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动车组转向架技术北京交大机电学院金新灿第一讲高速动车组转向架的发展及理论第一节高速动车组的兴起随着经济的持续发展，城市化进程逐渐加快，城市之间的人员和物资交流日益频繁，对城际间快速交通的需求显著增长。铁路作为一种经济、安全、大运量的大众化交通工具，在各个国家的经济生活中具有关键性的作用。二十世纪五十年代，铁路遇到了航空和高速公路的严峻挑战，促使各国铁路进行内部的体制改革和运输手段上的技术创新。自上个世纪八十年代以来，世界铁路进入了高速化的新时期。世界各国在发展高速列车时均在高速转向架上投入了很大精力，但目前只有少数国家的转向架运营速度能够达到或超过300km/h。其根本原因在于当提高车辆速度的同时，保持和提高车辆的乘坐舒适性是非常困难的。目前运行速度超过250km/h的高速客车转向架的典型代表有法国TGV列车的Y231、Y237，德国ICE列车的MD530、SGP400和SF500，日本新干线300系的TDT203、TR7001，500系的WDT205和700系的TDT204、TR7002。第二节国外主要高速动车组转向架概述1、日本新干线电动车组的高速转向架随着新干线高速列车不断发展与改进，其转向架的结构与性能也不断地在发展，开发了多种系列的高速动车组转向架。据统计新干线电动车组的高速转向架前后共研制了30多种型式，其中有些是试验型，有些是成批生产型。就转向架技术的发展而言，大体上可以分为三代。第一代是以DT200为代表的无摇动台转向架；第二代是以TDT203和TTR7001为代表的无摇枕转向架；第三代是500系700系用的新型转向架。(1)DT200(DT201，DT202)型转向架DT200型转向架的设计目标，首先是抑制蛇行运动，保证高速时的安全性；其次是性能不随运用时间而变化，当然也要考虑减轻自重，刚性大和便于维修。主要用于0系列、100系列车。DT200转向架的主要特点是：①取消摇动台，利用空气弹簧的横向刚度；②采用IS式轴箱定位装置，利用橡胶衬套使前后左右有适当的弹性；③车体采用全旁承支重；④装有车轮踏面清扫装置等。IS式轴箱定位装置(2)、300系TDT203，TTR7001型无摇枕转向架为了开发既能满足高速，曲线通过性能又良好的转向架，日本铁道综合技术研究所不断设计和改进无摇枕转向架，在1980～1988年间，先后研制推出了5种无摇枕转向架DT9022、DT9023A/B、DT9023E/F及WDT9024A型。这些转向架在1986～1991年间进行了大量试验，在提高速度、轻量化、提高乘坐舒适性方面取得了良好的效果。在此基础上，日本东海铁路客运公司以DT9023E/F转向架为原型，设计制造了用于300系电动车组的新一代无摇枕转向架TDT203型（动力）和TTR7001型（非动力）。由于东海道新干线当年所定的最小曲线半径为2500m，而且曲线较多，所以进一步提高速度不是很容易的。TDT203型转向架与DT200型转向架相比，做了大量的改进，重量减轻了2.1t，长度减小了0.8m，属于新一代即第二代无摇枕转向架。TDT203和TTR7001型转向架的设计和结构特点：•为了降低对轨道的破坏、提高高速运行时的稳定性，减轻了簧下重量；•取消了摇枕、牵引拉杆、心盘和旁承，在谋求降低簧间重量的同时，取消了维修费事的滑动部位，使运行性能不会随运用时间而恶化。•为了很好的兼顾并确保高速运行稳定性和曲线通过性能，采用螺旋弹簧、圆筒橡胶组合的轴箱定位方式，取代过去的IS式轴箱定位。采用了抗蛇行减振器。•为了减轻车轴重量，做成内径60mm的平直型空心车轴。为了减轻车轮的重量，新造时的车轮直径从现在的910mm改为810mm。与100系相同，踏面采用圆弧形踏面。轴箱体采用铝合金(锻造)，以减轻重量。a.TDT203型转向架b.TTR7001型转向架图TDT203和TTR7001型转向架（300系）(3).500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型高速转向架500系电动车组最高速度达350km/h，1997年开始投入运营。采用WDT205型新型无摇枕转向架。转向架采用了许多新技术，如主动悬挂控制、铝合金制动盘等。500系全部采用动力转向架，转向架重量减到6.5t。WDT205型转向架轴距2500mm，中央空气弹簧横向跨距2600mm，轮径860/790mm，其轴箱悬挂采用铝制转臂式，其定位刚度在纵向是每轴24.5kN/mm，在横向是每轴9.8kN/mm。转向架轴重11.2t，采用空心轴。图500系WDT205型动车转向架700系动车组的转向架是TDT204型（动力）及TTR7002型（非动力），它的主要特点是采用半主动控制减振器以控制车体的左右振动。转向架的二系悬挂为无摇枕结构，其轴箱定位装置为螺旋弹簧+圆柱叠层橡胶，与300系的TDT203型和TTR7001型转向架的轴箱定位装置相同。500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型高速转向架均可称为日本第三代高速转向架。为进一步提高舒适度，这些转向架上均采用了主动或半主动悬挂控制系统，这也是第三代高速转向架的一大特色。图700系电动车组转向架(4).E2系电车组用转向架E2系电动车组是为适应北陆新干线而研制的，转向架为无摇枕结构，轴距2500mm，轮径860mm，轴重13t，采用空心车轴，拉板式定位，圆柱滚子轴承。2.德国ICE系列高速转向架（1）ICE用MD530型转向架1982年德国决定研制城间试验列车ICE，编组为2M+3T，设计速度为350km/h。在ICE试验列车的基础上于1986年开始研制ICE(或称ICE1)高速动车组，设计速度280km/h，采用MD530型有摇枕转向架。MD530型转向架是在性能良好的MD52型转向架的基础上发展而来的。固定轴距为2.5m，速度可达300km/h，每台转向架重7.5t,车轮踏面采用DIN5573（UIC/ORES1002）磨耗型踏面。由两平行配置的弹性拉板构成无磨耗的轴箱定位，在轮对轴箱与弹性拉板之间设有纵向弹性铰，它由金属橡胶元件所构成。由螺旋弹簧和与其平行配置的液压减振器组成一系弹簧减振装置.图MD530型转向架（2）ICE2用SGP400型径向转向架1993年秋，ICE2型电动车组经过对比调研，最后选用了SGP400型径向无摇枕转向架，该转向架最大的改进有三个方面:•轮对导向的改进;•二系悬挂的横向主动控制系统;•电子控制回转阻尼系统“DES”.：图SGP400转向架（3）ICE3用SF500型转向架由于采用动力分散模式，ICE3动车组的转向架，不论是动力还是非动力转向架均要求具备高的运行品质，并要求整个寿命周期内成本最底。为此，SGP公司和Adtranz公司联合设计制成了SF500型无摇枕转向架8。动力转向架和非动力转向架均采用相同的形式。转向架构架为箱形焊接结构，由两根中间为凹形的侧梁组成，一系悬挂是螺旋弹簧加垂直减振器，单侧拉杆定位。二系悬挂为加有橡胶堆的空气弹簧，以及装有抗侧滚装置和抗蛇行减振器。ICE3要求最高运行速度330km/h，为此每吨质量的功率要从ICE1的10kW/t增加到20kW/t，同时要求最大轴重不超过17t，全列车中，动力转向架和非动力转向架各占50%。德国SF500型动车组转向架图3.法国TGV用高速转向架（1）第一代TGV-PSE用的Y231和Y230型转向架1976年法国决定制造两列TGV列车，1981年9月TGV-PSE开始投入运营，营业速度260km/h。1983年5月营业速度达到270km/h。TGV-PSE所用的铰接式转向架为Y231型无摇枕转向架，动力转向架为Y230型无摇枕转向架。动力转向架和非动力转向架均采用相同的结构形式。Y231转向架轴距3m，轮径920mm，自重7775kg，轴重17t，一系悬挂装置由一组螺旋弹簧和二组钢一橡胶夹层弹簧组成，该二组钢一橡胶夹层弹簧同时可保证轴箱相对于构架在横向和纵向的定位。二系悬挂为高柔度的螺旋弹簧。每台转向架安装两个垂直减振器，两个抗蛇行减振器和一个横向减振器。其基础制动装置包括单元式的踏面制动、盘形制动和磁轨制动。（2）第二代TGV-A用Y237型转向架第二代TGV-A运行于大西洋沿岸，1989年投入运行，最高运行速度300km/h，1990年最高试验速度达到515.3km/h。TGV-A所用的拖车转向架为Y237型。Y237转向架与Y231相比，在结构性能方面都有较大的改进。轴箱悬挂改为转臂定位，中央悬挂改用空气弹簧，并加装了抗侧滚扭杆，基础制动取消了踏面制动装置。Y231转向架在运行中暴露出向车体传递约10Hz的高频振动，与车体的弯曲振动相耦合，导致运行平稳性不良，为此，采用由Continent公司制造的SR10空气弹簧，使二系悬挂在垂向和横向都具有高的柔性，使得车体在簧上的垂向和横向自振频率分别降低到0.7和0.75Hz。显著地改善了车辆的垂向和横向振动性能，提高了在直线和曲线上的运行平稳性，因而这种悬挂不仅在TGV-A的Y237上使用，又在TGV-PSE的Y231的转向架推广应用，Y237在二系悬挂中还加装抗侧滚扭杆装置，这是采用高柔软性的二系悬挂后所必需的。法国TGVY237型转向架图图Y237型转向架的空气弹簧及其与车端的连接结构（4）第三代TGV-2N用237-A型转向架为了满足高客流量的需要，法国又研制了TGV-2N双层客车，1995年投入使用，它能增加45%的载客量，为了仍保持17t轴重，采用铝合金车体，同时要求转向架进一步减重，用于TGV-2N的动车转向架如图11a，与以往动力转向架不同之处主要是用轮盘式盘型制动取代了闸瓦踏面制动，每一轮对仅在一个轮子上安装一套轮盘式制动盘，对角布置，采用锻钢制动盘及粉末冶金闸片。拖车转向架是Y237的改进型Y237-A型转向架，如图11b。Y237-A的基本结构与Y237相同，Y237-A转向架在有的场合被称为Y237的改进型，在有的场合被称为第3代(或第2.5代)TGV转向架。图TGV-2N的动车转向架图TGV-2N的拖车转向架(Y237的改进型Y237A)4.意大利的ETR高速转向架1983年意大利铁路对300km/h动车组进行了可行性研究，着手开发ETR500电动车组。动车转向架构架支撑在2个轴箱螺旋弹簧上，轴箱用两根对角布置的拉杆定位，橡胶元件可以保证构架和轴箱之间的弹性联接。采用直径为1100mm的整体车轮，车轴上装有圆锥滚动轴承的轴箱。二系悬挂装置设有四个带橡胶件的螺旋弹簧。每台转向架上装有两台牵引电机，使用四个关节式橡胶元件和不传递垂直载荷的销，把电机固定的转向架上。图ETR500的动车转向架ETR500拖车转向架是意大利铁路（FS）早已使用的7195C型和Y0270S型的高速转向架的改进型。构架由两根纵向梁和两根管形横梁组成，轴距3m，直径为890mm的车轮具有双波纹辐板，这种形状可使车轮减轻簧下重量。一系悬挂的结构与动车相同，采用双拉杆弹性定位。二系悬桂为高柔度螺旋弹簧加橡胶垫，每轴装有三个制动盘。ETR500约于1996年投入米兰—罗马之间的营业运行，最高运行速度为275km/h。ETR500的拖车转向架图转向架型号动车TDT204拖车TR7002WDT205SF500Y237A使用车辆日本700系日本500系德国ICE3法国TGV-2N最高速度(km/h)285300330（设计速度）300使用年份2000199719991995轴重11.3t11.2t16/15t17t自重(t)6.5动9.2/拖7.57.0轴距(mm)2500250025003000轮对φ860/φ790φ860/φ790φ920φ920/φ850踏面形式圆弧踏面圆弧踏面圆弧踏面锥形踏面轴箱定位圆导筒式(螺旋弹簧+圆筒橡胶)转臂式转臂式转臂式车体支持方式无摇枕，自由膜式空气弹簧与车体直接联结无摇枕，自由膜式空气弹簧与车体直接联结，无摇枕，自由膜式空气弹簧与车体直接联结无摇枕，空气弹簧与车体端部直接联结二系横向跨距(mm)26002600牵引装置单