a i l w a y s ，r o u i n gs t o c ka l s os h o u l db ei m p r o v e d i ti s d e v e l o p e d a sm em o d eo fp o w e rc a r s g r a d u a l l y 1 1 1 em a i n c h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rc a r sa r ef e d 一砌tm a k e u p ；t h ef a c i l i t i e si n c a r sc a nb ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt op o w e r 舰c 廿o nm o d e ，p o w e rc a r sc a nb ed i v i d e di n t 0 协ok i 芏l d s ：p o w e rc e n 订a l i z e da n dp o w e rs c a t c e r e d p o w e rs c a 仕e r e d h a sb e e nm en e l l do fd e v e l o p m e m o f h i g h s p e e dp o w e r c a r s w h e nb u i l d1 1 i 曲- s p e e dr a i l w a y s ，a l lc o u r 血e sa r ep o s i t i v et o a d o p tt i l t i n g 仃a i i l st or a i s es p e e d0 nm ee x i s t i n gr a i l w a yl i n e s ， w h i c hh a sg a i n e de x c e l l e ms u c c e s s e s f o rm el a s tf e wy e a r s 位 e x i s t i n gd e v i c eh a s b e e nu 蛀l i z e dw e l lt or a i s e s p e e di n o u r c o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yo n 1 ef o u rm a i nl i n e s r a i s i n gs p e e dm e a n s t or a i s et h es p e e do fc u r v en e g o 缸a t i o ni nm ep r e i i l i s eo fn o t a 丘e c 曲gp a s s e n g e rr i d ec o m f b f t ，o rn o ti 弓i h i c i n gt r a i n - i u n r l i n g s a f b 够t h eu s a g ei nf o r e i 舯c o u n t r i e sh a l sc e r t i 6 ca t i 甜a d o p 石o n t i h 曲gc a r sm a yr a i s et h es p e e do f c u r v en e g o 廿a t i o nb y3 0 s oi t i so n eo f 觚e f f b c t i v e w a y t or a i s es p e e d t i l t i n gp o w e rc a r sa r ep u tf - 0 n a r do nm eb a s i so fe x i s t i n g m 北京交通大学工程硕士专业学位论文 p o w e rc a r s n l eb j g h l i g h t sa r es t l l 蛳r 培o nt i l t i n gc o n t r o ls y s t e m ， r a d i a l 仇l c k ，a n dl i g h t w e i g h ta n ds oo n i nc o n s i d e r a t i o no fh 州n g e n e 唱yo rn o t ，m et e c h n o l o g i e sc a i lb ed i s t 证g u i s h e di n t op a s s i v e ( n a m r a l ) a n da c 廿v e ( c o m p u i s i v e ) p a s s e n g e rc a r s a c t i v et i l t i n g m e c h a i l i s mc a nb ed i v i d e dd i f r e r e m1 d n d s ：l i q u i d ，a i rc o i n l ) r e s s e d a n de l e c 仃o m e c h 撕z a t i o n 1 1 1 et y p e so fc o u p l i n gd 刚c ei nt i l t i n g m e c h a n i s ma r es u s p e n d e r ，i d l e rw h e e l 狮db e 撕n gg u i d em i l i i l t e n l l so f p o s i t i o no f t h em e c h a n i s m ，t h e r ea r es u s p e n d e dt i l t i n ga n d i n t e 卜s p m n gt i l 在n g t h es e l e c 6 0 nm u s tb e b a s e do n 廿l ea c t u a l c i f c u m s t a n c ei nc h i n a t h i sp 印e rp r e s e n t sm es c h e m eo fd i e s e lt i l t i r 培p o w e rc a r si i l d e t a i l ，i n c l u d i n gt e c l l i l i c a lp a r a m e t e r s ，c o u p l i n gd e v i c e ，p o w e rc a r s ， p a s s e n g e rc a r s ，仃u c ks 缸u c n l r ea n dp a “u n e t e r s t 1 1 e f o u rc a r sd y n 枷c a la n 蝴i c a lm o d e l i sp u t f 0 御甜d i n t h i s p a pe r a n dm ed y i l a i l l i c a ls i m u l a t i o ns y s t 锄- a d a m s r a i l i s u s e df o rs i r 姗1 a 矗o n a 1 1 a l y s i sa n dr e s e a r c h p r o p e rl a t e r a l a 1 1 d v e n i c a ld 锄：p e r sa r ei n s t a l l e db e t w e e nc a r s ，w h i c h 、i hr e d u c e 订a i n 讪r a t er e s p o n s ed u et o 仃a c ki r r e g u l 谢够m d o md i s t l 曲a 1 1 c e e 馈c i e n t l y t h i s p a p e r i n 廿0 d u c e sm d i a lt n l c ke x p e r i m e m a l 劬k 觚d c o n d i t i o n so f 仃a c kt e s t ，a i l ds h o w st 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u n s k e yw o r d s ：t i l d n gp o w e rc a r s ；s c h e r n e ；衄i i ld y n a l l l i c s ；t e s t r e s e a r c h 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 开行高速客运动车组的意义 我国人口众多，地域辽阔，经济快速发展。铁路是国家重要的基础 设施，国民经济的大动脉交通运输体系的骨干，具有大运力、低成本、 有利环保的特点，在全面建设小康社会的进程中肩负着重要的历史使命。 随着我国西部大开发，东北老工业基地振兴，强调社会整体和谐发展和 可持续发展的重大政治决策的落实，铁路运输的快速发展可有效调节东 西部差距得以实现经济的协调发展。国民经济持续高速发展和人民生活 水平大幅度提高给铁路运输提出了更高要求，尤其是对旅客运输的缩短 旅行时间、安全舒适性方面提出了很高要求。铁路运输部门也给运输装 备机车车辆的高可靠性、少维护免维护性、减低运输成本等方面提出新 的要求。在2 0 世纪六、七十年代，世界上各经济发达国家和一些发展中 国家注意到了经济发展与交通运输的矛盾，纷纷致力于高速列车的研究 和发展，诞生如法国t g v 、德国i c e 、日本新干线等高速动车组。有些 国家根据自身的线路条件开发出了摆式动车组，如意大利e 1 取系列摆式 车组等uj 。 铁科技 2 0 0 4 】7 8 号发布的铁路主要技术政策明确指出：“快速 扩充运输能力，快速提升技术装备水平，实现铁路跨越式发展”“引 进吸收国际先进技术与自主创新相结合，研究开发2 0 0 k m h 及以上旅客 列车及动车组。优先推广使用动力分散动车组。研究开发适应高海拔、 高寒气候条件的运行安全、维修方便、高可靠性的机车车辆”。现在国 北京交通大学工程硕士专业学位论文 内企业已引进国外阿尔斯通公司、庞巴迪公司、西门子公司、日本川崎 重工技术并进行合作生产2 0 0 妞妇动车组。 摆式动车组是作为铁路全面发展、全面提速的必要补充，是适用于 既有线提速和山区铁路提速的有效途径。在当前全面进行高速动车组技 术引进合作生产的同时进行摆式动车的试验研究是很有必要的，这样可 以使我国铁路提速的持续进行提供后列2 】 3 1 。 1 2 国内外动车组发展趋势 铁路的发展速度的不断提高是重要标志，各国在不断新修高速铁路 的同时对运输设备的机车车辆也提出新的要求，逐步发展为动车组的形 式。动车组的主要特点是：固定单元式编组，按照用户要求可对车内设 施进行特殊设置，在动力牵引上分动力集中和动力分散两种形式，动力 分散牵引形式已成为高速动车组的发展趋势。国外具有代表性的动车组 有：法国t g v 、德国i c e 、日本新干线、意大利e t r 等；国内也相继开 发了：蓝箭号、曙光号、中原之星、中华之星等动车组。而且在广深线 成功租用了瑞典) ( 2 0 0 0 摆式动车组。 1 2 1 法国t g v 高速列车【l 】 继巴黎一里昂第一条新干线之后，法国又修建了第二条新干线 大西洋新干线( 巴黎勒芒、图尔) 。1 9 8 9 年1 1 月，大西洋新干线 电动车组( t g v a n a i 岬e ) 投入运营，即法国第二代t g v 高速铁路， 最高运行速度3 0 0 h r 池。1 9 9 0 年5 月，t g v a n 锄姻u e 创造了最高试验速 度5 1 5 3 h n m 的世界纪录。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图1 1法国t g v a n 卸d q u e 高速列车 1 2 2 德国i c e 高速动车划1 】 i c e 的第一代，1 9 9 1 年厩式投入运营，由两个动车及十至十二个拖 车组成，运行在德国南北线和瑞士、奥地利等国，运行速度2 8 0 h n ，h 。i c e - l 共有6 0 列正式投入运营，其中一列在1 9 9 8 年的一次以外事故中损坏。 i c e 的第二代，1 9 9 7 年正式投入运营，仅有一辆动车及七个拖车组成， i c e 一2 共有4 4 列正式投入运营，运行速度2 8 0 虹儿。 i c e 的第三代，2 0 0 0 年正式投入运营。i c e l 3 对其先辈进行了根本 性的改造，拥有更快的运行速度，其构造速度3 3 0 h l m ，持续速度 3 0 0 虹1 1 1 ，属于动力分散式。i c e 3 由八辆车组成，共1 6 个动轮，相当于 i c e 一2 动力的两倍。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图卜2 德国i c e 高速动车组 1 2 3 日本新干线高速列车 。1 新干线里最受关注的车辆，是运营速度最快的车辆。银色的车身， 纯流线型的外形，体现出九十年代的高科技水准。5 0 0 系列生产于1 9 9 5 年，到1 9 9 8 年，已生产出1 4 4 辆合9 组，每组车有1 6 节车厢。这种 车运行于山阳和东海道新干线，最高运行时速为3 0 0 公里。 7 0 0 型新干线是日本最新也是最先进的一款新干线。它于1 9 9 7 年开 始制造，但正式投入运行是在1 9 9 9 年的三月1 1 日。到四月为止，7 0 0 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 型新干线已经制造了1 7 6 辆，cs e t s 模式每组车有1 6 节车厢，es e t s 模式 有8 节车厢。7 0 0 型的车体是用铝合金压制成的中空外壳，内部填充的是 吸音，防震的复合材料。经过了两年的试运行，7 0 0 型的样车总里程已超 过4 0 万公里，在极大程度上保证了新车的安全性。 剖卜3 新干线7 0 0 系列车 1 2 4 瑞典x 2 0 0 0 动力集中电动摆式动车组 x 2 0 0 0 摆式列车是国际上较早实现商业化运行的摆式列车之一， 于1 9 9 0 年9 月在斯德哥尔摩哥得堡4 7 5 k m 长的线路上正式投入使用。 首次运行使得旅行时间从4 h 减少到3 h 以下，运行获得巨大成功，瑞典 国家铁路现有4 3 列慰0 0 0 列车投入运营，最高运行速度2 0 0 h r l ，h 。广深 铁路于1 9 9 6 年正式签定合同租用a i 妇1 1 z 公司x 2 0 0 0 ( 1 m 5 t + l t c ) ， 1 9 9 8 年正式运营，社会和经济效益显著。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图卜4 瑞典) ( 2 0 0 0 动力集中电动摆式动车组 1 2 5 意大利e t r 4 6 0 动力分散电动摆式动车组 由意大利f i a t 公司开发的p e n d o 抽。摆式列车已历经几代发展成了系 列产品，第一代是e t r 4 0 l ，第二代是e 皿u 5 0 。第三代是e 1 l h 6 0 。第 二代e t r 4 5 0 于1 9 8 8 年正式营业运行，这是主动控制的高速摆式列车在 世界上首次批量营业运行。e t r 4 6 0 比e 1 限4 5 0 作了较大改进，于1 9 9 5 年投入运行。 图卜5 意大利e 1 】m 6 0 动力分散电动摆式动车组 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 。2 6 德国6 1 2 内燃摆式动车组 9 0 年代以来，德国联邦铁路对摆式列车技术表现出了十分浓厚的兴 趣，目前德国所拥有的摆式列车数量在欧洲居首位。主要有两种类型：一 类是v r 6 i o 、v t 6 l i 、v r 6 1 2 摆式内燃动车组，另一类是i c t 城间摆式 列车。v t 6 1 2 是在6 l l 型内燃动车组的基础上，a d 曲i l z 公司开发的， 均采用了机电倾摆作动器。摆式列车投入运用以来取得了很大的成功。 图卜6 德国v t 6 1 2 内燃摆式动车组 1 2 7 我国中华之星高速动车组 该电动车组将咸为我国京一沈快速客运通道的主型车。列车最高运 营速度可达2 7 0 k m h ，是目前我国商业运行时速最陕的电动车组。动车 组由2 节动力车和9 节拖车组成。9 节拖车包括：2 辆一等座车，6 辆二 等座车和l 辆酒吧车。动车组采用先进的交一直一交电力牵引方式b 由 分别编组在头部和尾部的两个动力车以前拉、后推的方式推挽运行。该 动车组广泛地采用了国内、外的先进技术，列车的整体技术性能达到国 外同类产品的先进水平。 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 圈卜7 中华之星爵遮动车组 1 2 8 我国中原之星动车组 “中原之星”动车组为动力分散型、交流传动电动车组，适用于中、 短途快速旅客运输。由株洲电力机车厂、四方机车车辆股份有限公司、 株洲电力机车研究所三家单位联合研制生产。首列动车组于2 0 0 1 年l o 月生产下线。目前，一列动车组，配属郑州铁路局，于郑武线上运营。 电路以动力单元为单位的电路型式，交直交传动，四象限脉冲整流，两 点式电压型逆变器，中间直流电压为1 5 0 0 v ，变流元件为i g b t ，直接转 矩控制，牵引电机采用l c 4 m 控制方式 图卜8 中原之星动车组 8 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 3 开发内燃摆式动车组的意义 世界各国在修建高速铁路提高列车运行速度的同时，也积极采用摆 式列车进行既有线路提速，已取得了卓越的成绩。近几年在铁道部组织 领导下国内各路局均利用现有设备积极挖潜，进行提速，取得很大成效。 其中线路条件较好的四大干线成效显著。但山区线路的客运提速却显得 很困难，提速潜力很有限。在既有线路上提速，就是在不影响旅客乘坐 舒适度、不降低列车运行安全性的前提下，提高曲线通过速度。国外的 运用经验证明，采用摆式列车可提高曲线通过速度3 0 左右，是既有线 路提速有效的途径之一。 为了实现铁路全面提速的目标，铁道部科教司于9 9 年4 月正式组 织立项对摆式列车组进行开发研制。前期开发研制的目标是两动六拖内 燃摆式列车组，逐步使之系列化。根据铁道部科技研究开发计划项目“摆 式列车组总体、摆式客车研制”( 合同编号9 9 j 4 5 a ) 要求，在消化吸收国外 同类产品技术基础上，按照和参照国标、铁标及相关标准进行摆式列车组 总体方案设计。 1 4 本文的主要研究工作 国内外的各型动车组运用非常广泛，尤其在既有线提速采用了摆式 动车组，世界各国采用的摆式动车组方案各不相同，但都得到了很好的 效果，本文主要在分析国外运用成熟的摆式动车组的基础上，根据我国 实际在以下几方面进行分析研究： ( 1 ) 对既有线限速的主要因素进行分析；对摆式车提速的机理进行 分析研究；对摆式动车组的关键技术进行分析研究。 ( 2 ) 对摆式列车的方案选型进行分析研究。 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 提出我国摆式动车组总体方案并进行分析研究。 ( 4 ) 对摆式动车组的动力学性能进行分析研究。 ( 5 ) 对摆式动车组进行试验研究。 通过以上的分析研究，得出我国采用摆式动车组的初步建议。 北京交通大学工程硕士专业学垃论文 第二章摆式动车组提速机理及关键技术分析 2 1 既有线限速的主要因素 列车以定速度通过曲线时产生离心力。曲线设置轨道超高使重力 产生分量以平衡车体在曲线运行时的离心力或加速度，以免车内旅客感 到不舒适。当列车速度较高时，轨道超高产生的重力分量只能平衡一部 分车体在曲线运行时的离心力或离心加速度称为轨道欠超高。欠超高使 车内旅客产生未平衡离心加速度，未平衡离心加速度过大会使车内旅客 感到不舒适。我国铁路标准规定普通列车未平衡离心加速度不大o 0 5 9 。 特殊情况不大于0 0 6 9 _ 丰日当于9 0 m m 欠超高。我国开发摆式列车的设计 任务书确定摆式列车未平衡离心加速度不大于o 0 7 7 9 一相当于1 1 5 衄欠 超高。欧洲国家铁路标准规定摆式 列车未平衡离心加速度不大于 o 1 9 一相当于1 5 0 m m 欠超高。当 列车速度较低时，轨道超高产生的 重力分量大于车体在曲线运行时 的离心力或离心加速度称为轨道 过超高。过超高使车内旅客产生未 平衡向心加速度，未平衡向心加速 度过大也会使车内旅客感到不舒适。 丑薹h 图2 1 超高对车辆受力的影响 2 2 摆式动车组曲线提速能力 列车在既有线路上运行，实设超高已定，而且欠超高不能超过规定标 北京交通大学工程硕士专业学位论文 准，则列车限速为： 圪= 3 6 丢+ r 坳饥) ( 2 1 ) 式中：2 s 一轨距，r - 一曲线半径，h 实设超高，l 】d 允许欠超高。 由上式可知，常规列车通过曲线的限速受到曲线半径、实设超高和欠超 高的限制。如要进一步提高列车曲线通过速度，必须增加曲线半径，增 加超高和允许欠超高。增加曲线半径往往受地形地貌的限制，需要大量 的工程费用，不可能轻易变更；实设超高是兼顾客货列车速度设置的， 另外根据列车过曲线时安全性的要求，不可能继续增加：增加允许欠超 高则降低旅客乘坐舒适度。因此常规旅客列车要提速必须改变线路现有 结构，投资很大。 按我国实际情况，取2 s ( 轨距) = 1 4 3 5 n l l t i ，h 1 2 5 ，h d = 1 1 5 m m 计算 得： = 4 6 1 r ( 2 2 ) 摆式列车的车体可以相对轨道 平面纵向轴转动，当检测到进入曲线 的信息后，车体通过倾摆系统向轨道 内侧倾斜，倾摆角度随曲线参数和列 车速度变化，车体转动角和超高角的 方向一致。增大了车体实际的倾斜角 度，因此车体重力的横向分量显著增 加，可以抵消车辆较大离心力作用。 图2 2 车体倾摆时车辆受力情况 北京交通大学工程硕士专业学位论文 摆式车体的作用相当于增加实设超高，倾摆角度的大小随离心加速度大 小变化。摆式列车使旅客感受到的未平衡离心力保持在容许范围内。因 此，采用摆式列车可以比较高的速度通过曲线而不降低旅客过曲线时的 舒适度。 摆式列车通过曲线的最大速度： 矿一- 3 石寺+ ( d ，) ( 2 3 ) 式中： l l i 为车体通过倾摆补偿的超高，l l t = 2 s + t a l l ( 回，a = 车体倾摆角 一滚动角。取倾摆角为8 。，滚动角为5 。，则a = 6 5 。_ h 与h d 取与前相同， 代入( 3 ) 上式计算得： k = 5 9 副r( 2 4 ) 比较( 2 ) 、( 4 ) 两式，可知摆式列车可以提高曲线通过速度3 0 左 右。根据国外摆式列车使用经验，在一般线路上可以缩短旅行时间2 0 左右。 图2 3 摆式动车组的提速能力比较 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 3 摆式动车组关键技术分析 2 3 1 径向转向架技术 径向转向架能够使轮对处 于( 或接近) 曲线的径向位置， 减小了轮缘冲角，降低轮轨稳 态横向作用力和轮轨磨耗，并 可有效延长轮轨寿命。径向作 用在中小半径曲线线路上尤为 明显。目前摆式列车采用的径 向转向架主要包括追导向径向 转向架、自导向径向转向架和 柔性转向架。 23 2 倾摆控制系统 图2 4 径向转向架和传统转向 架在曲线上的轮对位置 摆式列车倾摆控制系统由检测子系统、通信控制子系统和倾摆作动 子系统组成。采用列车通信网络将三个子系统连成一个分布式智能控制 系统。如下图所示。 l 彻h 吐s 眄络 i ：i 。：l ：_ 。：l ：。1 il 。n 通信板ll l 调僵扳i | l 曲通信艟li 蝴僵幢l = 亡i 工z = 互= l 控村子蒹境li 倾l 譬控树il 蛹攫控制ll 控料子篡蝻l ：车一一一! 石一一一一一一一一一：一一一一j 壬 i 兰竖塑l 陌磊再磊司陌蒜再磊翮 l 竺坚堑i 图2 - 5 倾摆系统结构图 1 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 头车 ，p 褂= = 圆 圈2 6 倾摆控制流程图 图2 - 7 车体倾摆装置 1 5 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 3 3 低重心轻量化车体技术 由于离心力和车辆的质量成正比，为了减少曲线通过时的离心力必 需尽量减小质量，所以国外一般采用铝合金车体并在不影响乘客舒适的 基础上尽量采用较小断面尺寸的车体。降低车体重心以提高车体倾摆的 稳定性和车体的复原能力，因此摆式车均采用低重心轻量化车体。 图2 8 轻量化铝合金车体 1 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第三章摆式动车组国产化方案选型研究 3 1 倾摆控制技术选型分析 3 1 1 倾摆控制技术的发展及比较 摆式列车各国型式各异，且在不断改进，提高性能。按有无能源分 为被动( 自然) 摆式客车与主动( 强制) 摆式客车。主动倾摆机构按能源供 给又有液压、压缩空气、机电之分。倾摆机构的连接型式多为吊杆式， 也有采用滚轮式和轴承导轨式。按倾摆机构在转向架上的位置有簧上摆 和簧间摆的区别。轨道数据的检测有两种模式，一种是地面应答式，即 将全线轨道参数，如曲线半径、超高、缓和曲线长度等存储在计算机内， 通过车辆和轨道上的应答器结合走行距离和走行速度检测装置，按既定 程序控制车辆倾摆：另一种则为轨道数据实时检测模式，在头车或各车 辆中加装各种检测设备，实时检钡4 轨道曲线、缓和曲线的各种数据及车 辆运行速度，通过计算机系统处理后控制车辆倾摆。 早期( 7 0 年代) 开发的摆式列车不少采用被动摆型式。被动倾摆结构 简单，不需要能源供给系统和复杂的控制系统，成本低，上马快。被动 倾摆系统在离心力作用下车体一般可倾摆3 。5 。，提高曲线通过速度 1 0 2 0 。被动摆式列车存在一些缺陷，第一是摆动滞后，进入缓和 曲线时不能及时倾摆，在圆曲线上又急剧倾摆，甚至出了曲线后仍有“余 摆”。由于摆动不可控，旅客容易晕车。第二，为了使摆动机构容易起摆， 车体摆心应在车体重心之上相当一段距离，摆动过程中左右占用限界较 大。第三，由于被动倾摆角一般较小，提速幅度也相应较小。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 8 0 年代是主动倾摆客车的开发全盛时期，这时期开发摆式车体的技 术特点为：( 1 ) 用连杆( 两根八字形吊杆) 组成车体和转向架间的倾摆机构， 经机构优化设计，使摆心位置合理，使车体倾摆过程中重心高度变化较 小，因而倾摆阻力小，节约能源；( 2 ) 倾摆动力为液压系统。液压技术成 熟，响应快，动作可靠；( 3 ) 采用较大的倾摆角，可达8 。1 0 。，可提 高列车曲线通过速度3 0 左右；( 4 ) 采用轨道数据实时检测系统，灵活方 便；( 5 ) 为减轻轮轨磨损，采用径向转向架技术。 图3 1 液压式倾摆机构图3 2 机电式倾摆机构 进入9 0 年代以来，摆式列车向更高的技术层次发展，如意大利 e n 6 0 ，德国a d 拄a 1 1 z 公司v t 6 1 1 ，s i 僦公司的i c t 等，均大量采用 高速列车技术，使摆式列车运行速度更高、更安全、更舒适。主要技术 北京交通大学工程硕士专业学位论文 有： ( 1 ) 机电倾摆系统开始应用，它具有体积小、重量轻、高动力余量、 维修量小： ( 2 ) 高集成化的控制系统，确保检测、控制系统的可靠性； ( 3 ) 曲线通过性能良好的转向架技术； ( 4 ) 走行部悬挂系统采用主动控制和半主动控制技术，进一步提高客 车的舒适性和安全性。 3 1 2 国产化方案的选型 基于上述分析比较，结合我国实际情况，跟踪发展趋势，倾摆控制系 统的选型为： 检测子系统由加速度传感器、陀螺仪及速度传感器组成，负责实时 检测轨道超高、曲线半径、未平衡离心加速度和行车速度等参数，供控 制计算机计算和识别线路特征。 通信控制子系统采用列车网络技术构成列车通信控制网络。控制子 系统中主控计算机位于首尾动车驾驶室内，各车辆内设有倾摆控制计算 机，通过列车网络进行通信。主控计算机根据检测子系统提供信息，按 照一定的控制算法计算出列车倾摆指令，通过网络下发给各车辆的倾摆 控制计算机。倾摆控制计算机根据倾摆指令完成对伺服倾摆作动系统的 控制，实现车体倾摆，同时将状态信息送回主控计算机。 倾摆作动子系统采用机电式倾摆作动系统。由机电作动器和驱动控 制电源组成。根据倾摆控制计算机指令完成车体的倾摆动作。 系统自检、诊断及故障处理功能分布于检测子系统、通信控制子系 北京交通大学工程硕士专业学位论文 统和倾摆作动子系统内。各子系统独立完成自身的状态检测和故障诊断， 并将诊断结果以状态参数的形式报告给主控计算机。主控计算机完成整 个系统的故障监控。 3 2 转向架选型分析 3 2 1 转向架分析比较 转向架的主要作用就是增强轮对的导向功能和车辆运行安全性。径 向转向架有以下三种类型： ( 1 ) 适当释放轮对与构架间的定位刚度，利用它们之间相对较软的 弹性约束在轮轨蠕滑力作用下，使轮对趋于曲线径向位置。如x 2 0 0 0 、 e t r 4 6 0 等采用这种转向架。这种转向架由于要兼顾曲线通过性能和直线 运行稳蔻陛，所以其轮对定位刚度不可能取得很小，所以径向调节能力 较弱。但其结构简单，开发难度小，比较适合于在些曲线半径较大的 线路上运行。 图3 3 ) ( 2 0 0 0 转向架 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 4 人字形橡胶堆柔性定位装置 ( 2 ) 自导向径向转向架仍是利用轮轨蠕滑力导向。但自导向转向架 的前后轮对用杆系连接起来，将前轮对通过曲线时趋于曲线径向位置的 作用反向传递给后轮对，使前后轮对在曲线上有趋于曲线径向位置的作 图3 5 自导向径向转向架 北京交通大学工程硕士专业学位论文 用。由于自导向转向架仍然是蠕滑力的导向，不可能使轮对达到完全径 向位置，同时为了增加后轮对的导向功能，不可避免地要影响前轮对的 导向能力。但白导向转向架由于有杆系作用于前后轮对之间，在直线上 导向杆可提供较大的轮对定位刚度，其运行稳定性容易得到满足，所以 自导向转向架轴箱悬挂的纵向刚度可以取得较小，所以其径向功能强于 前一种型式。自导向转向架的杆系不和车体联系，结构较为简单。如德 国的v t 6 il 摆式客车采用这种转向架。 ( 3 ) 迫导向径向转向架利用车辆通过曲线时车体和构架之间的转 角，通过导向机构将这种转角传递给轮对，使轮对趋于曲线的径向位置。 由于车体相对于构架的转角只与益线半径、车辆定距和转向架轴距有关， 在车辆运行中只有曲线半径是变化的，所以车体相对构架的的转角只随 曲线半径而变化，因此只要导向机构的参数选取合适，完全可能使轮对 在任何半径曲线上处于径向位置，以最大限度地减小曲线上的轮轨横向 力和曲线附加阻力。不仅如此，由于迫导向机构同时提供了较大的轮对 定位刚度，迫导向转向架有较好的蛇行运行稳定性，因此它能够很好解 图3 - 6 迫导向径向转向架 决曲线通过性能和直线蛇行稳定性之间的矛盾。从试验台试验和线路试 北京交通大学工程硕士专业学 立论文 验情况看，也充分证明这一点，追导向径向转向架可以达到很高的蛇行 失稳临界速度。这种转向架是径向转向架中径向功能最好的，它不仅适 用于山区，也适合在平丘地区使用，适用范围也最广。 3 2 2 转向架的选型 我国摆式动车组最有运用前景的在西南山区，曲线半径较小，基 于上述分析比较，在研制的首列车上采用两种方案进行对比试验，即采 用自导向径向转向架和迫导向径向转向架。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第四章国产摆式动车组总体方案 4 1 概述 根据铁道部科技研究开发计划项目“摆式列车组总体研制”( 合同 编号9 9 j 4 5 a ) 要求，在消化吸收国内外先进技术的基础上，进行摆式列车 组总体方案设计。 根据国内的实际情况前期研制的摆式列车组宜采用动力集中牵引模 式，由前后两辆非摆式内燃动力车推挽牵引，今后也可采用电力动力车牵 引。按照合同要求研制一组两动六拖内燃摆式列车组同期进行电力动力 车和控制车的设计。 内燃摆式列车组是我国首次开展研制的适应子既有线提速的新型动 车组，最高运营速度1 6 0 k m ，h ，通过曲线时速度比普通列车提高2 5 3 5 。列车组方案概述如下： 摆式列车组倾摆控制系统借鉴国外先进经验技术，采用主动控制机电 驱动倾摆系统。系统由检测子系统、通信控制子系统和倾摆作动子系统组 成。采用列车通信网络将三个子系统连成一个分布式智能控制系统。 动力车采用咀东风1 0 f 型内燃机车为基础，进行改进和优化设计的新 型内燃动力车，为交一直流电传动。动力车处于列车的首尾部，以推挽 方式牵引整列车运行。采用1 2 、r 2 4 0 z j d 型柴油机作为动力装置，动力车由 微机进行控制，首尾动车采用远距离通信方式重联控制。动力车采用 b 0 b 0 轴式。动力车头部为流线形，可有效地减小高速运行时的气流阻 力。动力车设置6 0 0 v 直流列车供电系统，满足客车用电需要。 摆式客车采用新型的车体结构，车体接倾摆的特点，设计为鼓形断 摆式客车采用新型的车体结构，车体按倾摆的特点，设计为鼓形断 北京交通大学工程硕士专业学位论文 面，摆式客车采用轻量化低重心车体；采用新形密接式可旋转车钩，折 棚式密封风挡；大量采用快速车和2 0 0 h r 曲电动旅客列车成熟的技术和 设备：车内各种设备大量采用新材料、新工艺、新结构，以达到减轻自 重、降低重心的目的，并符合摆式客车的特点：采用带有倾摆执行机构的 迫导向径向转向架，以利于以低的轮轨作用力通过曲线。在列车通过曲线 区段时主动控制车体倾摆，以平衡因轨道超高不足产生的离心力，提 高列车运行速度、旅客的安全性和乘坐舒适度：客车采用d c 6 0 0 v 两路 供电，控制及照明电源为d c l l 0 v 。 4 2 内燃摆式动车组的组成及运用条件 4 2 1 内燃摆式动车组的的组成 内燃摆式动车组适用于既有准轨铁路干线提速运行，可有效提高列 车的益线通过速度。 内燃摆式列车组由l 辆动力车+ 6 辆摆式客车+ l 辆动力车组成。内 燃摆式列车组采用动力集中牵引模式，由前后两辆非摆式内燃动力车推 挽牵引( 考虑今后也可采用电力动力车牵引) 。 动力车二等座车二等座车二等座车 一等座车二等座车二等座车动力车 图4 一l 动车组组成 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 2 2 运用条件 环境温度： 限定地区： 一2 5 + 4 5 非限定地区： 一4 0 + 4 5 最大相对湿度： 9 5 海拔高度： 2 5 0 0 m 轨距： 1 4 3 5n u n 通过最小半径曲线( 在5 h l h 速度以下) ： 动车组： 1 4 5 m 单车调行 动力车 1 2 5m 客车 l o o m 站台边缘距线路中心距离： 1 7 5 0m m 适应站台高度： 5 0 0 1 l o om m 限界：内燃动力车、摆式客车符合g b l 4 6 1 1 9 8 3 标准轨距铁 路机车车辆限界( 车限一l a ，1 b ) ，同时参照9 5 j 0 1 n 高速试验列车机车 车辆限界。 4 3 动车组总体技术参数 最高运行速度：1 6 0 h l m 最高试验速度： 1 8 0 h i l h 列车组总定员： 内燃摆式列车组( 2 m + 6 d ： 约4 0 0 人 列车组长度( 2 m + 6 t ) ： 约1 9 8m 北京交通大学工程硕士专业学位论文 在平宜线路上紧急制动距离( 制动初速度为 1 6 0 k m 他纯空气制动条件下) ： 1 4 0 0m 列车组总装车功率： 4 0 0 0 k w 列车组总标称功率( 向列车供电3 5 0 k w 时) ： 2 9 1 0 k w 设计寿命：2 5 年 4 4 连接装置 4 4 1 机械连接装置 动力车、摆式客车各车之间采用可旋转密接式车钩。动力车车体前 端为内燃、电力机车车钩。自重下车钩中心距轨面高度8 8 0 1 0m m ；空 气管路通过密接式车钩实现自动连接。 动力车、摆式客车各车之间采用密封式风挡及渡板，风挡及渡板应 方便连挂。 4 4 1 1 可旋转密接式车钩缓冲装置冉勺主要技术指标 整体抗拉强度： 1 8 0 0 k n 车钩有效长度： 1 1 4 5 n n 端墙到车钩连接面的长度： 4 0 0 m m 安装高度：8 8 0 1 0 m m 整体重量： 3 6 3 6 k ( 组装后) 最大水平转角：1 9 。 ( 组装后) 最大垂直转角： 4 。 ( 组装后) 绕车钩纵向中心线最大扭转角： 8 。 缓冲器性能参数： 初压力：2 0 _ _ 3 0k n 阻抗力：8 0 0k n 北京交通大学工程硕士专业学位论文 容量： 2 0 k j 风管自动连接器 连接管路： 工作压力： 解钩风缸工作压力： 行程：7 3 m m 列车管、总风管 1 0 k 酢m 2 鼬c 矗 图4 2 车钩联接装置 4 4 1 2 风挡使用条件及主要性能 环境温度：- 2 5 + 4 5 最大相对湿度：9 5 运行速度：正常运行1 6 0 h n h ，试验运行1 8 0 妇】1 1 气候条件：风砂，雪，酸雨 通过最小盐线：1 4 5 m ( 连挂时) 最大坡度：2 2 摆式车过渡钩高度差：7 5 m m 适应连挂后相邻车体间距：8 0 0 m m 车体最大间距：8 0 0 + 5 0 r n m 北京交通大学工程硕士专业学位论文 车体最小间距： 8 0 0 5 0 m m 适应挂后相邻车体相对摆角： 1 6 。 车体在平直线路上的横向移动量： 7 0 m 车辆摘挂后，风挡可牢固定于本车 列车运行时，风挡不得发出噪声 连接长度： 8 0 0 m m 收起长度： 2 4 0 n 1 丌l 风挡连接其隔热性能： k 5 5w m k 风挡连接后隔声性能：1 5 d b ( a ) 折棚及渡板可收缩 厂 一睁 嗵l 晒f 嚅醐一 9 匿印口 图4 - 3 车端联接装置 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 4 2 电气连接装置 各电力、控制等电气连接装置按固定编组设计。车端各连接装置应 能满足相对于车辆不倾摆位置倾摆8 。的要求( 客车车端各连接装置应 能满足相邻客车最大相对倾摆1 6 。的要求) 。 4 5 列车组供电系统 列车供电系统由d c 6 0 0 v 供电系统、客车d c l l o v 供电系统组成。 列车d c 6 0 0 v 供电系统由动力车供电装置、列车供电干线及连接器等组 成，向客车d c 6 0 0 v 用电设备供电。 动力车供电装置由主发电机供电绕组、整流滤波、恒压控制、供电 控制装置等组成。 摆式客车车端两侧各设一路d c 6 0 0 v 供电干线及连接器；前后动力 车仅设一路d c 6 0 0 v 供电干线及连接器，分别连接客车的一路供电干线， 形成两个独立的d c 6 0 0 v 供电回路；每路干线及连接器容量按4 0 0 k v r a 设计。 列车正常情况下为前后动力车双机分路均衡供电当其中一路供电系 统故障时由另一路供电系统单独供电。 动力车供电参数 输出电压d c 6 0 0 v 5 输出电压纹波系数5 过压保护值 6 6 0 v 欠压保护值 5 4 0 v 过流保护值7 0 0 a 最大供电输出功率3 0 0 k w 台 北京交通大学工程硕士专业学位论文 客车设d c l l o v 供电装置及d c l l o v 电力干线及连接器，组成客车 d c l l o v 供电系统，向客车检测、控制、照明、倾摆系统