独立轮转向架的研究与发展

独立轮转向架的研究与发展

1独立车轮旋转系统对于公路车辆来说，车轮固定在汽车轴上，形成一个大的旋转金刚。该刚度使两辆车轮以相同的旋转性能。由于车轮的踏面轮廓是采用圆锥形或圆弧形的,当车辆由钢轨中心横向偏移时,2个车轮之间会产生滚动圆半径差,导致在2个车轮上形成相反的纵向滑动,由此就在2个车轮上产生一对大小相等而方向相反的纵向力,其纵向力矩迫使其摇头回转,从而使轮对获得自身的导向能力,使其在曲线上趋于径向位置,这种车轮的优点在于它在曲线上具有导向能力,而在直线区段具有向线路中心复原的能力。但这种传统型轮对在高速时会出现蛇行运动,并导致轮轨磨耗,同时产生噪声。造成车辆蛇行运动的根本原因是由于轮对横向摇头运动间的耦合,而这种耦合是由于车轴和车轮刚性连接在一起形成的。研究人员试图将2个车轮解耦,使其能独立旋转,即独立车轮旋转系统。由于2个车轮转速可以不同而使车轮线速度相同,不需要强制2个车轮同速旋转,因而独立轮结构的纵向蠕滑力非常小,几乎接近于零,这样独立轮不会产生蛇行问题。但同时亦存在着2个问题,即直线上的轮对复原问题和曲线上的车轮导向问题,各国在进行独立轮研究时分别采用了不同的结构形式和研究方法,以期得到理想的结果,下面分别进行介绍。2研究不同国家独立链的结构2.1独立轮的车辆性能德国在开发独立轮转向架时,研制了一种试验型转向架,采用前后轮组合排列,称为车轮组件,1台转向架由2个车轮组件组成,称为EDF(图1),滚动圆直径920mm,踏面型号为S1002,轴承TAROL90型,转向架构架呈X形状相互铰接,轴距为2500mm,车轮安装在侧架端部,组成叉形结构,在侧架平面内侧架为三角形,然后在横向拉紧,两侧架相互铰结,形成在构架的垂直方向两侧架可自由转动,这样可以保证轮对载荷均衡。车体通过空气弹簧支承在侧架上,在构架上安装横向减振器,垂直减振器与空气弹簧并联安装,车体与转向架间的纵向力则由纵向拉杆传递。该转向架结构简单,零部件少,质量只有3t左右。为了系统地研究这种转向架在轨道上的运动,进行了一系列试验研究。(1)溜放试验在同等条件下,对装有独立轮和传统轮转向架的车辆分别进行溜放试验,按走行路线长短比较两者的磨耗大小。(2)运行试验在同一辆车上,1台转向架为传统型轮对,另1台转向架则采用独立轮,在2种转向架上都安装了远距离摄影机,以观察车轮在钢轨上的运动,并在车体或轴箱上安装了加速度传感器。经运行试验观察发现,独立轮运行时轮缘不靠钢轨,如果轮缘偶尔靠了钢轨,则一旦轨道有很小的横向位置偏差,车轮就会回到原位。独立轮比传统轮的运行要平稳,噪声水平也低得多。(3)长期运用考验由于只有经过足够的走行距离才能测量到车轮的磨耗量,因此对装有独立轮和传统轮的车辆进行了长时间运行试验。运行试验表明,当车辆运行1万km后进行磨耗量比较,传统轮的磨耗量比独立轮要高出80%,钢轨磨耗量亦大,因而证实了独立轮有优越的轮轨导向性能,其运行噪声水平也下降了,同时发现轮箍的温升亦低。(4)慕尼黑滚动台滚动试验在滚动台上进行了滚动稳定性试验,证实独立轮转向架在速度400km/h时的稳定性与传统轮转向架在速度230km/h时相同。此外,当给一侧向外力使轮缘偶尔靠向钢轨时,独立轮转向架在2s内很快返回稳定位置,并在后面的运行中几乎没有横向位移。当在滚动台上滚动速度达507km/h时,装有独立轮的车辆具有平稳的特性和良好的运行品质。研究表明,由于独立轮转向架具有结构简单和良好的运行特性,因而在未来的高速交通领域内应用的可能性很大,将是今后传统转向架的一个竞争对手。在德国,还对装有独立车轮的转向架车辆建立了专用的动力学模型。理论计算表明,独立轮的车体横向加速度比较低,因而在横向平稳性方面要优于传统轮对转向架,轮轨间的磨耗功也要小得多。德国早期曾对装有独立车轮的车辆进行试验,但存在容易脱轨的问题。从1930年开始,对装有独立车轮的低地板有轨电车进行了广泛的运行试验。瑞士早期也曾用1辆具有独立车轮的推拉式车辆进行试验,期望改善运行品质和减少曲线上的磨耗,但由于脱轨问题,不得不中止了这些试验。由于采用独立旋转车轮系统(IRW),则转向架的导向是依靠锥形车轮在轮缘限制的范围内产生重力复原力,而很小的横向力就造成车轮偏向钢轨一侧连续运行,这样就容易脱轨,故锥形踏面的IRW不具有导向能力,必须采用一些措施以改进导向能力,即:(1)对于具有成型踏面的IRW,则采用修正锥形踏面外形以产生复原力。(2)对于具有锥形踏面的IRW,则应对系统提供一种特殊的导向机构。(3)对于具有部分耦合的IRW,则可在车轴上提供局部耦合方法,通过采用扭转接合器或阻尼连接器来实现。为了改善锥形踏面在曲线上依靠轮缘导向产生很大的轮轨磨耗,故研制了磨耗形踏面,以改进在曲线上的导向性能。研究者还对具有锥形、磨耗形踏面的车轮进行了稳定性分析,并考虑4种型式,即:(1)前后轮均为传统型;(2)前轮传统型、后轮独立轮;(3)前轮独立轮,后轮传统型;(4)前后轮均为独立型。研究表明,型式(2)的脱轨系数L/V值比型式(1)减少了约50%,型式(2)的前导轮冲角较之传统型的减少约30%,而型式(3)和(4)的冲角则比传统型转向架高出25%。此外,型式(2)比其他3种型式的轮缘磨耗明显要低。如果仅考虑蛇行运动这一因素,则两根车轴均具有IRW的方案为最佳选择,但这种型式的曲线通过性能则明显差于传统型转向架,而仅仅当尾轴采用IRW的型式(2)时,无论其蛇行运动还是曲线通过性能,均要比传统转向架好得多,但这种型式的性能改进只能在运行的一个方向得以实现,这样在实际运用中受到限制。因此,有些学者提出在某些车轮之间可以相互传递扭矩,这可能是较好的折衷方案。理论和实践证明,只要具有合适的导向装置,则独立旋转车轮系统较之传统型的刚性车轴和车轮具有很大的优越性,故今后研究的重点为:(1)具备必要的导向能力;(2)具有良好的自身向心复原能力。2.2对纵向园林资源的影响英国铁路研究中心对独立轮特性的研究包括理论和试验2个方面,从两者的轮轨蠕滑率和蠕滑力的差别开始,进行了一系列线路试验。试验是在线路的直线区段和曲线区段进行的,并在相同的条件下对传统轮对和IRW进行了比较试验的研究。任何铁道车辆的动力特性都是由轮轨接触间的蠕滑率和蠕滑力来控制的,但对IRW的蠕滑力计算与传统轮是不同的,其重要差别在于滚动速度,它特别影响到纵向蠕滑率。在线路试验中发现,在导向轮上由于很小的蛇行运动不对中而引起横向偏移,估计是由于在一系悬挂中存在很小的间隙,从而导致明显的蛇行不对中,并且当运行方向改变时,仍继续向同一侧钢轨靠近。由于独立轮没有因滚动半径差而引起的自动找中作用,因而这些车轮在直线运行时具有偏离中心运行的趋势,尤其是在干燥的条件下更是如此,此时由于重力刚度引起的自动找中作用将几乎为旋转蠕滑所抵消,故常使车轮靠钢轨一侧运行。产生上述现象的原因可能是:轮重不等、不对称阻力以及悬挂中间隙,独立轮对这些因素都是敏感的,这也说明对装用独立轮的车辆而言,制造公差是何等的重要。当独立轮与钢轨两点接触时所形成的回转力矩,对车轮导向来说影响并不大,但在两点接触处产生的纵向蠕滑力却会增大轮轨磨耗,轮轨接触条件的变化,特别是接触角的变化,将影响IRW。为了应用独立轮,需对踏面轮廓进行优化。2.3对传统转向架的对比美国铁道协会(AAR)曾对独立轮车辆进行了蛇行运动、曲线通过及其动力的响应仿真计算,计算中取有效锥度为0.2,代表具有合理的磨耗量,独立轮的纵向蠕滑系数选为零,其计算结果见表1。从曲线通过性能看,方案Ⅱ的前轴冲角要比传统转向架减少约30%,方案Ⅲ和方案Ⅳ的冲角要比传统转向架高25%。从表1可见,如果仅考虑蛇行运动,则前后轮装有独立车轮的方案Ⅳ最佳,但该方案的曲线通过性能最差。而对于方案Ⅱ中的转向架在曲线通过的过程中,其状态和传统转向架对比大不相同,主要差别在于其后轴不像通常情况下的前轴那样具有较大的冲角,这种差别就造成前轴上的横向力要小得多,而后轴上的横向力则要稍大一些。方案Ⅱ的滚动阻力最小,比传统转向架阻力小25%,但方案Ⅲ和方案Ⅳ中的滚动阻力都比较高,而方案Ⅲ阻力最高,这是由于它的所有车轮在大多时间内均呈现轮缘完全接触钢轨的状态。仅在后轴装独立轮的方案Ⅱ,无论是蛇行运动稳定性还是曲线通过性能,都比传统转向架好得多。过去研究认为,传统转向架结构的所有车轴都应装上独立车轮。很明显,这样的结果对于曲线通过性能是十分不利的,而只能达到消除蛇行运动的目的。此外,在直线轨道上所出现的连续轮缘摩擦现象,将会造成滚动阻力的增加和轮缘及钢轨侧面上的磨耗。如果将机械结构加以改造,以便在一个方向运行时,车轴上的车轮可以容许自由转动。而在另一方向运行时,则将车轮锁紧,使其固结在车轴上,即运行方向前轴始终是固定的,而后轴总是能自由转动的。如果这种方案可行,方案Ⅱ则可以双向运行了。2.4独立车轮转向的动力学特性加拿大城市交通发展公司发现,列车在运行过程中遇到过大的冲角和高噪声问题。为适应高速运行而优选的车轮踏面,在最小半径曲线运行时,还存在车轮磨耗问题。早在1970年的研究认为,车辆中的旋转车轮通常达不到人们的期望和要求,即:(1)独立车轮不能导向;(2)曲线上的磨耗不可避免;(3)脱轨安全性更小。针对上述情况,学者建议进行可扭转的耦合独立车轮研究。学者Elkins研究了独立车轮的基础理论,并对北美三大件式的货车转向架轮对中的4种轮对配置方案进行了试验研究。结果表明:当所有车轮独立运转时,会获得最好的稳定性能,但为了获得较好的曲线通过性能及曲线上滚动阻力状况,导向车轮或者两根车轴应采用固定的。Elkins建议用装有独立旋转车轮的车轴取代每台转向架中的从动轴,将会使转向架的动力学性能得到改进和提高,这一观点是与西班牙的轻快稳列车特点相联系的。加拿大城市交通发展公司开发了一个用于动力学分析的线性特征值分析程序和非线性仿真程序,建立了一个37个自由度的试验车模型,并对其进行仿真分析。计算中有效锥度为0.24,接触角差为15.2rad/m,并对表2所示的6种组成模式进行了计算。计算结果表明,模式2具有较高的蛇行运动稳定性,但曲线通过性能较差;而模式5被认为是曲线性能和稳定性能最佳的模式,但却具有单方向性的缺点。加拿大还在10m曲线上进行了一个非动力推力试验。对于独立轮对装配的空车通过该曲线时,只需1人推动;但对于固定轮对装配的空车,要通过该曲线则需4人～5人来完成。独立轮转向架在高速时运行品质有所提高,并在小半径曲线条件下L/V值有减小的趋势,但冲角未能得到改善,高频振动亦很明显。试验表明,所有导向转向架的导向轴均为独立车轮时的曲线性能很差(冲角较大),尽管它的磨耗率、作用力及稳定性可能得到改善。因此较好的办法是采用导向轴固定的结构,或至少互换某些车轮间的扭矩。另一种方法是,虽使所有轴车轮均为独立结构,但每一轮上装一辅助枢轴。试验分析表明,转向架在直线和曲线上的运行性能得到提高,而实现这一优良状况的条件是必须在一个特定的蠕滑力范围内。为确保改善曲线性能,同时又对高速性能无多大影响,建议当采用可导向转向架时,在导向轮对的车轮之间允许一定量的扭矩传递,或对于前轮进行导向控制。2.5rt-l1型转向架日本铁道综合技术研究所(RTRI)于20世纪80年代初,开发了1种具有独立旋转车轮的转向架,质量仅为普通转向架的一半,旨在改善直线上的高速运行稳定性和曲线通过性能,并期望在21世纪用于日本铁路线上。该转向架曾在滚动试验台和线路上进行动力学性能试验。通过试验证实了采用新车轮踏面外形后,独立旋转车轮具有重力复原作用且达到了所期望的功能,并具有较好的运行稳定性。在日本,独立车轮转向架相继研制出来,但实用很少。其原因是:这些新型转向架虽然都具有不产生蛇行运动的优点,但它不如刚性固定车轮那样具有复原能力,因此由于轮对组装的误差或轨道不平顺之原因,就很可能在运动中偏离轨道中心,且很容易受到轮轨磨耗和不平顺之影响。另一方面,由于消除了纵向蠕滑,似乎它又能减少磨耗和降低噪声,并且对环境问题、转向架维护保养以及今后转向架提速方面都起着积极的作用,故日本设计了如图2所示的RT-X1型转向架,并采用了以下思路,以充分发挥优点而弥补缺点。(1)采用独立车轮;(2)在独立车轮上采用新型踏面外形,以获得复原能力;(3)应用新材料及无摇枕结构,以减轻质量;(4)利用轴载荷变化的导向机构设计。采用弓形叶片簧为导向机构,利用车轮变化的原理,当一系悬挂由于曲线上的外轮载荷增加时,其轴距则伸长。相反,在曲线内侧轴距缩小,其结果导致前后轮对均能处于径向位置。为了解决独立轮偏离线路中心后复原能力弱的问题,日本新开发出一种新型踏面外形,它能满足下列条件:(1)使轮对具有保持向轨道中心复原的能力,这种复原力是由于左右轮接触角之间所产生的差异造成的。(2)不需要考虑左右车轮半径之间的差异,因为在这种情况下并不产生导向能力。(3)轮轨接触面上尽可能避免两点接触。(4)对于60N和50N两种型式的钢轨均能适用。为了使轮对向轨道中心复原,必须使重力复原力大于横向蠕滑力,该复原力等于车轮载荷和接触角差值之乘积,最大的横向蠕滑力则是车辆载荷和摩擦系数之乘积,接触角的差值应相当于