新型輕量化轉向架設計

宋丕麟

【摘 要】目前軌道車輛裝備制造中大范圍應用CFRP材料，本設計借鑒川崎重工“efWING”的設計理念，基于CRH380B轉向架進行輕量化設計，將轉向架側梁替換成CFRP板簧以達到軌道車輛減重的目的。

【關鍵詞】軌道車輛；轉向架；CFRP；輕量化

中圖分類號： U266 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.008

New lightweight bogie design

SONG Pi-lin

（School of Mechanical and Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Haidian 100044，China）

【Abstract】At present， CFRP materials are widely used in the equipment manufacturing of rolling stock.This design draws on the design concept of "efWING" of Kawasaki Heavy Industries，LTD. Based on the CRH380B bogie，the lightweight design is carried out， and the side beam of the bogie is replaced by the CFRP plate spring to achieve the goal of reducing the weight of the rolling stock.

【Key words】Rolling stock；Bogie；CFRP；Lightweight

對于軌道車輛來說，車輛輕量化可以改善運行過程中的能耗以降低運營成本，減少二氧化碳排放量，復合材料的使用為軌道車輛的減重提供了一個新的思路，大量的復合材料運用到車體、受電弓等各個部位。轉向架減重是車輛減重的一個重要方面，復合材料在轉向架上的運用可以極大的減輕軌道車輛的重量以提高軌道車輛的速度和安全性，使得車輛更加綠色環保。

軌道車輛分為車體與轉向架（走行部）兩大部分。車體因采用鋁合金及新型復合材料等材料，已實現了很大程度上的輕量化。轉向架采用基于有限元分析等仿真技術，通過薄壁化及減重孔等，實現了輕量化。但是近年來為提高運行性能，以及監控運行狀態，在轉向架上安裝各種減震裝置及傳感器等多種多樣的設備、裝置和零部件，質量顯著增加。在這種情況下，繼續采用基于有限元分析的減重策略，難以實現轉向架大幅度輕量化，所以，必須改變減重策略甚至從根本上改變轉向架設計思想。

為了防止軌道車輛發生事故，對轉向架安全性的要求日益提高，對于各種狀態下輪重變化要求越來越高。此外，除了軌道車輛制造行業，裝備制造業為了實現裝備輕量化，積極探索應用復合材料的途徑，以波音公司為首的航空制造業開始積極采用CFRP材料。

從軌道車輛的角度看，轉向架是軌道車輛最重要的零部件，近十幾年來轉向架的設計一直從實際應用出發，即改進現有轉向架，但在當前對于轉向架輕量化要求越來越嚴格的情況下，在根本上研究變革轉向架的結構及應用新型復合材料，以實現轉向架輕量化并提高軌道車輛運行安全性，需要工程師重新思考。

川崎重工于2014年推出新一代轉向架“efWING”，該轉向架上首次采用CFRP即碳纖維增強復合材料制作的板簧，其對于轉向架結構的根本性變革為轉向架的發展提供了一種新思路。本設計借鑒川崎重工的設計理念，基于CRH380B轉向架進行輕量化設計，以達到軌道車輛減重的目的。

1 傳統轉向架設計

1.1 轉向架功能

轉向架由構架、輪對軸箱裝置、制動裝置、彈性懸掛裝置等構成。轉向架的功能主要有以下幾個方面：

（1）增加軌道車輛的長度、載重和容積，提高運行速度；

（2）將車輪沿軌道的滾動轉化為車體沿線路的平動；

（3）支承車體，承受并傳遞從車體至輪對間或從軌道至車體之間的各種載荷及作用力，并使軸重均勻分配；

（4）能夠沿線路運行及通過曲線；

（5）具有良好的減振特性，提高軌道車輛運行穩定性和安全性；

（6）利用輪軌之間的粘著，傳遞牽引和制動力，放大制動缸產生的制動力，使軌道車輛具有良好的制動效果。

1.2 轉向架種類

轉向架按結構可分為三大件式和構架式；按軸數可分為兩軸、三軸和多軸；按照軸箱定位方式可分為導框式定位、干摩擦導柱式定位、拉桿式定位、拉板式定位和轉臂式定位等。

1.3 傳統轉向架缺陷

無論哪種傳統轉向架的設計，都具有以下特點：

（1）都采用H形的主構架；

（2）車軸支撐方式大多采用軸梁式，少數采用連桿式；

（3）車軸一系懸掛采用圓柱鋼彈簧+油壓減震器的方式；

（4）二系懸掛采用空氣彈簧的方式；

（5）在此基礎上演化出多種的不同類型，包括有搖枕、無搖枕、無搖枕附帶抗蛇行減震；甚至加裝擺式設備等等。

為了保證列車運行的安全，轉向架的H型主構架是轉向架中質量相當大的一個部分；而且這一部分重量是只經過一次懸掛進行避震的，在運行時這一部分通過車輪對于軌道會形成巨大的沖擊力，使得鐵路需要進行頻繁的養路作業。

基于這種范式的設計進行革新，使用碳纖維復合材料（CFRP）這種高性能材料，將其一次成型，做成弓形的板狀復合材料彈簧，將轉向架H形主構架側梁的功能和一系懸掛的功能整合到一起。

2 新型轉向架設計

基于以上設計思路，將CRH380B的側梁換成CFRP材料板簧，同時轉向架其他部分進行相應的適配性修改。

3 結論

（1）新型輕量化轉向架設計實現了轉向架的輕量化；

（2）新型輕量化轉向架設計提高了軌道車輛的速度及安全性；

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