獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪導(dǎo)向技術(shù)概覽

劉曉宇

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 序言

低地板輕軌車輛是一種能使乘客在普通人行道上就能實(shí)現(xiàn)無(wú)高差上下車，不需要在路面設(shè)置高站臺(tái)的輕軌車輛，給殘疾人、年邁老人、推嬰兒車的夫婦及任何攜帶物品和帶行李的乘客和行動(dòng)受到限制的人群提供了上下車和在車內(nèi)行走的便利，自1984 第一輛現(xiàn)代化的低地板車才在瑞士的日內(nèi)瓦投入使用以來(lái)，該類列車越來(lái)越受到乘客歡迎。要實(shí)現(xiàn)輕軌車輛的100%低地板化，就必須取消傳統(tǒng)剛性輪對(duì)的車軸，這就使得車輪與車軸解耦的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架在低地板輕軌車輛中應(yīng)用廣泛。

獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱獨(dú)立輪）是相對(duì)于傳統(tǒng)剛性輪對(duì)的概念，基本思想是通過軸承連接車輪與車軸，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)輪對(duì)中輪軸的剛性固結(jié)。與剛性輪對(duì)相比，獨(dú)立輪的自由度發(fā)生變化：車輪可繞車軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而車軸不必轉(zhuǎn)動(dòng)，故可以取消公用車軸，或者用下凹型車軸代替普通直軸，從而為降低車輛地板面的高度創(chuàng)造條件。獨(dú)立輪左右輪解耦合，即輪對(duì)的搖頭和橫移運(yùn)動(dòng)不再耦合，根據(jù)卡爾克蠕滑理論，縱向蠕滑力消失，就不會(huì)產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)，不存在蛇行臨界速度的限制，車輛能夠達(dá)到更高的運(yùn)行速度。獨(dú)立輪導(dǎo)向能力差成為制約低地板輕軌車推廣的因素之一。各國(guó)為解決獨(dú)立輪導(dǎo)向問題進(jìn)行了多項(xiàng)探索，得到了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 獨(dú)立輪踏面設(shè)計(jì)

由于獨(dú)立輪導(dǎo)向主要依靠重力復(fù)原力，而重力復(fù)原力的大小與左右輪接觸角差成正關(guān)系，但我國(guó)現(xiàn)有的磨耗型踏面是為剛性輪對(duì)設(shè)計(jì)，采用了較小的左右輪接觸角差來(lái)提高蛇行穩(wěn)定性，故需重新設(shè)計(jì)踏面形狀以適應(yīng)獨(dú)立輪對(duì)。我國(guó)的沈剛教授等提出了接觸角曲線反推法[1]。該方法利用接觸角曲線的變化決定輪軌外形的變化這一逆向思維，在軌頭、軌底坡、軌距確定的情況下，將現(xiàn)有的接觸角曲線向左右大接觸角差的方向修改，將修改后的接觸角曲線上的點(diǎn)按照輪軌接觸角與踏面輪廓線斜率的關(guān)系反推并積分得出踏面形狀。反推得到的踏面，還需要計(jì)算其與鋼軌的的輪軌接觸幾何關(guān)系，校核接觸點(diǎn)分布、等效斜率、接觸應(yīng)力等輪軌接觸特性。若不滿足設(shè)計(jì)要求，則需重新修改接觸角曲線，重復(fù)上述過程。在根據(jù)以上方法，在MATLAB 語(yǔ)言中，可以利用樣條插值工具箱中的函數(shù)進(jìn)行微分和積分計(jì)算。接觸角曲線反推法實(shí)用性強(qiáng)，徹底解決了獨(dú)立車輪的踏面設(shè)計(jì)問題。

2 自導(dǎo)向技術(shù)

獨(dú)立輪因不存在縱向蠕滑力而喪失自導(dǎo)向能力，通過對(duì)走行部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)可以使得其重新獲得導(dǎo)向性。自調(diào)節(jié)獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架是指只依靠輪軌間作用力就將車輪調(diào)節(jié)到徑向位置的獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架。德國(guó)Frederich 教授先后開發(fā)了EDF 獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架[2]和EEF 自導(dǎo)向獨(dú)立車輪副（見圖1）是自導(dǎo)向獨(dú)立輪走行部中的代表產(chǎn)品。當(dāng)EDF 通過的半徑較小曲線時(shí)，獨(dú)立車輪的沖角很大，導(dǎo)向性能差，并沒有投入到實(shí)際運(yùn)營(yíng)中。而單軸獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架EEF 自導(dǎo)向獨(dú)立車輪輪副在德國(guó)許多城市的低地板車輛上有過應(yīng)用。這種單軸走行部的左右獨(dú)立車輪能夠分別繞構(gòu)架外側(cè)的各自的回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，從而能夠利用重力復(fù)原力產(chǎn)生繞垂向轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)原力矩，該力矩能夠促使車輪自動(dòng)向徑向位置調(diào)節(jié)，使車輪在運(yùn)行中保持與軌道平行[3]。但EEF 需要在緊湊的空間中安裝復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)中成本和難度都較大。

3 獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架迫導(dǎo)向技術(shù)

圖1 單軸自調(diào)節(jié)獨(dú)立輪輪副EEF

西班牙的TALGO 列車是獨(dú)立輪技術(shù)應(yīng)用最成功的典范[2]。每節(jié)車廂由三點(diǎn)支撐：前端鉸接在前一車廂尾部橫梁的中央，后端通過彈簧支撐在獨(dú)立車輪單軸轉(zhuǎn)向架上。獨(dú)立輪采用大錐度踏面，并在車輪和車體之間布置了輪對(duì)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。大錐度踏面能夠產(chǎn)生的較大的重力復(fù)原力，鉸接拖動(dòng)的車輛連接方式使得相鄰車廂的搖頭角方向相反，相鄰兩單軸獨(dú)立輪走行部的搖頭角也相反，因而相鄰輪對(duì)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)重力復(fù)原力和橫向蠕滑力反向的情況，這就使車輛能在直道上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中復(fù)位。徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（見圖2）約束了輪對(duì)的搖頭運(yùn)動(dòng)，迫使輪對(duì)在直道上相對(duì)于車體不會(huì)發(fā)生相對(duì)搖頭運(yùn)動(dòng)。曲線通過時(shí)，徑向連桿上處于前后車體對(duì)角線上，即軌道曲線徑向線上。

圖2 Talgo 列車徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

4 獨(dú)立輪反向踏面自導(dǎo)向技術(shù)

2012年，日本的須田益大等開發(fā)了一種具有自導(dǎo)向能力的反向踏面獨(dú)立輪機(jī)構(gòu)。輪軌接觸點(diǎn)與獨(dú)立車輪外側(cè)的回轉(zhuǎn)中心軸分別位于軌道內(nèi)外兩側(cè)是EEF 能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向的重要原因之一，類似于EEF，反向踏面獨(dú)立輪的輪軌接觸點(diǎn)與左右車輪的豎直回轉(zhuǎn)中心軸也位于軌道兩側(cè)（見圖3）。故該機(jī)構(gòu)在能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向的同時(shí)，不需要連桿，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，有利于降低地板高度。研究人員經(jīng)過仿真及模型車輛試驗(yàn)驗(yàn)證了反向踏面獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架在直道上能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，彎道上輪軌磨耗小，并能提高通過小半徑彎道的臨界速度[4]。

圖3 及其輪軌接觸點(diǎn)和回轉(zhuǎn)中心位置

5 主動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)

相對(duì)于被動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)依靠重力復(fù)原力的橫向分量克服橫向蠕滑力實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，主動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)則是利用作動(dòng)器控制輪對(duì)沖角或左右輪轉(zhuǎn)速差進(jìn)行導(dǎo)向。英國(guó)的Wikens 教授開發(fā)的直接導(dǎo)向輪副（見圖4）就是控制車輪姿態(tài)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)導(dǎo)向的一種獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架。其左、右兩、個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的轉(zhuǎn)軸通過導(dǎo)向拉桿連接，以保證左、右車輪的搖頭角相同。作動(dòng)器根據(jù)相對(duì)軌道的橫向位移的反饋量，控制拉桿水平橫向位置，從而控制輪副的轉(zhuǎn)角[5]。使用直接導(dǎo)向輪副的車輛取得了很好的導(dǎo)向效果，但是受限于車輪相對(duì)軌道的橫向位移實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)水平，尤其是在道岔處，工程實(shí)現(xiàn)將比較復(fù)雜。

圖4 直接導(dǎo)向輪副

圖5 第三軌導(dǎo)向系統(tǒng)

6 其他導(dǎo)向技術(shù)

日本Koyanagi 提出使用導(dǎo)向軌來(lái)提高獨(dú)立輪所需的導(dǎo)向功能[6]。這種圓柱導(dǎo)向獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪系統(tǒng)（CIW）模型（見圖5）。沿著導(dǎo)向軌運(yùn)行的圓柱形導(dǎo)向輪和連接導(dǎo)向輪和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的導(dǎo)向桿通過轉(zhuǎn)向架可繞導(dǎo)向輪前面一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方式約束轉(zhuǎn)向架的搖頭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。但是該技術(shù)需要另行布置導(dǎo)向軌，成本過高，而且難以布置在道岔處，可實(shí)施性較低，僅停留在實(shí)驗(yàn)室試制層面。

7 結(jié)語(yǔ)

低地板輕軌車輛擁有巨大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力，而獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架是實(shí)現(xiàn)車輛的低地板化的必然要求，但由于獨(dú)立輪對(duì)因解耦導(dǎo)致導(dǎo)向能力差，限制了獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架在軌道車輛上的應(yīng)用，故需要對(duì)國(guó)內(nèi)外獨(dú)立輪導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行深入研究。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外獨(dú)立輪導(dǎo)向技術(shù)的研究現(xiàn)狀，解決獨(dú)立車輪導(dǎo)向難題的措施大致可歸納為以下3個(gè)方面：一是對(duì)獨(dú)立車輪踏面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，加大左、右車輪踏面的接觸角差，以增加重力復(fù)原力；二是對(duì)獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用徑向轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特性或者布置迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架具有導(dǎo)向功能；三是采用主動(dòng)懸掛技術(shù)，主要是根據(jù)左右車輪狀態(tài)信息反饋，由作動(dòng)器對(duì)獨(dú)立輪施加力矩控制其搖頭姿態(tài)。在獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，西班牙Talgo 列車的成功經(jīng)驗(yàn)最值得借鑒，故有必要進(jìn)一步對(duì)Talgo 列車的導(dǎo)向性能進(jìn)行研究。

［1］沈鋼，葉志森.用接觸角曲線反推法設(shè)計(jì)鐵路車輪踏面外形[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30(9)：1095-1098.

［2］任利惠.獨(dú)立車輪導(dǎo)向技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，2006.