新型轻量化转向架设计

宋丕麟

【摘 要】目前轨道车辆装备制造中大范围应用CFRP材料，本设计借鉴川崎重工“efWING”的设计理念，基于CRH380B转向架进行轻量化设计，将转向架侧梁替换成CFRP板簧以达到轨道车辆减重的目的。

【关键词】轨道车辆；转向架；CFRP；轻量化

中图分类号： U266 文献标识码： A 文章编号： 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

对于轨道车辆来说，车辆轻量化可以改善运行过程中的能耗以降低运营成本，减少二氧化碳排放量，复合材料的使用为轨道车辆的减重提供了一个新的思路，大量的复合材料运用到车体、受电弓等各个部位。转向架减重是车辆减重的一个重要方面，复合材料在转向架上的运用可以极大的减轻轨道车辆的重量以提高轨道车辆的速度和安全性，使得车辆更加绿色环保。

轨道车辆分为车体与转向架（走行部）两大部分。车体因采用铝合金及新型复合材料等材料，已实现了很大程度上的轻量化。转向架采用基于有限元分析等仿真技术，通过薄壁化及减重孔等，实现了轻量化。但是近年来为提高运行性能，以及监控运行状态，在转向架上安装各种减震装置及传感器等多种多样的设备、装置和零部件，质量显著增加。在这种情况下，继续采用基于有限元分析的减重策略，难以实现转向架大幅度轻量化，所以，必须改变减重策略甚至从根本上改变转向架设计思想。

为了防止轨道车辆发生事故，对转向架安全性的要求日益提高，对于各种状态下轮重变化要求越来越高。此外，除了轨道车辆制造行业，装备制造业为了实现装备轻量化，积极探索应用复合材料的途径，以波音公司为首的航空制造业开始积极采用CFRP材料。

从轨道车辆的角度看，转向架是轨道车辆最重要的零部件，近十几年来转向架的设计一直从实际应用出发，即改进现有转向架，但在当前对于转向架轻量化要求越来越严格的情况下，在根本上研究变革转向架的结构及应用新型复合材料，以实现转向架轻量化并提高轨道车辆运行安全性，需要工程师重新思考。

川崎重工于2014年推出新一代转向架“efWING”，该转向架上首次采用CFRP即碳纤维增强复合材料制作的板簧，其对于转向架结构的根本性变革为转向架的发展提供了一种新思路。本设计借鉴川崎重工的设计理念，基于CRH380B转向架进行轻量化设计，以达到轨道车辆减重的目的。

1 传统转向架设计

1.1 转向架功能

转向架由构架、轮对轴箱装置、制动装置、弹性悬挂装置等构成。转向架的功能主要有以下几个方面：

（1）增加轨道车辆的长度、载重和容积，提高运行速度；

（2）将车轮沿轨道的滚动转化为车体沿线路的平动；

（3）支承车体，承受并传递从车体至轮对间或从轨道至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配；

（4）能够沿线路运行及通过曲线；

（5）具有良好的减振特性，提高轨道车辆运行稳定性和安全性；

（6）利用轮轨之间的粘着，传递牵引和制动力，放大制动缸产生的制动力，使轨道车辆具有良好的制动效果。

1.2 转向架种类

转向架按结构可分为三大件式和构架式；按轴数可分为两轴、三轴和多轴；按照轴箱定位方式可分为导框式定位、干摩擦导柱式定位、拉杆式定位、拉板式定位和转臂式定位等。

1.3 传统转向架缺陷

无论哪种传统转向架的设计，都具有以下特点：

（1）都采用H形的主构架；

（2）车轴支撑方式大多采用轴梁式，少数采用连杆式；

（3）车轴一系悬挂采用圆柱钢弹簧+油压减震器的方式；

（4）二系悬挂采用空气弹簧的方式；

（5）在此基础上演化出多种的不同类型，包括有摇枕、无摇枕、无摇枕附带抗蛇行减震；甚至加装摆式设备等等。

为了保证列车运行的安全，转向架的H型主构架是转向架中质量相当大的一个部分；而且这一部分重量是只经过一次悬挂进行避震的，在运行时这一部分通过车轮对于轨道会形成巨大的冲击力，使得铁路需要进行频繁的养路作业。

基于这种范式的设计进行革新，使用碳纤维复合材料（CFRP）这种高性能材料，将其一次成型，做成弓形的板状复合材料弹簧，将转向架H形主构架侧梁的功能和一系悬挂的功能整合到一起。

2 新型转向架设计

基于以上设计思路，将CRH380B的侧梁换成CFRP材料板簧，同时转向架其他部分进行相应的适配性修改。

3 结论

（1）新型轻量化转向架设计实现了转向架的轻量化；

（2）新型轻量化转向架设计提高了轨道车辆的速度及安全性；

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