摘 要：近年来，我国轨道交通发展的两个主要方向之一，就是“绿色”与“节能”。因此，现代铁路车辆各种零部件产品的设计、研发与技术进步，都开始逐步体现出了环境友好的特征。本文结合工作实践，就环境友好型转向架的优化设计进行了探讨与研究。
关键词：铁路车辆；环境友好；低能耗；转向架
引言:
转向架是铁路车辆走行部的关键组成部分，它具有承载车重与载重、引导车辆通行、减缓振动与冲击等多项功能作用。但同时，转向架也是铁路车辆能耗、振动、磨损与噪音的集中体现。因此，环境友好型转向架的优化设计，已成为了现代铁路车辆体现绿色与节能环保的主要载体。近年来，环境友好型转向架的优化方向，主要体现在低能耗转向架、低噪音转向架两个方面，本文主要就低能耗环境友好型转向架的优化设计理念、设计方向进行了探索研究。
一、低能耗转向架的优化设计理念
（一）基本概念
在铁路车辆中，低能耗转向架是指通过相关优化设计与改造，以达到降低牵引动力消耗，降低轨轮磨损、噪声与环境污染的新型转向架类型。
而从设计角度而言，低能耗转型架主要通过在原车辆运行速度和线条件一致的基础上，所设计得到的低阻力径向型转向架（见下图1）。该类转向架的优化设计方向：一是保证转向架在直线上具有更好的横向稳定性，从而以减少转向架轮对的摇头角与横移，降低纵向冲角与滑动力；二是保证转向架在曲线牵引时，具有径向或准径向的功能，从而保证轮轨之间的横向作用力和冲角较小，以减少轮轨的接触与磨蚀。
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（a）传统转向架 （b）低阻力径向型转向架
图1 转向架通过曲线轮对的位置示意图
（二）设计原理
优化设计得到的低阻力径向型转向架，其关键动力学原理是指铁路车辆在通过曲线时，所有转向架轮对都具有趋向于曲线径向位置的能力。因此，该类转向架为了获取良好的曲线通过性能，应力求减少转向架轮对的纵向定位刚度（等效弯曲刚度），但可能会降低铁路车辆的蛇行临界速度。为了满足车辆速度要求，可在转向架两轮对间适当附加弹性约束来加以实现。其方程式可表达为：
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在上式中，是指转向架轮对的等效剪切刚度；是指等效弯曲刚度；是指弹性约束；是指左右侧转向架间阻抗纵向菱形变位的弹簧参数；是指轮对定位刚度；和分别是指两弹簧间距和前后轮对间距。在实际情况中，为了获取良好的曲线通过性能，低阻力径向转向架的等效弯曲刚度和轮对定位刚度的取值往往偏小，一般不大于5NM/m。另外，附加弹性约束有利于提高铁路车辆的临界速度，但会约束转向架轮对的横向位移，因此弹性约束的取值应适当，不宜过高。
二、低能耗转型架的优化设计方法
（一）设计原则
本文提出的低阻力径向转向架，通过优化采用适当的径向机构，在转向架曲线通过性能和蛇形运动稳定性之间取得了较合理的平衡，在保障铁路车辆运行稳定的基础上，在曲线运动时具有低轮轨横向力、低磨耗、低噪音等优点。因此，可以说低阻力径向转向架是环境友好型的转向架。其主要设计原则包括了：
1.径向机构应能有效耦合前后轮对的摇头
所设计的径向导向机构，应使前后轮对的摇头相耦合，使两轮对摇头角度相同而方向相反，以形成八字形为最佳。这样设计主要有三个方面的作用，一是在几何上有利于轮对占径向位置；二是有利于均衡前后轮对的导向力；三是有利于提高转向架的横向稳定性。
2.采用合理的轴箱定位方式和悬挂参数
为更好的满足轮对导向，需要设计较小的轮对纵向定位刚度，从而以尽量降低轮对的摇头约束，因此应采用专门的轴箱体结构及定位方式，使轮对容易实现径向偏转。对相应弹簧和减振器应合理选择参数，并最好通过动力学仿真以优化相关参数。
3.应合理设置间隙，确保轮对径向调节
在该低阻力径向转向架优化设计过程中，其导向机构各关节应合理设置橡胶元件，从而达到改善转向架走行性能的目的。同时，还应设置合理的间隙，使转向架中的电机不会阻碍轮对的径向调整。
4.采用磨耗型踏面，并均衡导向力
低阻力径向转向架最主要的运动特点是通过滑力导向，因此要求铁路车辆的车轮踏面应具有较大的等效锥度，适宜采用磨耗型踏面。另外，还应合理设置径向导向机构，以均衡各轮的导向力，提高转向架的曲线通过性能。
（二）实例应用
目前，低阻力径向转向架在国内外都已经有成功的应用案例。在国外，该类转向架在铁路车辆中的应用，主要有美国通用公司设计的HTCR型、HTCR-Ⅱ型转向架，并从上世纪90年代开始就逐步应用于SD60/70MAC、SD80/90MAC型铁路车辆中。
在国内，目前已成功投入使用低阻力径向转向架的铁路车辆，包括了DF8B内燃机车（见下图）、DF4D内燃机车等。经实践应用表明，DF8B内燃机车通过改装设计该类转向架后，其牵引动力消耗降低了4.5%，轮缘磨耗降低了16%，取得了显著的改进成效。
结论：
本文优化设计提出的低阻力径向转向架，通过优化采用适当的径向机构，在转向架曲线通过性能和蛇形运动稳定性之间取得了较合理的平衡，在保障铁路车辆运行稳定的基础上，在曲线运动时还具有低轮轨横向力、低磨耗、低噪音等多项优点。因此，可以说低阻力径向转向架是当前环境友好型转向架的主要发展方向之一，值得大力推广与应用。
参考文献：
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