浅谈我国高速列车转向架技术的自主创新

2011年第8期51中国发明与专利CHINAINVENTION&PATENT特别报道转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，高速列车转向架的定位刚度、轴箱弹簧垂向刚度、轴箱悬挂系统（也被称为一系悬挂）垂向阻尼、中央悬挂系统（也被称为二系悬挂）弹簧的横向刚度、二系横向阻尼对车辆在高速行驶时的稳定性有重要影响。其中的一系悬挂系统的轴箱定位刚度和簧下质量对直线运动稳定性有较大影响。其中的二系悬挂系统呈软的二系特性将构架振动与车体有效地隔离，使车辆能够获得良好的运行平稳性，例如可以采用高圆钢弹簧或空气弹簧，并适当匹配液压减振器实现垂向和横向软特性。目前，国内涉及高速铁路转向架的专利申请人主要包括南车青岛四方机车车辆股份有限公司、中国南车集团眉山车辆厂、南车株洲电力机车有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司、戚墅堰机车车辆厂、中国北车集团大同电力机车有限责任公司、齐齐哈尔轨道交通设备有限责任公司、西南交通大学、大连交通大学。高速铁路转向架技术在轻量化、提高舒适性（例如改善减震降噪性能）、提高安全性和解决耐用性等方面的专利申请量最高。涉及高铁转向架技术的自主创新以南车青岛四方机车车辆股份有限公司为例，该公司在2008年向国家知识产权局专利局提出三项涉及高速列车转向架的发明专利申请，其中两项已于2011年被国家知识产权局授予发明专利权。这两项已授权的发明专利都属于对适用于高铁的直线电机转向架技术的自主创新。在现有技术中，高速列车转向架构架为H型转向架，具有两个相互铰接的T型框架，使得构架具有柔性的连接点以适应弯角较急的曲线，提高构架承受扭曲力的限度是较为常见的技术，在日本、美国、德国和法国的专利文件中均有涉及。但是一般采用摇枕结构来传递从直线电机向车体传递的纵向牵引力。直线电机的牵引力是通过纵向牵引杆传递给构架，再通过牵引杆传递给摇枕，后通过中心销传递给车体。其制动力是由轮对组成传递给构架，再传递给摇枕，后通过中心销传递给车体。由于转向架的质量较大，采用摇枕牵引方式的转向架结构也较为复杂，从而带来部件检修过程的繁琐，同时也加大了纵向牵引力传递过程中的能量消耗。特别是在高速运行时，牵引装置之间的部件噪音较大，影响到乘客乘坐轨道车辆的舒适性。南车青岛四方机车车辆股份有限公司发明了以中心横梁式牵引装置来替代现有的摇枕的传递结构，其中采用了具有连接两侧构架侧梁的中心横梁，在中心横梁的侧部设置有用于连接纵向牵引杆的纵向拉杆座，纵向牵引杆与直线电机连接，在中心横梁上设置有用于连接牵引拉杆的牵引拉杆座，牵引拉杆连接牵引梁，向上连接车体的中心销，分别贯穿连接牵引梁和中心横梁。这样，直线电机将纵向牵引力直接通过纵向牵引杆传递给中心横梁，再通过牵引拉杆传递给牵引梁，浅谈我国高速列车转向架技术的自主创新南车青岛四方机车车辆股份有限公司等中国企业和科研院所，通过自主创新申请了众多相关专利□张军2011年第8期52中国发明与专利CHINAINVENTION&PATENT牵引梁再将纵向牵引力通过中心销传递给车体，从而实现直线电机驱动车体的目的。这种技术方案可以有效地降低转向架整体质量，简化牵引结构以便于检修，而且可以降低纵向牵引力传递过程中的能量消耗，以及控制并减小运行噪音的产生。同时，为了缓冲中心销与中心横梁之间的冲撞，该公司在提供的优化方案中提出在中心横梁的中心设置有用于安装横向缓冲器的两个横向缓冲器座，横向缓冲器夹持紧固中心销。这种横向缓冲器可限制车体运行（特别是在曲线轨道上的高速运行）中产生过大的横移，可提供非线性增长的复原力。为缓冲车体与转向架之间的碰撞，在牵引梁的端部设置有用于安装两个横向油压减振器的两个横向减振器座，两个横向油压减振器分别连接转向架构架。此外还在牵引梁的中心设置有用于连接中心销的中心销套，该中心销套通过横向减振器与构架连接，利用提供的振动阻尼来改善横向振动性能。中心销的下端通过堵板和螺栓固定连接在中心横梁下方。此外，为改善各连接结构之间的转动和缓冲，对牵引部件继续进行改进，包括，纵向牵引杆具有拉杆体，其端部设置有金属与橡胶组合而成的牵引接头；中心横梁的两端，通过弹性节点与转向架构架连接；牵引拉杆具有拉杆体，其两端通过牵引节点分别连接中心横梁、牵引梁；车体与转向架的相对位移可由牵引拉杆的转动来实现，牵引拉杆的两端有橡胶节点，从而使牵引拉杆可以相对拉杆座转动。这种以中心横梁式牵引装置来替代现有的摇枕传递结构的技术，能够有效地简化牵引部件数量以降低转向架整体质量，简化后的牵引结构便于检修；能够降低纵向牵引力传递过程中的能量消耗，控制并减小运行噪音的产生，提高乘客乘坐轨道车辆的舒适性；能够减小轴重转移，提高粘着利用率，从而可靠地传递纵向牵引力和制动力，有助于车体与转向架之间的相对运动。这是我国独立研发的原创性技术，在国外没有相关的专利技术存在。除了上述专利技术外，南车青岛四方机车车辆股份有限公司有关高铁转向架的专利申请仅2008年之后提出的就有几十项，有力地推动了我国高铁技术的发展。无摇枕转向架技术的发展与中国专利申请状况无摇枕转向架是从20世纪80年代发展起来的技术。所谓无摇枕转向架，就是取消了摇枕、摇动台等部件的转向架。为了补偿由于取消摇枕而使转向架丧失的功能，无摇枕转向架用坐落在构架上的二系弹簧直接支承车体，承受车体垂向载荷；依靠中央弹簧的横向和纵向变形来实现车辆通过曲线时的转向功能；通过新的牵引装置来实现摇枕的转向和传递纵向力的功能。这一技术在日本、德国和美国的高铁中比较常见。例如日本的新干线采用的就是无摇枕转向架。车体支承系统没有摇枕，靠空气弹簧直接支撑，因此有较大的位移量。列车通过弯道时，转向架出现相对于车体的转动，角位移可通过空气弹簧的横向变形而被抵消。转向架相对于车体的转动由抗蛇形减振器来抑制。该减振器安装在车体和转向架之间，位于转向架构架的外侧，并与侧梁平行。抗蛇形减振器的阻尼力和其两端的橡胶衬垫的阻尼，均有效改善了转向架高速运行时的稳定性。这项技术是日本铁道综合技术研究所很早以前就研究开发出来的技术。涉及无摇枕转向架的部分早期的专利技术已经在很多国家都不再受专利保护（申请人放弃权利或专利权期限已到），相关内容构成了可以普遍采用的公知技术。此外，还有部分无摇枕转向架专利技术在中国没有申请专利，但在其他国家申请了专利，相关的专利文件已经构成出版物公开，属于现有技术的范畴，在中国可以无偿地使用这些专利技术。尽管无摇枕转向架早在20世纪80年代就已经发展起来，但是由于该技术在高速铁路中有很好的应用，所以无摇枕转向架具体结构、它的安装和控制相关技术一直是各国高铁研发人员重点关注的项目，一直有相关专利的申请。我国无摇枕转向架方面的专利申请，申请人主要为长春轨道客车股份有限公司、南车四方机车车辆股份有限公司、唐山轨道客车有限责任公司、株洲时代新材料科技股份有限公司等。无摇枕转向架方面的中国专利申请在2007年之后迅速增加。可能是申请人为了能够尽快得到授权，其中大部分申请为实用新型专利申请，很多相关发明专利申请尚在审批阶段。随着我国相关技术研发的深入，相信在不久的将来，会有相当多的具有自主知识产权的稳定专利诞生。（作者系国家知识产权局专利局机械发明审查部交通运输处审查员）责任编辑王瀛