转向架技术发展会议综述

第 6 届国际机车车辆转向架大会综述

文章类型:机车设计研究 文章加入时间:2005 年 7 月 5 日 11:33

摘 要:介绍了第 6 届国际机车车辆转向架大会概况及世界各国转向架技术发展的最新成果,着重介绍轮轨接触与磨耗、机车车辆系 统仿真、强度及可靠性、高速及重载技术、径向转向架、悬挂及制动系统等最新研究成果。 关键词:机车车辆;转向架;会议 简介 国际机车车辆转向架学术会议(International Conference on Railway Bogies and Running Gears) 是在欧洲举行的国际性机车车辆学术会议之一,每 3 年举行一次,主要由匈牙利布达佩斯工业技术大学和德国亚琛技术大学联 合办,首届会议于 1989 年在匈牙利首都布达佩斯召开。该大会的组织机构由学术委员会和组织委员会构成,学术委员会成员来自世界不同的国家和地区, 中国西南交通大学李芾教授于 2000 年当选为 15 位常任学术委员会成员之一。该学术会议属非政府组织,其宗旨是在世界范围内就当今机车车辆、城市 轨道交通车辆的新技术及最新研究成果进行交流。随着全球经济一体化进程的不断加强及科学技术的不断发展,国际间的学术交流活动愈来愈活跃,参 加该学术会议人员的地域广度、研究及专业范畴不断拓宽,使会议在国际上更加具有广泛的学术代表性和权威性。来自世界许多国家和地区的专业技术 人员及研究人员利用该学术会议,探讨机车车辆领域中出现的问题并交流其学术观点,同时展示各自在相关领域的最新研究和试验成果。与国际车辆动 力学学术会议(IAVSD)相比,该学术会议的范围仅限于有轨交通机车车辆,且更加注重新技术研究及工程化应用,比国际轮轴会议(ICW)及国际 重载会议(IHHA)涉及的范围更为广泛。该学术会议不仅重视基础理论研究,且更侧重于铁路机车车辆的设计、制造,新技术的应用以及试验研究。会 议涉及轮轨接触关系、计算机系统动力学仿真、虚拟样机设计技术、结构有限元分析及疲劳强度、牵引及制动技术、列车控制及监控技术以及最新制造 工艺技术等。 1

第 6 届国际转向架会议于 2004 年 9 月 13 日—16 日在匈牙利首都布达佩斯举行。此次会议由匈牙利机械工程学会铁道分会和布达佩 斯工业技术大学组织承办,由国际机车车辆界知名学者、布达佩斯工业大学机械系主任I.Zobory教授和德国亚琛技术大学O.Krettek教 授主持。来自世界各地 31 个国家、总计 154 名代表应邀参加会议,其中相当一部分是国际机车车辆界知名学者及家。许多国际机车车辆制造业的知名集 团及厂家如西门子、庞巴迪、阿尔斯通及日本的一些企业均派代表参加了会议,中国西南交通大学李芾教授、傅茂海研究员以及黄运华博士也应邀参加 了本届大会。大会共收到论文 100 多篇,通过学术委员会成员在此前以通讯的方式投票,确定共有 48 篇论文在大会上进行宣读,其他论文在会议期间进 行了交流。会议开幕式上,匈牙利铁道部及其他官员到会祝贺,著名机车车辆学者、德国亚琛技术大学O.Krettek教授就城市机车车辆和轨道交 通车辆近年来基础理论研究及新技术发展趋势进行了专题发言,庞巴迪公司转向架研发中心主任J.Jakob就机车车辆及城市轨道交通车辆转向架的 发展作了专题报告。来自各国和各地区机车车辆制造企业界的代表介绍了本公司最新开发的产品及新技术研究成果,铁路运用部门的代表主要介绍了对 运用实践中出现的问题研究以及新技术的运用经验,高等院校及研究部门的代表则就基础理论研究的最新发展以及相关的成果作了学术报告。其中,西 南交通大学机车车辆研究所的助理研究员黄运华博士在大会上作了题为《变轨距转向架方案设计及其动力学性能的研究》的发言,李芾教授介绍了中国 铁路近期的发展概况,引起了与会代表的极大兴趣。大会进行得热烈、紧张而有序,每个报告结束后都进行了十分有益的讨论。会场外设置有实物、模 型及图片的展厅,各公司及研究部门展示了其近年来研发的新产品及最新研究成果等。 本次大会的主要内容是讨论铁路机车车辆转向架及走行部的研究、发展、设计、制造和运用,交流 3 年以来的最新成果,加强学术交 流和相互了解,通过讨论和交流促进今后的发展,为今后铁路机车车辆及城市轨道交通车辆转向架的技术研究和发展确定新方向。 会议期间,主办方组织与会人员参观了匈牙利铁道机车车辆博物馆和隶属于Ganz SteelStructures公司的马特劳诺瓦克转向架制造工厂。匈牙利铁道机车车辆博物馆位于首都布达佩斯郊区的一个 货站,站内除设有数个相当规模的展厅外,还陈列了各个时期的各种机车车辆 100 多台,其中相当多的一部分具有十分珍贵的历史价值。同世界铁路大 国之一的中国铁路相比,匈牙利的人口总数和国土面积均不足中国的 1/100,具有如此规模的铁道机车车辆专业博物馆,不能不使我们感到汗颜。Gan z SteelStructures公司是世界著名的钢铁、机械及机车车辆制造联合企业,具有 100 多年的历史,曾向世界 50 多个 国家出口机车车辆,其中包括中国。但近年来,随着欧洲铁路市场的全面开放、机车车辆制造业的集团化及新技术的飞速发展,该公司每况愈下,不过, 公司当年的辉煌和荣耀在匈牙利铁道机车车辆博物馆仍可见一斑。目前,公司的机车车辆业务除修车外,仅作为庞巴迪欧洲公司转向架构架的制造中心。 马特劳诺瓦克转向架制造工厂虽仅有 300 余人,且不具备高端设备,但每年为庞巴迪欧洲公司生产上千台机车、车辆以及城轨车辆各种类型的转向架构 架,其精湛的制造工艺和产品质量,给笔者留下了十分深刻的印象。

2 学术交流内容 2.1 轮轨接触及磨耗 轮轨接触关系的研究是车辆动力学的核心问题,其涉及轮轨蠕滑、轮轨接触力学、轮轨磨耗及轮轨动力作用等多方面的内容,直接 影响车辆系统的动力学性能及对轮轨的破坏程度。本次会议中,对轮轨接触关系本身的研究并不多,主要侧重于研究轮轨磨耗方面。在实际工程运用中, 针对不同的问题所运用的接触理论不尽相同,为了简化分析问题,大多都将赫兹接触理论用于轮轨接触的研究,而后基本上都采用基于赫兹接触理论的K alker理论,将轮轨关系简化成线性和非线性接触。目前国际上用于车辆动力学分析的软件如:SIMPACK、MEDYNA、NUCARS等 都采用了Kalker的简化方法。而为了更加真实地反映实际问题,也采用非赫兹接触理论。俄罗斯布良斯克(Bryan sk)工业大学机车系在对机车径向转向架的动力学与车轮磨耗进行研究时,就采用了非赫兹接触模型。 轮轨磨耗的研究是近年来各国铁路界研究的主要内容。除前述俄罗斯采用非赫兹接触模型对车轮磨耗进行研究外,罗马尼亚也在轮 轨磨耗方面进行了大量研究,其不仅对径向转向架曲线通过时的轮轨接触现象和磨耗进行了研究,而且对铁道车辆车轮踏面磨耗进行了非线性实时仿真 研究。此外,瑞典的KTH也采用有别于传统的研究方法,对车轮的磨耗进行了仿真研究。轮缘润滑不仅能够提高脱轨安全性,且对减少车轮磨耗和降低 轮轨噪声也是有益的,匈牙利在这方面做了一些工作,其不仅对轮轨润滑系统进行了研究,还采用试验台进行了轮轨润滑试验研究。试验结果表明,轮轨 润滑不但能减少磨耗和降低噪声,还能有效增强脱轨安全性。匈牙利的I.Zobory教授等利用微动磨损理论,对动车驱动轮对的腐蚀机理进行了多 年的研究,取得了令人鼓舞的成果。乌克兰的S.Petrov通过计算机模拟,对轮对在制动和牵引时接触表面的热应力进行了分析,该计算结果得到 了试验的验证,为解决车轮踏面剥离问题提供了理论依据。日本国家和环境实验中心采用 1∶1 试验台,系统地研究了车辆在曲线上动态磨耗的机理及轮 轨接触关系,提出了降低磨耗措施。 2.2 机车车辆系统仿真分析 随着电子计算机的发展以及机车车辆动力学基础理论研究的深入,在机车车辆产品的设计和研发过程中,机车车辆系统动力学的仿 真研究已成为其重要的组成部分。其主要目的就是通过对机车车辆的总体及转向架悬挂参数进行优化设计,从而预测和分析研究机车车辆的动力学性能, 以确保其具有良好的稳定性、平稳性、安全性及可靠性。本次会议中,各国采用了多种不同的动力学分析软件,如VAMPIRE、SIM PACK、MEDYNA、NUCARS、ADAMS、VOCOLIN及GENSYS等,在对改善运行稳定性和舒适性方面的 研究论文占有一定的比例。在进行运行稳定性分析时,涉及了轮轨接触、踏面形状及悬挂参数等多个方面的内容。轮轨接触方面,采用没有轨道激励、

单一激励以及随机激励时机车车辆的运行稳定性情况,同时研究了弹性车轮与钢轨的接触情况对车辆运行稳定性的影响。而改变踏面形状和抗摇头摩擦 阻尼的大小,无疑会对车辆的稳定性产生较大的影响。相当比例的论文探讨了考虑车体及转向架的弹性对动力学性能的影响。 法国在对某城市铰接式有轨电车组的动力学性能分析时,利用VOCOLIN多体系统动力学软件进行了深入研究,并通过线路试验 对其计算结果进行了对比和验证,同时对车辆的结构设计提出了优化改进措施。瑞士SLM公司的O.Polach则通过采用SIMPACK多体系统 动力学软件,研究轮轨接触在不同轮轨磨耗条件下对机车稳定性和平稳性的影响,提出了线性和非线性算法的应用条件。日本的S.Nishimura 通过计算机模拟和试验的方法,研究车辆通过轨接头及道岔时轮轨的动态响应,在此基础上提出降低轮轨噪声的措施。此外,弹性车轮和刚性车轮在轨 道连接处的轮轨垂向动力响应在本次会议中也作了探讨。随着环境保护意识的不断提高,对机车车辆轮轨噪声及空气噪声的研究愈为重要,本次会议中也 有论文介绍采用计算机模拟的方法,研究轮轨噪声及空气噪声。计算结果同测试结果相比,还有一定的误差,但对轮轨噪声及空气噪声基础理论及噪声机 理方面的研究已取得令人瞩目的进展,并已开发出相关的商业化软件。我国在该领域尚未起步,国外的经验及发展趋势值得借鉴和研究。 机车车辆主要部件的有限元分析和疲劳寿命分析,在本次会议中占相当大的比重。基于有限元理论,利用工程分析手段,对车辆主 要部件进行分析,是目前高新技术用于车辆的一个主要方面。例如,构架和轮对作为弹性体,可进行强度、刚度等分析。从发表的数篇文章来看,对焊 接构架的强度分析比较多,焊缝的位置、焊接点的设计及焊点对疲劳动载的敏感性等对构架强度影响较大。转向架构架的安全性和耐久性对整个转向架 的使用寿命影响极大,因此,对其疲劳分析是近年来的主要任务。同时,轮对轮座的摩擦腐蚀、受复杂载荷的车轮疲劳问题也在本次大会中进行了讨论。 准确评估转向架的运行安全性和疲劳寿命一直是机车车辆行业亟待解决的问题。俄罗斯布良斯克工业大学机车系的V.Kobishanov等研究人员 采用计算机模拟方法,研究高速客车转向架的动应力,通过其来评估转向架的寿命,并通过线路动力学试验验证,取得了令人满意的结果,得到了与会 同行的一致肯定。 将虚拟现实技术应用在铁道车辆上是车辆系统仿真技术的新发展。西班牙的S.RomanGacia等利用虚拟有限元模型(VI RTULSTRAINGAUGE)建立了虚拟实验室,尽可能地在没有试验的情况下,利用虚拟模型代替试验,使每个新的设计产品通过计算达到产品 设计的要求。该领域在世界上尚属起步,且目前众多的影响因素尚未根本掌握,故完全利用虚拟模型来代替试验,还有较为漫长的路要走。多数的观点认 为,在机车车辆行业中仅通过计算机模型和模拟试验代替真实的运行试验是不可能的,但通过计算机模型和模拟试验,可以在一定的程度上对新产品开 发提出指导性意见。庞巴迪公司转向架研发中心负责人J.Jakob先生就此问题谈了自己的观点,通过列举曾在世界上名噪一时的德国慕尼黑滚动振 动试验台在 2003 年底关闭的例子,阐明了问题的实质所在。 2.3 径向转向架

降低轮轨磨耗、减少环境污染和列车能耗一直是转向架研究的课题。轮轨间的磨耗主要发生在列车曲线通过的过程中。众所周知, 车辆动力学性能主要包括曲线通过性能和直线上的横向稳定性,但二者对转向架悬挂参数的要求通常是相互矛盾的。提高轴箱的水平定位刚度有利于转 向架的横向稳定性,但其曲线通过性能将随之恶化;增加踏面的等效锥度有利于转向架通过曲线,但其抗蛇行稳定性将随之下降。解决转向架曲线通过 性能和横向稳定性之间的矛盾是车辆动力学长期研究的课题。理论研究和试验表明,径向转向架可以有效地解决这一矛盾。但由于径向转向架结构复杂 且制造工艺要求高,在世界上一直未能得到广泛的运用。随着机车车辆制造业水平的提高,径向转向架的研究和运用将成为近年来转向架研究方面的热 门课题。 采用径向转向架可以有效降低轮轨的最大横向力和轮轨间的磨耗,有利于提高曲线通过能力。会议中,俄罗斯布良斯克工业大学的 G.S.Mikhlchenko就一种新型 3 轴机车径向转向架的动力学性能及轮轨磨耗宣读了研究论文,同时对径向转向架曲线通过的接触机理进行 了分析探讨。罗马尼亚的I.Sebesan报告了径向转向架的导向机理、曲线上的轮轨接触关系及磨耗的理论研究成果。南非铁路的R.Froeh ling宣读了有关改进的新型谢菲尔货车径向转向架的有限元分析、动力学性能及轮轨磨耗的论文,对原有的谢菲尔货车径向转向架的性能及强度进 行了优化,取得了较好的效果。另外一些论文就客车、货车和机车径向转向架的开发与研究引起了与会代表的极大兴趣。让人耳目一新的是庞巴迪公司 的研究人员介绍了其“MECHATRONICS”转向架的发展现状和动力学性能,该转向架设有机电式主动径向导向与稳定性控制装置,其具有质 量轻及动力学性能好的特点。线路试验表明,该转向架不仅舒适性和稳定性较高,且噪声和磨耗均较常规转向架大大降低。但其结构复杂,制造成本高, 在近期推向市场尚有较大的难度。总之,国外在径向转向架的发展及成功运用经验方面,对中国铁路机车车辆行业及铁路运用部门具有较好的借鉴意义。 2.4 空气弹簧及主动悬挂 作为转向架的关键悬挂部件之一,空气弹簧具有缓冲、减振及降低噪声等功能。与其他弹性元件相比,其具有结构简单、工作可靠、 便于维护、成本低等优点,广泛应用于交通运输工具的悬挂装置中。空气弹簧刚度较小,可通过高度调整阀的调节作用,自动控制空气弹簧的进排气, 使车体的高度不受车辆载重的变化,有效利用其特性将大大改善轨道车辆的运行性能。奥地利的KlausSIX利用SIMPACK软件,对空气弹 簧的最佳空气容积及用风量进行了实时仿真研究,其通过一实时采集控制系统,根据采集的轨道输入信号,控制空气弹簧的气体容积,对车辆动力学进 行分析研究。而西班牙的E.G.Garcia建立了 4 车辆的空气弹簧悬挂模型,对空气弹簧的阻尼孔阻尼系数进行了仿真和试验研究,结果表明,其 所采用的阻尼系数公式与试验值十分接近。国内在空气弹簧方面还有待进一步深入的研究,上述研究方法和经验无疑对国内空气弹簧研究和运用部门具 有较大的帮助。

在会议中,有 2 位与会代表宣读了有关主动及半主动悬挂的最新研究和试验成果,其主要针对二系横向的半主动悬挂进行了计算机 模拟及滚动振动试验,但其对性能的改善有限。相当一部分与会代表认为,采用半主动悬挂大大提高了机车车辆成本,但对其动力学性能并未产生质的 变化,在目前的条件下,难以使运用部门接受。 2.5 制动 列车制动系统是列车的重要组成部分。对现代铁路而言,制动的重要性不仅仅是安全问题,制动已经成为限制列车速度和牵引质量 进一步提高的重要因素。因此,近年来各国在制动方面做了大量的工作。在本届学术会议上,关于制动新技术的应用及研究成果占了相当大的比重。 在物理学的基础上,德国的D.Janichen建立了一套完整的物理和数学模型,对德国 1991 年开始运用在高速列车的安全监控 系统(LZB)中的制动参数进行了优化计算,对高速列车的制动评价方法作了进一步研究,对高速列车的安全运行提出了十分有意义的指导性意见。而意 大利的A.Girotti等通过引入FMECA方法论,作为分析转向架中制动系统失效原因的有力工具。该方法对制动装置、转向架和悬挂元件的可 靠性和安全性评估十分有效。本次会议中,还有一些论文对现代制动系统的传感器和故障诊断进行了讨论。现代的集成监视和故障诊断系统,不但能够 有效维护列车的运行安全,还能减少制动系统的维护时间。德国SABWABCO公司的T.Merkel等在对制动系统的监视和故障诊断方面进行了 大量的研究及试验工作,该制动系统已装车,运用效果良好。美国的R.F.Harder等采用有限元方法,对制动时轮轨接触的应力及温度场进行了系 统的分析,特别对车轮在滑动情况下轮轨的损伤机理,进行了系统的理论分析。 2.6 其他方面 三大件转向架发展至今,进行了不断地改进和完善。会议中有一部分论文讨论了三大件转向架动力学性能及疲劳强度的改善措施。 乌克兰的O.Pshinko作了关于对三大件转向架进行了动力学性能改造研究的报告。其主要措施是利用球面心盘代替传统的平面心盘,通过增加接 触面积来降低心盘的接触应力,提高车辆运行的稳定性;为降低簧下质量,在承载鞍上增加橡胶垫,以降低轮轨作用;为克服斜楔在摇枕中发生的卡死 现象,在斜楔和摇枕的接触间采用半球面阻尼定位。除此之外,该转向架还采用了如焊接心盘托等一系列措施,使转向架自重降低了 150kg。此外,南 非的R.Froehling等对适应于寒冷条件下 30t轴重自导向三大件转向架进行了研究。瑞典的E.Andersson提出了一种对UIC标准 转向架提速的改造方案,德国的W.Hoehne对新型 10 轴低地板公铁两用平板车的方案及动力学性能进行了分析。

在基础研究方面,美国的P.Klauser宣读了其对动力学计算时斜楔建模问题的研究论文,该论文较为详细地讨论了干摩擦效 应,采用精确建模方法建立的斜楔模型,取得了同试验吻合较好的结果。日本人对曲线通过性能滚动试验测试装置进行了研究。匈牙利布达佩斯工业大 学的ZOBORY教授等人设计开发出了车轮踏面及轮廓几何形状的测量装置。德国FAG公司的EdgarPR SCHEL在多年试验和研究的基础上,提出了一种计算高速列车轴承使用寿命的新方法,对原有的方法加以改进,并得到了试验 的验证,为轴承使用寿命的理论算法提供了新的依据。 为降低货车磨耗及噪声,对德国铁路货车转向架进行了专项研究。由柏林工业大学教授MarkusHECHT在大会上报告了对 欧洲标准型货车转向架Y25 的研究成果。该研究采用计算机模拟和定置试验同时进行的方式,对Y25 型货车转向架产生磨耗及噪声的机理进行了系统的 研究,在此基础上提出相应的改进措施,引起了铁路运用部门的极大兴趣。另有一部分与会代表报告了机车、客车及城轨车辆转向架方面的最新研究及 试验成果。 3 国外机车车辆转向架发展展望

综观本届学术大会,在机车车辆研究和开发方面,新一代机车车辆的发展趋势是模块化、轻量化和环保化。货车及货车转向架在欧 洲国家由于货车市场的变化,近年来开发的新品种屈指可数,在北美及俄罗斯等国主要致力于三大件转向架的改造,而欧洲国家则致力于UIC标准型 转向架的改造,以提高其动力学性能及可靠性。相比之下,机车及客车转向架近年来开发的新品种有所增加,但其新技术的研究和应用的深度及广度同 城轨车辆相比尚有较大的差距,当今城轨车辆的技术进步的确令人耳目一新。尽管研究提高机车车辆动力学性能和新技术开发应用仍为本届学术会议的 主流,但由于各国对环境保护的高度重视,研究如何降低车辆轮轨的磨耗及噪声也占了一定的比重,此发展趋势值得中国机车车辆行业关注。 在基础理论研究方面,计算机模拟分析对动力学性能的预测,以及有限元分析法对结构强度的计算已经发展到了相当高的水平,已 逐渐成为研究和开发人员一种必不可少的分析手段。但也应该清楚地看到,同有限元分析法对结构强度的分析法相比,计算机模拟对动力学性能的分析 尚有相当大的差距。主观上其研究的深度还有待于深化,客观上对于动力学性能的影响因素还未能完全掌握,其主要原因是一些相关影响因素的机理至 今尚未在理论上得出精确的结论。尽管诸如干摩擦、轮轨接触,蠕滑、磨耗及脱轨机理等至今尚未在理论上解决,但其有了较大的发展。应该指出的是, 自 1967 年荷兰现代轮轨粘着理论的开拓人J.J.Kalker博士的论文发表后,人们对有关轮轨间蠕滑的相互作用理论的认识有了较大的提高。可以 说,在今后相当长的一段时期内,轮轨接触理论、蠕滑理论、脱轨机理等一系列的问题还有待于进一步的深入研究,以不断完善。除此以外,尽管有限

元分析法在结构强度的计算方面已得到广泛的应用,但目前还多限于静强度的问题。对机车车辆在动态下的应力以及疲劳寿命评估还存在许多问题,在 本届学术大会虽有一些论文就此发表了各自的学术见解,但在该领域内并无实质性的突破,距解决工程实用化问题的目标尚有一段距离。 4 结束语

国际铁路机车车辆转向架及走行部会议,主要讨论铁路机车车辆转向架及走行部分的研究、发展、设计、制造和运用,通过会议的 讨论和交流,加强沟通和相互了解,以促进今后的发展,为未来铁路机车车辆转向架及其相关的技术研究和发展确定了新的方向。在中国铁路跨越式发 展的今天,我们更应充分分析和研究世界各国铁路技术发展动向,学习和借鉴其关键技术,总结经验和教训,避免我们多走弯路,使我国的铁路技术在 较短时间内缩小和赶上发达国家水平。


相关文档

  • 我国铁路客车转向架技术发展综述
  • 我国铁路客车转向架技术发展的概述续一
  • 城轨车辆单轴转向架关键技术综述
  • 发展快捷货车转向架 促进快运技术进步——2015快捷货车转向架技术交流会综述
  • 机车径向转向架技术综述
  • 我国铁路客车转向架技术发展概述(待续)
  • 我国铁路客车转向架技术发展的概述_续一_
  • 高速动车组转向架的发展及其动力学特性综述
  • 国外重载货车转向架发展综述
  • 电脑版