日本地鐵窄軌新徑向轉向架的開發

為了解決地鐵線路小半徑曲線多和曲線超高遞減率低，造成輪軌噪聲、輪緣磨耗等問題，東京地鐵在銀座線1000系車輛上采用SC101型徑向轉向架，已經確認在標準軌距線路上徑向轉向架的曲線通過性能得到改善。

本文以窄軌徑向轉向架開發為目的，評估其在實際車輛上的運行性能，介紹試制的窄軌徑向轉向架概要、使用該徑向轉向架的東西線15000系現車試驗結果。基于上述成果，日比谷線新造13000系車輛安裝了批量生產的SC103型徑向轉向架。

1 徑向轉向架的研制

地鐵線路由于建設上的制約，多有小曲線和超高遞減率低的曲線，造成大的橫壓、輪軌噪聲、輪緣磨耗、超高遞減段輪重變化的問題。作為這些問題的對策，東京地鐵開展了剛性軸箱支撐、空氣彈簧懸掛的最佳化、搖枕轉向架的進一步研究，開發摩擦調整材料噴射裝置等措施，并趨于實用化。

為進一步解決好上述問題，東京地鐵與新日鐵住金公司一起，開發僅在車輛中間的車軸轉向的標準軌徑向轉向架樣機——FS576型轉向架。

FS576型轉向架外觀見圖1，轉向軸的配置見圖2。

圖1 FS576 型徑向轉向架

圖2 轉向軸與非轉向軸的配置

已經確認，試制的徑向轉向架曲線通過時橫壓、噪聲降低、輪緣磨耗減少。基于評估結果，針對銀座線1000系車輛的轉向架，設計了圖3所示的SC101型徑向轉向架。2012年4月開始投入營業運行，已經確認了這種徑向轉向架有良好的曲線通過性能。

圖3 SC101型徑向轉向架

在標準軌銀座線徑向轉向架曲線通過性能改善的基礎上，開發窄軌用徑向轉向架，試制窄軌徑向轉向架，并進行了現車性能評估。

本文報告試制的窄軌徑向轉向架概要、東西線15000系現車試驗的結果。基于上述成果，介紹日比谷線新造13000系車輛安裝的批量生產的規格為SC103型徑向轉向架運營情況。

2 徑向轉向架的概要

徑向轉向架因有轉向裝置，改善了輪軸的轉向狀態，使橫壓降低。下面將橫壓降低的機理、與一般轉向架曲線通過狀態的比較，做一說明。

2.1 普通轉向架

普通轉向架在通過曲線時的轉向狀態如圖4所示。

普通轉向架轉向不足，原因是，轉向架前軸（前轉向架的第1軸、后轉向架的第3軸）產生沖角，第1軸橫向爬行力增加；后軸（前轉向架的第2軸、后轉向架的第4軸）處于軌道中心附近位置，輪徑差不足，后軸有縱向爬行力（切線力）的作用。這2種力對轉向架產生反徑向的作用，使得接觸輪緣的前軸產生大的橫壓。

圖4 曲線通過時普通轉向架的狀態

2.2 徑向轉向架（前轉向架）

在單軸徑向轉向架（前轉向架），曲線通過時后軸轉向的狀態如圖5所示。

運行方向前側轉向架，轉向產生沖角，對第2軸產生向外軌的橫向爬行力，第2軸向外軌移動。這樣，輪徑差的不足得到緩解，第2軸縱向爬行力減少。而且，由于第2軸向外軌的移動，轉向架轉向不足向徑向轉向的態勢變化。其結果是，不直接轉向的第1軸的沖角減小，第1軸的橫向爬行力減少。隨著第2軸縱向爬行力和第1軸橫向爬行力的減少，抑制徑向移動的扭矩減小，第1軸外軌的橫壓降低。

圖5 曲線通過時徑向轉向架狀態（前轉向架）

2.3 徑向轉向架（后轉向架）

在單軸徑向轉向架（后轉向架），曲線通過時后軸轉向的狀態如圖6所示。

行進方后側轉向架，對前軸第3軸轉向，減小了沖角。這樣，第3軸的橫向爬行力減小。結果是，第3軸外軌的橫壓降低。

圖6 曲線通過時徑向轉向架狀態(后轉向架)

3 試制的窄軌徑向轉向架

3.1 試制的窄軌徑向轉向架構成

試制的窄軌徑向轉向架的裝車及其構成、參數如圖7、圖8和表1所示。

與2軸徑向相比，單軸徑向轉向架的非轉向軸是M軸，即動力軸，有抑制轉向架重量增加、便于制造和維護的好處。

圖7 15000系01車（左）和試制的徑向轉向架（右）

圖8 試制的徑向轉向架的構成

表1 試制的徑向轉向架參數

這樣，試制的窄軌轉向架與SC101型一樣，車輛端部的輪軸（第1軸、第4軸）是非轉向軸，位于車體中間的輪軸（第2軸、第3軸）是轉向軸，采用1臺轉向架中僅1軸轉向的單軸徑向操控方式。并且，試制的徑向轉向架安裝在15000系的拖車（T車）上，轉向軸、非轉向軸都是非動力軸（T軸）。

而且，車輛端部的第1軸、第4軸非轉向軸軸箱支撐采用原有的單連桿方式，轉向裝置是連桿維系搖枕和軸箱的結構，這與SC101型是一樣的。另一方面，試制的窄軌轉向架與SC101型的不同點列在表2。為了適應最高速度的提升、車長增加伴隨的軸重增加，軸距有所擴大，提高了轉向裝置的強度，盤形制動由每軸1個增加到每軸2個。

表2 線路要求規格的比較

3.2 窄軌徑向轉向架速度提高

這次試制的窄軌徑向轉向架的最高運行速度要求比SC101型徑向轉向架高出30km/h，加之標準軌變為窄軌的軌距減少，就產生了直線運行穩定性問題。為此，試制的窄軌徑向轉向架的軸距由2000mm增加到2100mm，并用動力學軟件SIMPACK做了模擬的可行性驗證（圖9）。

圖9 試制的窄軌徑向轉向架

模擬的一個結果是，在蛇行搖擺臨界速度上，徑向轉向架要比普通轉向架低。超過臨界速度時兩車軸轉向架的蛇行搖擺狀態見圖10。由圖10看出，徑向轉向架由于轉向裝置的作用，蛇行搖擺的波長減小了。可認為是受此影響，徑向轉向架蛇行搖擺的臨界速度降低了。

圖10 徑向轉向架與普通轉向架的蛇行搖擺狀態

根據采用的模擬確認，試制的徑向轉向架的蛇行搖擺限界速度大于200km/h。這就表明，對于要求110km/h最高速度運行的穩定性是沒有問題的。進而，旋轉試驗機上實機速度達到了200km/h，也確認110km/h時還未發生蛇行搖擺的情況。

4 現車試驗條件和結果

4.1 現車試驗條件

為了評估這次試制的徑向轉向架，在東京地鐵運行速度最快的東西線上進行了試驗。在東西線15000系車輛上按圖11安裝了試制的徑向轉向架，徑向轉向架按條件運行后，為了比較，取下轉向裝置，安上單連桿，以普通轉向架的條件在同一區間運行。整理出兩者的結果。

圖11 現車試驗時的條件

4.2 曲線通過性能的評估

在采用徑向轉向架和普通轉向架情況下，通過最小曲線時的橫壓波形見圖12。線路曲線參數如表3所示，這是曲線半徑為117m、167m組合的一段復合曲線。從結果可以確認，相對普通轉向架，徑向轉向架第1軸外軌的橫壓降低。

圖12 第 1 軸外軌橫壓波形

表3 曲線參數

還進行了營業線正常速度運行時各圓曲線內第1軸外軌橫壓的比較、第2軸軸箱支撐連桿荷載的比較，如圖13、圖14所示。

圖13 不同曲線半徑與第 1 軸外軌橫壓的關系

從圖13看出，不論曲線半徑大小如何，徑向轉向架比普通轉向架的第1軸外軌橫壓都要小。原因之一，如圖14所示，第2軸軸箱支撐連桿的荷載（相當第2軸縱向爬行力），在不同曲線上也都是徑向轉向架要小，抵制轉向的力矩減小，這與橫壓降低有關。

圖15表示出第1軸沖角和曲線半徑的關系，得到在各種曲線上都是徑向轉向架沖角小的結果。這是由于轉向作用，后軸向外側移動，轉向架形成徑向的狀態，可認為是第1軸沖角減小的原因。

從這些現車試驗的結果，得到圖16所示的前轉向架后軸轉向的設計概念，可產生前軸側外軌橫壓降低的效果。

4.3 乘坐舒適性的評估

在70～95km/h高速運行區間，車體地板面左右振動加速度和乘坐舒適水平的波形比較見圖17。

圖15 不同曲線半徑與第 1 軸沖角的關系

圖16 單軸徑向轉向架（前轉向架）設計概念

圖17 車體地板面左右振動加速度和乘坐舒適性水平

與前述模擬相同，徑向轉向架高速運行時也很穩定，確認了徑向轉向架與普通轉向架有同等的乘坐舒適性。

5 營業線評估試驗結果

基于現車試驗的良好結果，2013年9月，試制的徑向轉向架安裝到15000系1輛車上（2個轉向架），開始在營業線上進行長期評估試驗。在營業線投入運用已經有近4年時間，保持著良好的運行性能。

其中的一個結果是，圖18所示為15000系試制的徑向轉向架與同一編組的普通轉向架的車輪磨耗情況，圖19是車輪位置編號。從圖18確認，在輪緣磨耗量上，試制的徑向轉向架比普通轉向架整體平均降低約60%。

6 日比谷線 13000 系SC103型窄軌徑向轉向架

由于試制的東西線徑向轉向架的現車試驗、營業線長期運行試驗取得良好結果，在日比谷線新造車輛13000系上安裝了批量生產的SC103型窄軌徑向轉向架。2016年12月，開始在營業線上運行，圖20、圖21分別是日比谷線13000系車外觀和所裝SC103窄軌徑向轉向架的外觀。

6.1 曲線通過性能的評估

評估SC103型窄軌轉向架的運行性能的一例是在營業線小圓曲線（半徑160m、超高76mm、軌距加寬13mm）鋼軌上貼應變片，進行同樣軸重03系M車與13000系徑向轉向架車（MT車）第1軸的橫壓比較。圖22橫軸是日期時刻、縱軸是第1軸橫壓的比較，結果確認了徑向轉向架比普通轉向架橫壓平均減少了35%。

6.2 曲線通過噪聲的評估

關于徑向轉向架和普通轉向架曲線通過時的列車噪聲，做了針對噪聲最高的曲線（半徑127m）的解析，比較結果見圖23。這里有曲線通過時每個頻率的噪聲比較，可以看出在400～500Hz附近，徑向轉向架的噪聲比普通轉向架低了約15dB。

圖18 試制的徑向轉向架和普通轉向架的輪緣磨耗量比較

圖19 車輪位置編號

圖20 日比谷線 13000 系車輛

圖21 日比谷線 13000 系 SC103 型窄軌徑向轉向架

圖22 第 1 軸外軌橫壓的比較

圖23 曲線通過時噪聲的比較

7 結束語

東京地鐵與新日鐵住金公司一起，經過對東西線上試制的徑向轉向架的評估，開發了批量生產的SC103型窄軌徑向轉向架。日比谷線新造車輛13000系采用了這種轉向架，曲線通過性能良好，噪聲得到抑制，為提高車輛運行安全性和舒適性做出了貢獻。

[1]福島知樹. 地下鉄向け狹軌用新操舵臺車の開発[J].鉄道車両と技術，2017（249）：15-21.