从专利角度浅谈径向转向架发展.pdf
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1、60世界轨道交通技术与应用TECHNOLOGY AND APPLICATION2023.8从专利角度浅谈径向转向架发展 林森径向转向架有着近百年的发展历史,但在实际应用中并没有大范围推广应用,其技术发展始终不温不火。通过研究、分析径向转向架专利布局,从专利的角度反映径向转向架发展,寻找径向转向架专利布局的一些特点和问题,为后续研发及专利布局提供依据。径向转向架发展历程径向转向架在铁路曲线上运行时,通过使轮对经常位于曲线半径上,从而减少车轮与钢轨冲角,降低轮轨之间的磨耗,消除空载车辆车轮爬上钢轨造成脱轨的可能。直线运行时,使轮对经常沿轨道中心运行,提高车辆蛇行运行的临界速度,减少轮轨磨耗。货车径
2、向转向架分为自导向径向转向架和迫导向径向转向架。自导向径向转向架通过释放前后轮对的摇头约束,利用轮轨蠕滑力实现导向。迫导向径向转向架则通过与车体相连的径向机构,利用车体相对构架的转角使前后轮对呈径向排列。国外径向转向架发展历程上世纪30年代,德国人和瑞士人提出了径向转向架设计理念,并设计出最早的径向转向架装车试验,取得了一定的效果。但鉴于当时材料和制造水平的限制,以及人们对轮对蠕滑理论的有限认识,径向转向架发展较为缓慢。直到1967年荷兰现代轮轨粘着理论开拓者J.J.Kalker博士论文发表后,人们才真正对轮轨之间蠕滑的相互作用有了认识。上世纪70年代后,随着制造水平及理论水平的提高,对径向转
3、向架的系统性研究开始得以发展。最先投入广泛运用的是德籍南非人Herbert Scheffel,于上世纪70年代初发明了货车径向转向架。这种以其名字命名的径向转向架基于传统的货车三大件转向架,采用对角斜支撑将两个U形副构架相连接,U形副构架将同一轮对上的两轴箱连接在一起,以确保直线运行时两轮对的横向和纵向的可靠定位,以及曲线上轮对沿曲线半径方向的相对自由转动。为提高导向能力,轮对采用等效斜率相对较高的磨耗形踏面,转向架的侧架通过橡胶垫支承于轴箱上,以保证轮对与侧架的弹性定位。试验和运用表明,该转向架同传统的三大件转向架相比增加了一系悬挂,有效降低了簧下质量,其运行品质得到显著改善,最高运行速度由
4、原来的80km/h提高到120km/h,并于1976年开始批量生产并大量投入运用。上世纪90年代末,Scheffel针对传统的货车三大件转向架抗菱刚度小的特点,提出对既有三大件转向架改造的简化径向转向架方案。该方案通过径向臂及限力装置来提高转向架的抗菱刚度和增加轮对径向作用,有效地提高了三大件转向架运行品质,并在我国成功地进行了线路动力学试验。美国铁路工程协会List提出的Dresser DR-1型转向架方案是在传统的货车三大件转向架的基础上,将两个U型导向臂分别固接于承载鞍上,并通过摇枕上的一个孔连接起来,以提供轮对间的摇头角,确保转向架稳定运行和导向作用。该转向架在承载鞍与侧架间设有橡胶垫
5、,以提供一系悬挂并使轮对有足够的纵向位移,确保轮对能趋于曲线的径向位置。该转向架在北美铁路上进行过大量的线路试验,但至今未能投入批量生产。由英国Scales和美国Devine公司联合研制的Devine-Scalas径向转向架采用焊接刚性构架和迫导向的模式,通过导向杠杆系统将车体和转向架间的回转角度传给轮对,使轮对在曲线上能趋于径向位置。除上述的货车径向转向架外,还有英国的Cross-braced等几种货车径向转向架。国内径向转向架发展历程1994年,我国以Y25型转向架为原型,根据我国货车转向架运用的实际情61技术与应用TECHNOLOGY AND APPLICATION况,研制了一种米轨焊接
6、构架自导向径向转向架。该转向架采用H型构架、两级刚度轴箱弹性弹簧、双侧利诺尔减震器、弹性旁承、径向机构和滑槽式单侧制动装置,最高运行速度为100km/h,轴重12t。径向机构由2个U形副构架体通过2根径向杆交叉销接而成。1996年8月该转向架配装于N31型平车,在昆明铁路局开远车辆段进行了运用考验,运行7万公里后测得轮缘磨耗量为0.2mm-0.9mm,初步验证了其在山区小半径曲线上减小轮缘磨耗的技术特点。该转向架是我国研制货车自导向径向转向架的开端,但因焊接转向架不适应我国铁路货车的生产制造水平和运用检修体制,限制了该技术的推广。为适应转8A型转向架提速改造的要求,1999年我国与南非铁路合作
7、,共同研制了世界首台外径向臂自导向径向转向架。该转向架在侧架外部设置了径向臂和限力装置。车辆直线运行时限力装置锁闭,前后轮对纵向连接刚度很大,避免了斜楔摩擦减振器磨耗后转向架抗菱刚度的不足,保证转向架具有足够的稳定性。车辆通过曲线时,限力装置的拉压力达到一定阈值后开始释放,解除了前后轮对的摇头约束,充分发挥了轮对的径向性能,使车辆具有良好的曲线通过性能。1999年-2000年,该转向架配装于C64型敞车、P64型棚车,进行了多次线路试验,效果良好。但是由于该转向架限力器结构复杂,径向臂铸造、加工、装配难度大,且限力器置于侧架外部,与摇枕和中央悬挂弹簧的位置狭小,不利于转向架的组装、分解和检修,
8、没能推广运用。2003年以后,我国引进南非MARK V型26t轴重自导向径向转向架技术,研制了商业运营速度120km/h、轴重25t的转K7型转向架)。转K7型转向架在三大件式货车转向架的基础上改造了侧架结构,增设了轮对径向装置和轴箱橡胶堆。轮对径向装置由2个U形副构架体通过2根径向杆交叉连接而成。2007年-2008年生产了多台转K7型转向架,配装于C80BF、C80CA、C70F型敞车在通用线路进行运用考验。运用40万km后,因轮缘磨耗旋修的车轮仅为2.07%,约为同等轴重非径向转向架的1/3-1/2。为解决转K7型转向架实际运用中承载鞍面磨耗后修复困难的问题,2011年研制了改进型转K7
9、型转向架。改进型转K7型转向架承载鞍系统将U形副构架与承载鞍分离,承载鞍装配于U形副构架体承载鞍导框中,与副构架导框限位凸台间形成纵向、横向间隙。承载鞍顶面通过承载鞍弹性垫实现与U形副构架体的连接,并实现轮对三向弹性定位,传递承载鞍的作用力。当承载鞍磨耗到限时,仅需更换承载鞍,不用分解轮对径向装置。改进型转K7型转向架配装于C70EF型敞车上进行了线路试验。2011年在改进型转K7转向架基础上,又研制了27t轴重副构架式径向转向架。该转向架与改进型转K7型转向架主要变化在于:摇枕、侧架全部实现无焊接设计;各磨耗部位均采用卡入式或紧固件连接的非金属磨耗板,避免了大部件在使用中的磨耗;采用工作形成
10、达16mm的新型V形长行程常接触弹性旁承,提高了旁承体的抗蠕变性能,降低了车辆动力学性能对旁承间隙变化的敏感性。为进一步提高重载车辆的运输经济性,副构架轻量化一直是副构架式径向转向架的一个主要技术方向。2009年以后,在融合北美DR系列和AR系列自导向径向转向架技术以及前期设计运用经验的基础上,研制了以轻量化为目标的新型自导向径向转向架。新型自导向径向转向架采用宽型承载鞍、八字轴箱橡胶堆和传统的侧架导框结构。承载鞍与副构架通过紧固件连接,U形副构架结构得到大幅简化,质量减轻50%。该转向架已在蒙古铁路矿石运输车上成功运用。专利检索及相关专利筛选经过专利初检,补充检索关键词,确定最终检索表达式,
11、检索命中中国专利311件,初筛去重后获得专利262件,通过初步阅读专利文献进一步识别,认为与径向转向架相关的中国专利有186件。经过检索关键词翻译、专利初检,补充检索关键词,确定最终检索表达式,检索命中国外专利279件,通过中国同族、附图、名称和摘要翻译等手段进一步识别,认为与径向转向架相关的国外专利有201件。径向转向架整体专利态势分析以检索筛选的186件国内专利和201件国外专利数据为基础,通过对申请日、优先权、IPC、申请人等信息进行分析和可视化展示,从宏观角度了解径向转向架整体专利布局态势。专利申请趋势分析由图1所示,1970年以前人们就开始62世界轨道交通技术与应用TECHNOLOG
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