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关于高速列车你知多少(四)
    时间:2011-6-13     点击率:41204

    

关于高速列车你知多少(四)


     现在来谈谈高速列车的转向架问题。
     1. 什么是转向架?
     我们很熟悉的汽车车轴以及车轴两端的轮胎是直接安装在车体下面的。汽车的车轴两端各安装有一个车轮,这两轮一轴总称为轮对。列车的轮对可不可以和汽车一样直接安装在车厢的下部呢?在铁路运输发展初期,由于列车车厢的长度比较小,列车轮对就是直接安装在车厢下部的,车厢重量一般由两个轮对承载。后来,列车车厢尺寸逐渐加长,车厢重量也日益增大,如果还是采用两个轮对直接安装在车厢下部的方法,则会造成各轮对承载的重量过大,结果只好增加轮对数量。但轮对数的增加,又带来车厢难于通过小半径曲线的问题,也就是不好转弯了。转向架就是在这个背景下诞生的。


 

图1 轮对


 

 

 图2 两轮对的车辆(左)和具有转向架的车辆(右)


 
     19世纪前期,美国率先开发了带转向架列车。车厢的前后两端坐落在两台转向架上,一台转向架实际上就是把两个轮对(机车也有3个轮对的)通过构架连接起来组成一个小车,由于转向架上的两个轮对的轴距较小,加之车厢和转向架之间通过被称为“心盘”的支承点可以自由回转,所以使得较长的车厢也很容易通过小曲率半径的转弯轨道。我们知道,列车是没有方向盘的,列车通过曲线轨道时,转向架可顺着轨道转弯,就像是列车的自动方向盘,这大概是“转向架”名称的来由了。图3是传统列车的转向架。图4是高速列车的转向架,图5是高速列车转向架的构造意图。



    

图3 传统列车的转向架



   

(a) 动车转向架                                               (b) 拖车转向架

 图4 高速列车的转向架

 

 




图5 高速列车转向架的构造



     转向架除了承载车厢重量和保证车辆顺利通过曲线轨道外,转向架上的减振弹簧和减振器保证了车辆运行的平稳性,另外列车牵引力是靠转向架上的牵引电机和减速齿轮装置来驱动轮对而实现的;列车运行安全也是由转向架上的基础制动装置来保证的。

     2 转向架技术的难点
     当列车过曲线轨道时,外轨比内轨长,一根车轴和两个车轮组成的轮对,车轮和车轴之间是紧压配合在一起的,要想让列车顺利地通过曲线,只好想办法让外轨的车轮多跑一点距离。针对这个问题,铁路技术的先驱者们想出的锦囊妙计是:把车轮的踏面(车轮和钢轨顶面接触的部分叫车轮的踏面)形状设计成圆锥形(图6)。

图6 圆锥踏面(左)和圆弧踏面(右)


     为了防止车轮脱轨和起到导向的作用,车轮的内侧有轮缘,踏面有一向外的斜坡。这样,呈圆锥形踏面的车轮通过线路曲线区段时,因离心力的关系,车轮被强行挤向外轨,自然的形成车轮以较大的直径走外轨,以较小的直径走内轨。外轨车轮滚动圆直径较大,车轮运行一周所走的距离相应的也就较长,两个轮子在弯道上就能齐步前进了,这样就保证了轮对能比较顺利地通过线路曲线区段。当然,车轮踏面设计成圆锥形的目的还不仅限于此,它还可以减小踏面的磨耗从而延长车轮使用寿命。还有一点也十分重要,运行过程中轮对出现左右偏移即车体中心线偏离轨道中心线时,它会自动产生使轮对滑向中心线的复原力。
     看来,车轮踏面的向外斜坡平稳、顺利地运行是不可或缺的了。然而,以上我们只看见它的优点,而它的缺点是导致了列车高速运行时会产生蛇行运动(图7)。


图7 蛇形运动


     在日本新干线开通前进行高速试验时,试验列车速度超过200公里/小时后,左右车轮突然发生剧烈的大幅度的左右振动,列车就像一条蛇一样左右蠕动前进——“蛇行运动”发 生了。当时试验车辆的一组实测数字如下:蛇行运动发生时,试验车辆的车体左右振动加速度是正常运行时的10倍以上,转向架以4赫兹(每秒4次)的频率呈有规则的波形振动,同时车轮对轨道的横向压力约达80千牛(约8163公斤),轨道严重损坏,列车巳经有脱轨的危险!由此我们就可理解,对于高速列车而言,避免这种蛇行运动的发生是多么的重要!
     车体或者转向架的蛇行运动为什么会发生呢?这种运动的“幕后制造者”正是车轮的踏面。
     因为轨道不平顺等原因,轮对在向前滚动时会发生向左或者向右偏移一点的现象,这样左右车轮在钢轨上的接触点就会发生变化,由于车轮踏面有一定的斜度,左、右车轮滚动圆的半径大小就会不一致,滚动半径大的车轮速度快,另一侧的车轮向前运行速度相应就要慢一些。这样,车轴的方向就会发生变化,车轮就会出现一会儿向左、一会儿向右,并按照一定的振幅向前运行,轮对前行的样子就像一条蛇在轨道上蠕动前行,这就是蛇行运动。可能你已发现,只要车轮踏面形状有一定坡度,如果不采用任何对策,蛇行运动肯定就会发生。也就是说,由于轨道不是绝对平顺的,轮对天生就有产生蛇行运动的“本能”。
     实际上,由于轮对是通过弹簧及减振装置等安装在转向架上的,所以低速时蛇行运动被弹簧缓冲有效地抑制了。然而随着列车运行速度的提高,与运行速度呈正比的蛇行运动 的频率也就相应提高,这个频率越接近轮对的固有振动频率,就越容易出现自激振动的蛇行运动。这时一旦出现蛇行运动,无论列车速度是进一步提高还是维持一定,蛇行运动的振幅不会衰减反而会逐渐加大,车轮边缘和钢轨会发生剧烈碰撞,线路和车轮会遭到严重破坏, 乘坐舒适度急剧恶化,严重时就会发生脱轨的危险!发生这种蛇行运动现象的极限速度被称为临界速度。
     蛇行运动有百害而无一利,那有没有应对的办法呢?有!只要我们把蛇行运动的临界速度设计成高于列车的最高运行速度并保留一定余量即可。具体可采取的措施有:减小车轮踏面斜度,增加转向架上前、后车轴轴距,增加轴箱的支持刚性(减少其弹性变形),增大车轮直径,扩大轨距,提高轨道的平顺度等等。
     转向架技术的难就难在:既要考虑车辆能很好地通过小半径曲线,还得兼顾防止列车高速运行时的异常振动——蛇行运动问题。二者的是如此对立,设计人员只能尽量平衡两者的“利益”关系,寻找最佳折衷点。做到这一点并不容易,这也是至今让高速铁路转向架设计人员深感头疼的问题。日本新干线初期的列车的踏面形状是传统的圆锥形,而后来采用的是圆弧形——这就是既为了防止蛇行运动又要提高曲线通过能力的结果(图6)。
     下表列出了蛇行运动和曲线通过性能对转向架的不同要求


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    ┃              要 素            ┃   为克服蛇行运动要求     ┃ 重视曲线通过性能要求       ┃
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    ┃             轴 距             ┃                 大                       ┃                    小                        ┃
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    ┃      车轮踏面坡度      ┃                 小                       ┃                    大                        ┃
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    ┃      轴箱支持刚性      ┃                 大                       ┃                   小                         ┃
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    ┃     转向架旋转阻力   ┃                 大                       ┃                   小                         ┃
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   以上,我们只是对高速转向架运行稳定性技术作了粗略介绍。实际上,高速转向架技术远比前面的介绍要复杂得多,例如平稳性(舒适性)问题、脱轨安全性问题等,这里就不进一步展开讨论了。

                                                                                          (文驹根据杨中平的《漫谈高速列车》一书编撰)