周殿買，許東日，徐 芳，舒 友，劉 超，趙文學(xué)，韓慶利

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長春 130062)

我國高速動車組轉(zhuǎn)向架經(jīng)歷了自主研制、技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng)新等過程。隨著交通強(qiáng)國、碳達(dá)峰、碳中和等戰(zhàn)略以及“一帶一路”倡議的提出，高端裝備制造得到大力發(fā)展。面向世界科技前沿，在“十四五”至2035年期間，需要在“裝備一代”和“研制一代”的基礎(chǔ)上，開展“預(yù)研一代”和“探索一代”轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究。

1 我國高速動車組轉(zhuǎn)向架自主研制

我國從1994年開始，通過10余年的時間，研制了20多種動車組。1999年研制的“大白鯊”動車組、2000年研制的“藍(lán)箭”動車組，編組為1動6拖，速度為200 km/h；2001年研制的“先鋒號”動車組，編組為4動2拖，速度為200 km/h；2002年研制的“中華之星”動車組，編組為2動9拖，速度為270 km/h，線路試驗速度為321.5 km/h；2004年研制的“長白山號”動車組，編組為6動3拖，速度為210 km/h[1]。上述動車組轉(zhuǎn)向架的研制主要是在技術(shù)上進(jìn)行探索，通過研究、試制、試驗與運(yùn)用，培養(yǎng)了一大批高速動車組科技人才，積累了豐富數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 高速動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)引進(jìn)

2004年，我國鐵路系統(tǒng)提出了跨越式發(fā)展路線，分別從加拿大龐巴迪、日本川崎重工、德國西門子和法國阿爾斯通公司通過技術(shù)引進(jìn)生產(chǎn)制造了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型動車組，CRH系列動車組轉(zhuǎn)向架如圖1所示。各型動車組轉(zhuǎn)向架的主要差異為固定軸距、構(gòu)架結(jié)構(gòu)、軸箱定位方式、車輪直徑以及有/無聯(lián)系枕梁等，動車轉(zhuǎn)向架安裝有牽引電動機(jī)和齒輪箱組成[2]。動車組轉(zhuǎn)向架在2007年的第6次大提速中開始應(yīng)用，并開啟了我國高速動車組時代。

圖1 CRH系列動車組轉(zhuǎn)向架

3 高速動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)消化吸收

在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國工程技術(shù)人員進(jìn)行了充分的消化吸收，研制了CRH380系列動車組，其中以日系轉(zhuǎn)向架技術(shù)為原型，增加了抗蛇行減振器數(shù)量并優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計了CRH380A型動車組轉(zhuǎn)向架；以西門子轉(zhuǎn)向架技術(shù)為原型，分別集成西門子和日立驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了CRH380B/CL型動車組轉(zhuǎn)向架，各型動車組按照300 km/h速度運(yùn)營。2010年12月，CRH380A型和CRH380B型動車組的線路試驗速度分別為486 km/h和487 km/h?！昂椭C號”動車組提高了運(yùn)行速度，縮短了乘客的旅行時間，成為中國鐵路的知名品牌，得到社會上的普遍贊譽(yù)[3]。

4 高速動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)再創(chuàng)新

2012年我國開始研制中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，主要目的是掌握核心技術(shù)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，使運(yùn)用、操作、維護(hù)界面等形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)國內(nèi)動車組間的互聯(lián)互通。轉(zhuǎn)向架分別以日系和德系技術(shù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)一了車輪直徑、基礎(chǔ)制動和軸箱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了動力學(xué)參數(shù)，創(chuàng)新設(shè)計了電動機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)等，獲得了自主知識產(chǎn)權(quán)。2015年6月，2列中國標(biāo)準(zhǔn)動車組下線，型號分別為CR400AF和CR400BF，線路試驗交匯速度為840 km/h，2017年將其命名為“復(fù)興號”動車組[4]，以350 km/h速度運(yùn)營，中國標(biāo)準(zhǔn)動車組轉(zhuǎn)向架如圖2所示。

圖2 中國標(biāo)準(zhǔn)動車組轉(zhuǎn)向架

5 “一帶一路”跨國互聯(lián)互通變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究

“十三五”期間，我國開展了400 km/h高速動車組技術(shù)研究，突破了變結(jié)構(gòu)走行系統(tǒng)技術(shù)，主要研制了面向俄羅斯等國家的1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架(圖3)和配套的地面設(shè)施。轉(zhuǎn)向架輪對組成中，車輪通過解鎖/鎖緊裝置控制以及地面裝置的配合，能夠在車軸上橫向移動，適應(yīng)不同的軌距尺寸，試驗臺速度達(dá)到600 km/h，技術(shù)水平國際領(lǐng)先；同時面向歐洲和東南亞市場需求，研制了600/1 067 mm、1 000/1 435 mm、1 435/1 676 mm變軌距轉(zhuǎn)向架樣機(jī)[5-9]。

高速動車組變軌距轉(zhuǎn)向架的成功研制，推動了貨運(yùn)車輛變軌距轉(zhuǎn)向架的技術(shù)研究，將進(jìn)一步促進(jìn)中歐(亞)班列的發(fā)展。

圖3 1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架

6 高速動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)展望

6.1 高速運(yùn)輸裝備的發(fā)展

近些年高速運(yùn)輸裝備發(fā)展迅速，如我國和日本的磁懸浮列車，運(yùn)行速度為600 km/h；法國研究的氣墊懸浮列車，運(yùn)行速度為540 km/h；美國研究的膠囊列車以及管道運(yùn)輸列車，運(yùn)行速度可達(dá)到1 000 km/h以上，見圖4。這些高速運(yùn)輸裝備技術(shù)對于輪軌運(yùn)輸來說，是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，已沒有傳統(tǒng)意義上的轉(zhuǎn)向架。

6.2 高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)展望

6.2.1國外高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展

目前輪軌技術(shù)最高試驗速度由法國AGV動車組創(chuàng)造，速度為574.8 km/h，轉(zhuǎn)向架為鉸接式結(jié)構(gòu)；日本新干線ALFA-X高速列車，速度為360 km/h，轉(zhuǎn)向架為傳統(tǒng)的外置式結(jié)構(gòu)；德國西門子公司研制的Velaro Novo高速列車，速度為360 km/h，轉(zhuǎn)向架為輕量化的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，底部實現(xiàn)了包覆以降低運(yùn)行阻力。

6.2.2內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)

內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架是指軸箱體、軸承和一系懸掛等部件安裝在車輪內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)向架，與傳統(tǒng)的外置式轉(zhuǎn)向架相比，主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、外形尺寸小，易實現(xiàn)包覆以降低運(yùn)行阻力，車軸的受力狀態(tài)好(圖5)；缺點(diǎn)是安裝空間小，軸承拆裝難，一系橫向跨度小，抗側(cè)滾能力弱。龐巴迪公司研制的內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架已批量生產(chǎn)，最高速度為250 km/h；西門子公司研制了360 km/h內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架，如圖6所示。我國內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架主要應(yīng)用在低速領(lǐng)域。

圖5 內(nèi)置式與外置式轉(zhuǎn)向架輪對受力圖

圖6 內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架

6.2.3我國高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)展望

面向“十四五”時期，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司制定了“CR450科技創(chuàng)新工程”計劃，研發(fā)更高速、更安全、更環(huán)保、更節(jié)能、更智能的時速400 km、軸重14.5 t動車組，建立設(shè)計、制造、試驗、評估、運(yùn)用、檢修維護(hù)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，鞏固我國高速列車世界領(lǐng)先、領(lǐng)跑優(yōu)勢。除傳統(tǒng)的外置式轉(zhuǎn)向架外，同時開展輕量化內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究，重點(diǎn)考慮輪軌關(guān)系、優(yōu)化轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)等，保證動車組動力學(xué)性能并降低轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架需要重點(diǎn)研究解決一系定位和懸掛技術(shù)，采用轉(zhuǎn)臂式定位+上置彈簧方案(圖7)，垂向、縱向、橫向的受力可實現(xiàn)解耦，振動傳遞率低，是高速動車組轉(zhuǎn)向架成熟且廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。為減少橫向空間占用，一系懸掛可采用板彈簧結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖7 一系定位和懸掛裝置

圖8 一系懸掛板彈簧結(jié)構(gòu)

6.2.4高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)構(gòu)想

在2030～2035年期間，目前運(yùn)用的動車組將逐步進(jìn)入壽命終期，需要研制更高速、更安全、更智能、更環(huán)保、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更友好并具有明顯代際特征的動車組。在轉(zhuǎn)向架方面重點(diǎn)體現(xiàn)為：一是線路試驗速度突破600 km/h；二是軸重小于13 t；三是產(chǎn)品具有代際特征。

(1) 速度方面：軸箱軸承可考慮采用球軸承或非接觸軸承技術(shù)；驅(qū)動系統(tǒng)采用直線電動機(jī)或永磁直驅(qū)技術(shù)；基礎(chǔ)制動采用盤/盤結(jié)構(gòu)(圖9)，減小空間利用，降低質(zhì)量，充分利用輪軌黏著。

(2) 輕量化方面：轉(zhuǎn)向架設(shè)計結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置式；構(gòu)架側(cè)梁采用復(fù)合材料并集成一系彈簧功能或整個構(gòu)架采用復(fù)合材料或鈦合金等[10-12]，如圖10所示；各個承載部件采用拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行優(yōu)化減重；輪對采用無軸箱體雙軸結(jié)構(gòu)[13]，如圖11所示。

(3) 轉(zhuǎn)向架代際特征：結(jié)構(gòu)的改變、技術(shù)的突破和低密度材料的應(yīng)用，尤其是輪對的創(chuàng)新設(shè)計，使得未來高速動車組轉(zhuǎn)向架將具有明顯的代際特征，為實現(xiàn)“雙碳”作出突出貢獻(xiàn)，開創(chuàng)高速動車組轉(zhuǎn)向架的新紀(jì)元。

圖9 盤/盤基礎(chǔ)制動結(jié)構(gòu)

圖10 復(fù)合材料側(cè)梁和構(gòu)架

圖11 無軸箱體雙軸輪對

7 結(jié)束語

交通強(qiáng)國、鐵路先行，鐵路科技工作者需要守初心、擔(dān)使命，堅持創(chuàng)新驅(qū)動，在高速動車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)領(lǐng)域，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、顛覆性創(chuàng)新技術(shù)研究，打造轉(zhuǎn)向架原創(chuàng)技術(shù)策源地。