文章编号:100227610(2004)0120008205铁道车辆车轮和制动技术的发展趋势Francois Batisse(法)摘 要:介绍了欧洲对铁道车辆车轮和制动性能所进行的改进,探讨了美国货车ECP制动技术在欧洲运用的可能性。
关键词:铁道车辆;车轮;制动;发展中图分类号:U270133;U270.35 文献标识码:BDevelopment T endency of Wheels and Braking on Rolling StockFrancois Batisse(France)Abstract:The improvements made for the rolling stock wheels and braking performance in Europe are de2 scribed1The possibility of application of the ECP braking technology of freight cars in the United States to cars inEurope is discussed1K ey w ords:rolling stock;wheel;braking;development 2001年9月17日—21日,在罗马举行了国际轮轴会议,共有来自29个不同国家的444名车轮专家参加,给所有对铁道车辆感兴趣的人留下了深刻的印象。
事实上,铁道车辆的运行和制动是专业性极强的问题,属于铁路行业的重点研究范畴。
普通人可能认为车轮是一成不变的,没有任何“重新发明”的可能。
而各届国际轮轴大会的交流论文都不公开发表,因此,大部分铁路行业的人员以及专业报刊的读者,并不了解铁道车辆车轮一直在本质上不断进行的演变。
200多年以收稿日期:2003206209来,铁道车辆的车轮并不是一成不变的如同乔治斯蒂芬时代一样,只是“在钢轨上运行的钢轮”(该定义是英语国家对车轮的最原始定义,也用来嘲讽那些妄图改变众所周知的事物的人,即“重新设计车轮”的人)。
但是,专业人员确实在不断地重新设计车轮。
事实上,在谈及高速列车及其舒适性和现代线路时,首先应该提到的是车轮和制动,尤其是速度达到甚至超过300km/h的线路,例如马德里和巴塞罗那联线,以及未来的TGV东欧线。
同时,目前美国正在进行着一场制动革命,而欧洲尚未开始,即对轴重越来越初衷是为了解决轮对的蛇行问题,以提高车辆的临界速度,独立旋转车轮正好为低地板的实现提供了必要条件,这一技术本身目前还不尽成熟。
而城市轨道车辆的稳定性并不是主要矛盾,相对而言曲线通过才是值得关注的问题。
其次,国外的地面有轨电车交通已日益暴露了载客量不足及速度难以提高的问题,城市公共交通运输的根本解决之道是避免线路的平面化交叉,那种与汽车同时在街道路面行驶的有轨交通模式是与这种原则不相符的。
近年来我国的城市轨道交通发展较快,但无论是在系统规划、基础建设、设备选型及运营管理等方面还处于初级阶段,既面临着认识不深、缺乏经验的不足,同时又具有可以直接采用最新技术、避免走弯路及起点高的优势。
参考文献:赵云生 校重、速度越来越快的长达2000多米的货车进行电子制动。
1 第一届“制动和轮对”国际会议在计划举行的下一届2004年华盛顿世界大会之前,2001年6月13日—14日,由L E RA IL杂志社发起举行了第一届“制动和轮对”国际会议,这次会议对了解高速以及货运的发展情况起到了不可否认的作用。
由于欧洲宣布要通过加大列车长度、改善制动装置,使货运量翻一番,以维持其货运市场份额,因此,欧洲委员会对货运方面的问题尤其关注。
本次会议的各项议题使得来自各方面的专家能够了解到一些先进的技术、研究课题,以及日本、欧洲、美国、俄罗斯和巴西等国客户的需求。
2 车轮的主要发展轨迹铁路以及车辆的基础部件例如车轮,无一例外地在稳步发展着,不断满足客户提出的快速、安全、舒适性要求和铁路经营者的运输需要。
当然,不可否认现有的主要系统如制动,一个世纪以来并没有从根本上发生改变,资料的主要部分可以追溯到1870年。
但是在改善运行机构的全球化浪潮下,制造商和铁路经营者近期对车轮进行的改革表现在以下5个方面:(1)提高由于车轮问题引起的行车安全性一直是主要问题;(2)车轮形状和质量设计最佳化;(3)考虑到环境保护问题,降低列车车轮在市区的噪声;(4)延长车轮使用寿命一直是热门话题;(5)提出了控制制造成本问题。
211 提高安全性是主要问题为了确保高速和重载运输的车轮达到最大安全性,车轮应具备2种特性:一方面,系统控制的车轮包含的特性同时避免了踏面缺陷的出现和轮缘断裂的危险;另一方面,材料的高韧性增加了钢的断裂韧性。
这就是车轮制造商Valdunes提出的用高韧性、低应力新型钢轮,即VMS(Valdunes山区制动安全)代替国际铁路联盟研究实验局(ORE)或欧洲铁路研究所(ERRI)的欧洲车轮,使车轮裂纹的危险几乎降到零,用超声波无损检测技术探测轮缘内部的疲劳缺陷。
这些无损检测方法结合新的制造建议已经纳入欧洲标准委员会(CEN)标准,不久就会执行。
212 车轮形状和质量的设计及最佳化车轮供货商不再只是为以前的车辆公司和制造商进行来料加工。
技术的改进和全球化使得所有车辆供货商都关注本行业的发展,并开始设计自己的产品,将产品与特定的技术背景集合,同时致力于闸瓦托/车轮和车轮/转向架的力偶矩研究。
对于在坡道上保持恒速制动的问题,尤其是货车,国际铁路联盟(U IC)预先研究制定了车轮定尺寸标准,也就是前面提到的Val2 dunes的VMS车轮。
该车轮制动时翘曲少,能量耗散好,而且残余应力也大大减小了。
直径为730mm～920mm的VMS车轮用于集装箱货车和活动车厢车,在阿尔卑斯山区25‰的坡度上以70km/h～120 km/h的速度运营,转向架配备ERRI轮轴和VMS车轮,轴重可以达到18t～25t。
车轮本身能达到最适宜的质量,例如,欧洲之星列车的轮重减小了5%～10%,由于车轴钻孔甚至减小了10%～15%。
机械和热的最佳化设计可以改善货车传统的闸瓦制动,使轴重由2215t增加到25t,在加拿大和澳大利亚甚至达到30t或34t。
然而,尤其是在有第一批高速列车的铁路公司,出现并一直存在减轻轴重的问题,由于目标是要在添加车辆部件的同时逐步降低列车的载荷,主要是车轮和车轴,以便在不超过轴载荷极限的情况下增加运输能力。
日本的车轮直径降到910mm～800mm,车轴镂空,这样,J R东日本公司在进行STAR21列车试验时,轴重只有1015t,是最轻的高速列车世界纪录。
J R东日本公司的E4系双层郊区高速列车,车速达到240 km/h,每列车有1634个座席,由2列8节车厢的列车组成,轴重只有16t。
法国的TGV Duplex列车由于是双层结构,在不延长列车的情况下,增加了40%的座席数,而轴重不超过17t。
213 环境保护列车在通过市区时,车轮产生的噪声包括最高可达100dB或110dB的嘎吱声和轮轨相互作用时产生的滚动噪声。
铁路噪声问题有多种类别:由于轮轨接触表面的凹凸不平使轮轨相对位移,由此产生的噪声;车轮和轨道的振动以及振动产生的辐射面积等。
但是在轮辋凿出的凹槽处插入一个不锈钢环形件,嘎吱声就会降低;用合成闸瓦代替铸铁闸瓦、对准钢板和轮缘重心优化车轮形状,以及在钢板两面安装隔音板,都会降低滚动噪声。
这些方法都能降低滚动噪声6dB～10dB,即共降低噪声20dB～25dB。
由于日本新干线列车的噪声问题,使列车在20年间通过名古屋市区的车速限制在200km/h,直到将噪声降低了10dB或20dB。
由于沿线居民无法忍受噪声,1997年巴黎紧急调整了180辆严重磨耗的RER C 列车车轮。
214 延长运营寿命目前,不同材料的使用寿命各不相同,在吸取经验教训的同时,一直在努力延长使用寿命。
法国货车车轮的运营寿命保持在70万km左右,而TGV列车的运营寿命在250万km左右。
这在20年以前根本无法想象。
但是能够影响使用寿命的因素很多,例如,运营缺陷、材料性能、重新进行剖面加工的方法等。
因此,替换磨耗件与购买新件的费用相同,由于替换品的使用价值应列入资产经营负债表,车辆的替换作业和停运会损害到车辆成本的控制。
215 生产成本的控制和全球化在不可避免的全球化大环境和制造商之间竞争日趋激烈的情况下,车轮成本的控制成为不可回避的问题。
车辆购买者的要求没有降低,反而导致了不同类型车辆制造商之间的系统竞争。
但不管怎样,车轮供货商或多或少地推进了车辆制造系统的一体化,车轮和其他车辆制造商之间加紧了联系,表现在制造场地由一个集团到另一个集团,甚至一个洲到另一个洲的重新购买和交易。
瑞典Lucchini符合瑞典L KAB矿区铁路的南非新型货车,可以提供整体铸造车轮,用微量合金经过冷处理的轮毂,保证了材料在低温下的使用寿命,欧洲重载列车的轴重可以达到30t。
3 法国和日本运营的大部分高速列车的速度已经达到了300km/h,不久后,西班牙正在建设的马德里—巴塞罗那高速线以及TGV东线将投入运营,列车速度可达320km/h,这就要求不断改善高速列车的制动性能,而且法国国营铁路和阿尔斯通公司预计未来的TGV N G列车的速度可达350km/h甚至360km/h。
应当注意到面临的主要技术问题以及根据列车的运营经验和样车试验得出的一些解决方法,考虑到信号类型和大的坡度,高速问题中最突出的是线路上需要遵循的制动性能问题。
311 TGV列车制动性能的改进除配备与接触网电压无关的电阻制动的所有法国国营铁路TGV列车外,在2001年6月TGV地中海线开通之前,有20年运营历史的TGV东南线列车用合成闸瓦代替动力转向架的铸铁闸瓦,并为非动力转向架配备钢盘和粉末冶金闸片。
速度为300km/h的TGV大西洋线和PB KA四国联运列车的制动装置也进行了同样的改进。
速度为320km/h的TGV R列车的动力转向架也采用了合成闸瓦,非动力转向架配备了钢盘和粉末冶金闸片。
速度为320km/h的TGV Duplex动力转向架的每个轴上有一个车轮带有钢盘和粉末冶金闸片,而非动力转向架有钢盘和粉末冶金闸片。
除TGV东南线不配有制动试验装置(EFAS)外,所有的TGV列车都同时配有EFAS、防滑装置(AE2NRE)和U IC2FEP即电空制动装置。
列车行车间隔的特性确定了TGV列车按照线路、路机传输信号(TVM)的型式应有的制动性能。
TVM300方式下的TGV大西洋线列车在长2000m的平直道路段,正常制动距离为5×2000=10000m,列车间隔4min。
TVM430方式下,TGV R、Duplex和PB KA在1500 m的线路区段上,正常制动距离为5×1500=7500 m,列车间隔3min。