高速机车转向架简介

一、机车走行部的性能指标

随着货运重载牵引和客运高速化的发展，对机车走行部提出了新的、更高的要求。机车走行部的性能指标主要为下列几方面：

1.强度和刚度

转向架各部分必须保证具有足够的强度和刚度。特别是转向架构架对刚度的要求较高，因为它是转向架的基础，若刚度不足，会影响各部分之间的相对位置。

2.横向稳定性

机车在直道上运行时，应有良好的横向稳定性，亦即机车在低速至最大速度范围内，绝不容许发生蛇行失稳。若发生剧烈蛇行，会产生很大的横向轮轨作用力，对线路造成破坏，车轴轴承过热或损坏，影响运行安全。对机车，特别是高速机车的横向稳定性应给予足够的重视，可采取一些有效的措施来保证机车的横向稳定性。

3.运行平稳性

机车运行平稳性表示人所感受到的机车运行品质。确定人对机车振动的感受有 4 个重要的物理参数：即振动加速度、频率、方向和持续时间。机车运行平稳性差就表示舒适度差，容易使人疲劳，降低机车乘务员工作的熟练程度，容易发生行车事故。因此，对于机车垂向及横向的平稳性，都明确规定有一定的要求。对于运行速度较高的机车，要在机车悬挂装置方面采取相应的措施，确保机车具有足够的运行平稳性。

4.曲线通过性能

机车曲线通过性能关系到机车脱轨的安全性、轮缘和曲线轨侧磨耗。2 轴转向架的曲线通过性能优于 3 轴转向架。山区线路曲线多，曲线半径小，应优先采用 2 轴转向架机车。不言而喻，机车首先应该满足牵引性能的要求。

机车的曲线通过性能与横向稳定性是相互矛盾的，即机车结构参数有利于曲线通过的措施对横向稳定性都是不利的，反之亦然。因此，在选定这些参数时要照顾到曲线通过和横向稳定性两个方面，权衡处理。

近些年来，国外发展较快的机车径向转向架，显著改善了曲线通过性能，又不降低机车的横向稳定性，也不影响牵引力从车轴向构架的传递。机车径向转向架使机车轮缘及曲线轨侧磨耗大幅度下降，使通过曲线时的黏着牵引力不降低，和直道上一样。

由于曲线的超高不足或超高过度，会引起车体的横向加速度。过大的车体横向加速度会引起人的不舒服，对此有一定的限制。

5.对线路的动力作用

轮轨之间的静载荷一般并不会产生危害，重要的是机车运行时产生的轮轨动载荷会危及行车安全。轮对作用于线路的动作用力随车速的增高而增加。动作用力分垂向和横向。过大的作用动力会加速线路的损坏甚至影响行车安全。为了减低轮轨之间的作用动力，要注意尽可能减小轮对簧下质量，改善机车的运行平稳性、横向稳定性和曲线通过性能。对高速机车，还应尽可能减小轴重。

6.黏着利用

为使机车最大限度发挥轮轨间的黏着潜力，必须选择最佳的电气系统和机械系统，再配以微机控制的、性能恰当的防空转装置。这对牵引重载列车的机车来说，尤为重要。就机械系统（走行部）而言，要使轴重分布均匀，而且在牵引力的作用下，轴重转移要尽量小。为此，要使牵引杆的高度降至合理的数值，并注意悬挂装置的设计，以减少轴重转移。轴箱拉杆的纵向刚度应足够大，以利最大牵引力的发挥。对液力传动及全悬挂牵引电动机的驱动装置，要注意系统中各部分的刚度匹配，以免容易发生轮轨间的黏滑振动，使黏着性能下降，容易诱发空转。

另外，机车走行部还应具有结构简单、安全可靠、维修工作量小的特性。

二、高速机车走行部结构及参数的特点

1.机车运行平稳性与稳定性

机车运行平稳性是指高速运行时，机车在垂向及横向产生振动，车体中的人所感觉到的舒适程度。影响机车平稳的因素是振动频率、振幅、振动加速度及振动加速度的变化率。即车体的振动特性决定了平稳性。高速机车要有良好的垂向及横向平稳性，要恰当选定一系及二系悬挂垂向及横向的刚度及阻尼参数。

机车稳定性是指机车横向稳定性，即蛇行稳定性。高速机车必须有良好的稳定性，其蛇行临界速度应高于最大运行速度，并有足够的裕量。影响稳定性的因素为机车走行部结构及参数，包括悬挂装置的参数。

必须指出，机车的横向稳定性好，其平稳性不一定就好，即机车对线路不平顺的响应（机车振动）不一定就好。但横向稳定性差的机车，在高速时的横向平稳性一定不好。因为稳定性差，高速时机车蛇行运动较剧烈，其横向平稳一定较差。

2.提高蛇行临界速度的措施

在高速机车上，为提高蛇行临界速度，通常采取下列措施:

（1）较大的转向架轴距。

高速机车通常为 2 轴转向架。为提高蛇行临界速度，要采用较大的轴距。德国的ICE、法国的TGV，最大运行速度分别为 250 km/h、300 km/h，转向架轴距都是3 m。

（2）减小转向架的质量及转动惯量。

减轻转向架簧上、簧下质量及转动惯量可以提高蛇行临界速度。这就是高速机车要把转向架上的牵引电动机移至车体上的原因。

（3）二系较小的横向刚度。

高速机车都采用较小的二系横向刚度及恰当的纵向刚度，并配以横向阻尼及回转阻尼。

采用较软的车体与转向架的横向弹性连接，是为了尽量减小转向架横向振动与车体横向振动的相互影响，使车体的蛇行失稳不发生，机车的稳定性归结于转向架的稳定。二系悬挂的纵向刚度决定了转向架的回转刚度，这不仅影响转向架的蛇行稳定性，而且还影响曲线通过性能。当二系悬挂采用橡胶簧或高圆簧加橡胶垫时，二系的纵向刚度与横向刚度是相关的，甚至是相等的，视具体结构而定。

（4）小斜度的锥形踏面。

日本和法国采用斜度为 1/40 的锥形踏面来提高高速列车的蛇行稳定性。该踏面在新的状态下斜度为 0.025，随走行里程的增加，踏面磨耗，外形改变，等效斜率增大。但根据法国TGV高速列车的运用经验，踏面磨耗过程极为缓慢。

德国 ICE 高速列车采用磨耗形踏面，其等效斜率高达 0.2（新踏面），用抗蛇行减振器来保证机车高速时的蛇行稳定性。ICE 采用高的等效斜率磨耗形踏面的理由是改善机车的曲线通过性能，减小轮缘和轨侧的磨耗；另一个理由是磨耗形踏面的磨耗速率比锥形踏面慢，而且磨耗后踏面外形变化较小，等效斜率增加很慢。

TGV 和 ICE 的运用经验及试验表明，采用两种不同踏面，都能在车速高达 300 km/h 保证机车的蛇行稳定性，满足高速列车的要求。

（5）抗蛇行减振器。

当代高速机车及准高速机车都安装抗蛇行减振器来提高机车的蛇行稳定性。

抗蛇行减振器是一种具有特殊阻尼特性的液压减振器，纵向安装在转向架两侧，连接车体及转向架。转向架相对车体回转时，该减振器产生阻尼力，衰减转向架的蛇行运动。

3.机车直线横向稳定性与曲线通过性能的协调

我国计划修建的京沪高速铁路的特定条件是：有可能在相当长的时期内，在高速客运专线上实现高速列车与中速旅客列车混跑。两种列车的运行速度有很大差异，在曲线的外轨超高设置上要予以折中，即高速列车将在欠超高的状态下通过曲线。机车通过曲线时过大的未平衡离心力对曲线通过十分不利。此外，为了实现与非高速线路上大城市间的直达运输，部分高速列车还将离开高速线到普通线路上运行，可能会遇到一些曲线半径较小的区段。因此，应在提高高速机车转向架蛇行稳定性的同时，努力设法改进转向架的曲线通过性能。

实际上，德国及法国的高速铁路都是由新建线及改造线连接而成的，这些线路上都是高速列车与中速客运列车混跑。他们都注意到高速列车不仅要有良好的蛇行稳定性，而且也要有良好的曲线通过性能。这两个性能是相互矛盾的，因此要进行折中、协调，使这两个性能都能满足要求。

法国TGV高速列车采用小斜度的锥形踏面来提高列车的蛇行稳定性（踏面斜率1/40，配1/20的轨底坡）。德国ICE则采用大等效斜率的磨耗形踏面（等效斜率0.2，配1/40轨底坡），使动力车的曲线通过性能得以改善。等效斜度大的磨耗形踏面虽然不利于机车的蛇行稳定性，但对悬挂系统的精心设计，仍能保证车速高达300 km/h仍有良好的稳定性。ICE由于采用了磨耗踏面，减少了轮轨的磨耗，使动力车转向架两次旋轮间的走行里程达到了60万 km以上，高于法国TGV的水平。

我国设计高速机车转向架，应根据我国的高速列车运行的具体情况，考虑直线性能与曲线性能的协调，走行性能与维修性能的协调，采用适合我国条件的磨耗形踏面，减轻转向架质量及转动惯量，较长的转向架轴距，恰当选定与稳定性及曲线通过有关的一、二系悬挂参数。

三、径向转向架简介

1.概　述

机车轮对定位的纵向刚度很大，这是为了传递纵向的牵引力所必需的。因此，转向架内的几根车轴总是保持平行，即使进入曲线也是如此。图 4.44 为普通 3 轴转向架通过曲线的情况，第1轴的车轮平面与轮轨接触点轨道切线的夹角称为前轴的冲角。由于冲角的存在，增大了轮轨间的横向作用力、使车轮易于爬轨，而且使轮缘和轨侧磨耗增加。

图4.44　普通3轴转向架通过曲线的情况

图 4.45 为径向3轴转向架通过曲线的情况，前轴和后轴都向曲线半径方向偏斜而占径向位置，使冲角为零，故称之为径向转向架。冲角为零的好处是减少了轮缘的磨耗，减小了轮轨横向作用力，减小了车轮爬轨的危险性，减少了踏面与轨面间的滑动，从而改善曲线上机车的黏着性能。

图4.45　径向3轴转向架通过曲线的情况

自20世纪60年代末轮轨蠕滑理论有了突破性的进展以来，对轮轨接触面上的作用力有了真正的认识，机车车辆动力学得到了迅猛的发展，使重载牵引、高速列车得以顺利发展。机车车辆径向转向架的发展是轮轨蠕滑理论在曲线通过领域应用的重要成果。

车辆转向架的结构及作用相对比较简单，其径向转向架在70年代初便开始出现并陆续投入运用，目前已有不少国家作为货车转向架的一种重要形式。

机车转向架除必须具备车辆转向架的所有功能外，还必须把轮周上的牵引力由车轴传递到转向架构架。这通常是由轮对定位的纵向方向来传递的，因而轮对定位的纵向刚度通常都很大，否则无法传递牵引力。定位纵向刚度大，轮对就无法向径向位置偏斜，机车径向转向架就难以实现。这就是通常所说的牵引和导向的矛盾。所谓导向，这里是指使轮对占径向位置，利于通过曲线。机车径向转向架的导向机理、设计方法以及结构形式远较车辆径向转向架复杂。因此，机车径向转向架的发展远远滞后于车辆转向架。经过长时间的技术积累，到20世纪80年代末90年代初，机车径向转向架的技术就已出现了突破，德国、瑞士、南非、奥地利等国家相继在电力机车转向架上采用了径向调节技术。

2.机车径向转向架的特点

机车径向转向架分自导向及迫导向两类。自导向结构相对简单，应用较广。这里主要介绍机车自导向径向转向架。机车自导向径向转向架是靠内外轮纵向蠕滑力形成的力偶来实现轮对的径向调节。

机车径向转向架要考虑到下列特点：

（1）机车踏面上作用有纵向的牵引力（亦属蠕滑力）。

由于蠕滑力有其极限值（通常称为黏着力），因此，由于内外轮轮径差产生的蠕滑导向力就受到限制，其与牵引力的合成不能超过蠕滑力的极限值。亦即机车转向架的自导向作用不及车辆转向架。减小轴箱纵向定位刚度，就能实现车辆轮对的径向调节。对机车径向转向架来说，轴箱纵向定位刚度应该比车辆小得多才能实现轮对的径向调节。

（2）机车轴箱纵向定位刚度要满足牵引力传递的要求。

对径向转向架来说，轴箱纵向定位装置已不能用来传递牵引力了，而要另外增加一套牵引装置，称为牵引与导向功能的分离。

基于上述原因，机车径向转向架比较复杂，机车径向转向架的实际应用比车辆晚了十多年。

机车径向转向架的轴箱纵向定位刚度应尽可能小，以利于径向调节。踏面上的纵向牵引力从车轴向构架传递，必须具有很大的纵向刚度，为此，增加了牵引装置。对牵引装置的要求是，具有足够大的纵向牵引刚度，使轮对不能纵向移动，但又不约束轮对相对于构架的摇头及横动。

为了提高转向架直线运行的横向稳定性，需要通过机构实现轮对摇头运动的相互耦合。

当前轴向径向位置偏斜时，后轴也同时向径向位置偏斜，使前后轮对相对于构架的摇头运动角度大小相等，方向相反。

3.机车径向转向架在我国的发展前景

与常规转向架相比，机车径向转向架有下述优点:

（1）曲线通过性能大大改善，轮缘及轨侧磨耗大大减轻，防止脱轨的安全性明显提高。

（2）直线运行横向稳定性与曲线通过性能达到良好的协调。

（3）曲线上的黏降减少，机车牵引性能明显提高。

我国铁路曲线所占比例较大，轨轮磨耗问题非常突出，严重影响着铁路运输能力。发展机车径向转向架不仅有利于提高山区铁路列车速度和运能，也有利于提高繁忙干线的运能。机车径向转向架在我国有良好的发展前景，可以预料的应用范围包括：

（1）用于重载牵引，特别是多曲线区段的重载牵引。

（2）用于多小半径曲线的山区线路。

（3）用于提高既有线路的列车速度，特别是曲线半径较小区段的提速。

（4）地铁及轻轨线路的曲线半径较小，机车径向转向架可用于地铁及轻轨车辆的动车转向架。

由于机构的复杂性及结构布置上的困难，开发机车径向转向架在技术上有相当大的难度。只要充分借鉴国外的经验，吸收国外的成熟技术，结合我国机车的具体情况，精心研究，精心设计，径向转向架一定会在我国机车上得到应用，在铁路运输中发挥重要的作用。

四、动车组转向架简介

1.动车组转向架的基本结构特征和主要技术参数

CRH200 EMU动车组的转向架有动车转向架和拖车转向架两种，采用了转臂式轴箱支撑方式、无摇枕转向架。两种转向架的结构基本相同。

1）转向架基本结构特征

（1）无摇枕H形构架之转向架。

（2）采用轻量、小型、简洁的结构。

（3）采用小轮径（φ860 mm ）的车轮以减少簧下质量。

（4）采用内孔为φ60 mm的空心车轴，该内孔同时有利于对车轴进行超声波探伤。

（5）轴箱采用转臂式定位，轴箱弹簧采用双圈钢圆簧。

（6）二系采用具有高度自动调节装置的空气弹簧，且其辅助风缸由无缝钢管制成的横梁内腔承担。

（7）采用抗蛇行减振器兼顾高速稳定性和曲线通过性能。

（8）采用单拉杆式中央牵引装置传递纵向力。

（9）动车转向架上装用轻型交流异步牵引电机。

（10）采用挠性浮动齿式联轴式牵引电动机架悬式驱动装置。

（11）基础制动装置采用液压油缸卡钳式盘型制动。

（12）全部车轮装有机械制动盘（轮盘）。

（13）拖车转向架车轴上装有机械制动盘（轴盘）。

（14）利用踏面清扫装置改善轮轨间运行噪声和黏着状态。

2）转向架主要技术参数

与转向架有关的主要技术参数如表4.1所示，转向架详细技术参数如表4.2所示。

表4.1　主要技术参数表

表4.2　转向架详细技术参数表

2.动车转向架基本结构

动车转向架主要由轮对、轴箱、一系悬挂、构架、二系悬挂、驱动装置和基础制动装置等7部分组成，具体结构如图4.46所示。

图4.46　动车转向架基本结构
1—构架；2—二系横向减振器；3—驱动装置；4—牵引电动机；5—二系弹簧；6—抗蛇行油压减振器；7—高度调整阀；8—轴箱；9—一系悬挂系统；10—驱动轮对；11—盘型制动装置

动车转向架中3个力的传递过程：

（1）垂向力（即重力）。

车体橡胶空气弹簧构架侧梁轴箱圆弹簧轴箱车轴车轮

钢轨

（2）横向力（离心力等）。

（3）纵向力（牵引力或制动力）。

（轮轨间黏着）车轮车轴轴箱轴箱转臂定位销构架侧梁构架横梁牵引拉杆中央牵引拉杆座车体车钩

3.拖车转向架基本结构

拖车转向架主要由轮对、轴箱、一系悬挂、构架、二系悬挂和基础制动装置等 6 部分组成，具体结构如图4.47所示。

图4.47　拖车转向架基本结构
1—构架；2—高度调整阀；3—二系横向减振器；4—盘型制动器；5—二系弹簧；6—抗蛇行油压减振器；7—轴箱；8—一系悬挂；9—拖车轮对

4.转向架构架

转向架构架的形状为 H 形，由两根侧梁和一根横梁组成，而横梁又由两个横梁支架和连接梁等组成；转向架构架分为动车转向架用和拖车转向架用两种，如图4.48所示和图4.49所示。

图4.48　动车转向架构架
1—侧梁；2—横梁；3—连接梁；4—横梁支架

图4.49　拖车转向架构架
1—侧梁；2—横梁；3—连接梁；4—横梁支架

5.轮　对

轮对分为动车转向架轮对和拖车转向架用轮对。

动车转向架轮对由车轴、车轮（带有制动盘一 简称轮盘）、齿轮装置及轴承构成，如图4.50所示。

图4.50　动车轮对总成
1—车轴；2—车轮；3—齿轮装置及轴承

拖车转向架轮对由车轴、车轮（也带有制动盘 一 简称轮盘）、轴制动盘（简称轴盘）及轴承构成，如图4.51所示。

轮盘以外的车轮、大齿轮、轴盘及轴承等为确保安全性和可靠性采用冷压法压装到车轴上。

图4.51　拖车轮对总成
1—车轴；2—车轮；3—制动盘

由于各种附属装置，例如脉冲发生器和/或接地装置被固定在轴箱端，所以转臂式轴箱作为一个组件被提供。

轴箱组件包括 6 个主要部件，分别是轴箱主体、前盖、后盖、轴承组件、转臂衬套的密封环和盖。轴箱组成如图4.52所示。

6.轴　箱

图4.52　轴箱组成

7.一系悬挂

一系悬挂也称轴箱弹簧装置，主要包括轴箱弹簧、垂向液压减振器和转臂定位橡胶套。具体结构如图4.53所示。

轴箱弹簧装置被安装在轴箱和转向架构架之间。

轴箱弹簧装置在将车体重量分配给各车轮的同时缓冲车轮/轴箱的各种振动，该弹簧参数是经过优化选定的，主要是为了改善车体的乘坐舒适度。

轴箱弹簧装置包括一个圆簧组（由内、外弹簧组成）、弹簧座（上、下）、橡胶座、绝缘座、转臂定位橡胶套和处于每个车轮位置处的垂向减振器。

图4.53　一系悬挂系统

8.驱动装置

驱动装置采用简单而实用的挠性浮动齿式联轴节式牵引电动机架悬式结构，即通过挠性浮动齿式联轴节将牵引电动机输出轴与车轴齿轮箱的输入轴（小齿轮轴）联结起来，在传递牵引扭矩的同时，允许两者间的相对运动。该驱动装置工作原理如图4.54所示。

图4.54　挠性浮动齿式联轴节驱动装置工作原理
1—牵引电机；2—小齿轮；3—驱动轴；4—大齿轮；5—挠性联轴节；6—齿轮减速器；7—制动盘；8—齿轮箱吊挂装置

挠性浮动齿式联轴节驱动装置的结构如图4.55所示。

图4.55　挠性浮动齿式联轴节驱动装置的结构示意图

挠性浮动齿式联轴节驱动装置的特点是：

（1）簧下死质量小（电机质量全部悬挂于构架横梁上称为簧上质量，但牵引齿轮和齿轮箱之质量的一半仍然属于簧下死质量），减小了轮轨间的动作用力。

（2）大大改善了牵引电动机的工作条件。

（3）牵引齿轮的工作条件并未得到改善。

（4）与刚性轴悬式驱动装置比，结构较复杂。但与其他架悬式和体悬式驱动装置相比，结构要简单得多。