日本地铁窄轨新径向转向架的开发

2018-05-28苏晓声

现代城市轨道交通 2018年5期

为了解决地铁线路小半径曲线多和曲线超高递减率低，造成轮轨噪声、轮缘磨耗等问题，东京地铁在银座线1000系车辆上采用SC101型径向转向架，已经确认在标准轨距线路上径向转向架的曲线通过性能得到改善。

本文以窄轨径向转向架开发为目的，评估其在实际车辆上的运行性能，介绍试制的窄轨径向转向架概要、使用该径向转向架的东西线15000系现车试验结果。基于上述成果，日比谷线新造13000系车辆安装了批量生产的SC103型径向转向架。

1 径向转向架的研制

地铁线路由于建设上的制约，多有小曲线和超高递减率低的曲线，造成大的横压、轮轨噪声、轮缘磨耗、超高递减段轮重变化的问题。作为这些问题的对策，东京地铁开展了刚性轴箱支撑、空气弹簧悬挂的最佳化、摇枕转向架的进一步研究，开发摩擦调整材料喷射装置等措施，并趋于实用化。

为进一步解决好上述问题，东京地铁与新日铁住金公司一起，开发仅在车辆中间的车轴转向的标准轨径向转向架样机——FS576型转向架。

FS576型转向架外观见图1，转向轴的配置见图2。

图1 FS576 型径向转向架

图2 转向轴与非转向轴的配置

已经确认，试制的径向转向架曲线通过时横压、噪声降低、轮缘磨耗减少。基于评估结果，针对银座线1000系车辆的转向架，设计了图3所示的SC101型径向转向架。2012年4月开始投入营业运行，已经确认了这种径向转向架有良好的曲线通过性能。

图3 SC101型径向转向架

在标准轨银座线径向转向架曲线通过性能改善的基础上，开发窄轨用径向转向架，试制窄轨径向转向架，并进行了现车性能评估。

本文报告试制的窄轨径向转向架概要、东西线15000系现车试验的结果。基于上述成果，介绍日比谷线新造13000系车辆安装的批量生产的规格为SC103型径向转向架运营情况。

2 径向转向架的概要

径向转向架因有转向装置，改善了轮轴的转向状态，使横压降低。下面将横压降低的机理、与一般转向架曲线通过状态的比较，做一说明。

2.1 普通转向架

普通转向架在通过曲线时的转向状态如图4所示。

普通转向架转向不足，原因是，转向架前轴（前转向架的第1轴、后转向架的第3轴）产生冲角，第1轴横向爬行力增加；后轴（前转向架的第2轴、后转向架的第4轴）处于轨道中心附近位置，轮径差不足，后轴有纵向爬行力（切线力）的作用。这2种力对转向架产生反径向的作用，使得接触轮缘的前轴产生大的横压。

图4 曲线通过时普通转向架的状态

2.2 径向转向架（前转向架）

在单轴径向转向架（前转向架），曲线通过时后轴转向的状态如图5所示。

运行方向前侧转向架，转向产生冲角，对第2轴产生向外轨的横向爬行力，第2轴向外轨移动。这样，轮径差的不足得到缓解，第2轴纵向爬行力减少。而且，由于第2轴向外轨的移动，转向架转向不足向径向转向的态势变化。其结果是，不直接转向的第1轴的冲角减小，第1轴的横向爬行力减少。随着第2轴纵向爬行力和第1轴横向爬行力的减少，抑制径向移动的扭矩减小，第1轴外轨的横压降低。

图5 曲线通过时径向转向架状态（前转向架）

2.3 径向转向架（后转向架）

在单轴径向转向架（后转向架），曲线通过时后轴转向的状态如图6所示。

行进方后侧转向架，对前轴第3轴转向，减小了冲角。这样，第3轴的横向爬行力减小。结果是，第3轴外轨的横压降低。

图6 曲线通过时径向转向架状态(后转向架)

3 试制的窄轨径向转向架

3.1 试制的窄轨径向转向架构成

试制的窄轨径向转向架的装车及其构成、参数如图7、图8和表1所示。

与2轴径向相比，单轴径向转向架的非转向轴是M轴，即动力轴，有抑制转向架重量增加、便于制造和维护的好处。

图7 15000系01车（左）和试制的径向转向架（右）

图8 试制的径向转向架的构成

表1 试制的径向转向架参数

这样，试制的窄轨转向架与SC101型一样，车辆端部的轮轴（第1轴、第4轴）是非转向轴，位于车体中间的轮轴（第2轴、第3轴）是转向轴，采用1台转向架中仅1轴转向的单轴径向操控方式。并且，试制的径向转向架安装在15000系的拖车（T车）上，转向轴、非转向轴都是非动力轴（T轴）。

而且，车辆端部的第1轴、第4轴非转向轴轴箱支撑采用原有的单连杆方式，转向装置是连杆维系摇枕和轴箱的结构，这与SC101型是一样的。另一方面，试制的窄轨转向架与SC101型的不同点列在表2。为了适应最高速度的提升、车长增加伴随的轴重增加，轴距有所扩大，提高了转向装置的强度，盘形制动由每轴1个增加到每轴2个。

表2 线路要求规格的比较

3.2 窄轨径向转向架速度提高

这次试制的窄轨径向转向架的最高运行速度要求比SC101型径向转向架高出30km/h，加之标准轨变为窄轨的轨距减少，就产生了直线运行稳定性问题。为此，试制的窄轨径向转向架的轴距由2000mm增加到2100mm，并用动力学软件SIMPACK做了模拟的可行性验证（图9）。

图9 试制的窄轨径向转向架

模拟的一个结果是，在蛇行摇摆临界速度上，径向转向架要比普通转向架低。超过临界速度时两车轴转向架的蛇行摇摆状态见图10。由图10看出，径向转向架由于转向装置的作用，蛇行摇摆的波长减小了。可认为是受此影响，径向转向架蛇行摇摆的临界速度降低了。

图10 径向转向架与普通转向架的蛇行摇摆状态

根据采用的模拟确认，试制的径向转向架的蛇行摇摆限界速度大于200km/h。这就表明，对于要求110km/h最高速度运行的稳定性是没有问题的。进而，旋转试验机上实机速度达到了200km/h，也确认110km/h时还未发生蛇行摇摆的情况。

4 现车试验条件和结果

4.1 现车试验条件

为了评估这次试制的径向转向架，在东京地铁运行速度最快的东西线上进行了试验。在东西线15000系车辆上按图11安装了试制的径向转向架，径向转向架按条件运行后，为了比较，取下转向装置，安上单连杆，以普通转向架的条件在同一区间运行。整理出两者的结果。

图11 现车试验时的条件

4.2 曲线通过性能的评估

在采用径向转向架和普通转向架情况下，通过最小曲线时的横压波形见图12。线路曲线参数如表3所示，这是曲线半径为117m、167m组合的一段复合曲线。从结果可以确认，相对普通转向架，径向转向架第1轴外轨的横压降低。

图12 第 1 轴外轨横压波形

表3 曲线参数

还进行了营业线正常速度运行时各圆曲线内第1轴外轨横压的比较、第2轴轴箱支撑连杆荷载的比较，如图13、图14所示。

图13 不同曲线半径与第 1 轴外轨横压的关系

从图13看出，不论曲线半径大小如何，径向转向架比普通转向架的第1轴外轨横压都要小。原因之一，如图14所示，第2轴轴箱支撑连杆的荷载（相当第2轴纵向爬行力），在不同曲线上也都是径向转向架要小，抵制转向的力矩减小，这与横压降低有关。

图15表示出第1轴冲角和曲线半径的关系，得到在各种曲线上都是径向转向架冲角小的结果。这是由于转向作用，后轴向外侧移动，转向架形成径向的状态，可认为是第1轴冲角减小的原因。

从这些现车试验的结果，得到图16所示的前转向架后轴转向的设计概念，可产生前轴侧外轨横压降低的效果。

4.3 乘坐舒适性的评估

在70～95km/h高速运行区间，车体地板面左右振动加速度和乘坐舒适水平的波形比较见图17。

图15 不同曲线半径与第 1 轴冲角的关系

图16 单轴径向转向架（前转向架）设计概念

图17 车体地板面左右振动加速度和乘坐舒适性水平

与前述模拟相同，径向转向架高速运行时也很稳定，确认了径向转向架与普通转向架有同等的乘坐舒适性。

5 营业线评估试验结果

基于现车试验的良好结果，2013年9月，试制的径向转向架安装到15000系1辆车上（2个转向架），开始在营业线上进行长期评估试验。在营业线投入运用已经有近4年时间，保持着良好的运行性能。

其中的一个结果是，图18所示为15000系试制的径向转向架与同一编组的普通转向架的车轮磨耗情况，图19是车轮位置编号。从图18确认，在轮缘磨耗量上，试制的径向转向架比普通转向架整体平均降低约60%。

6 日比谷线 13000 系SC103型窄轨径向转向架

由于试制的东西线径向转向架的现车试验、营业线长期运行试验取得良好结果，在日比谷线新造车辆13000系上安装了批量生产的SC103型窄轨径向转向架。2016年12月，开始在营业线上运行，图20、图21分别是日比谷线13000系车外观和所装SC103窄轨径向转向架的外观。

6.1 曲线通过性能的评估

评估SC103型窄轨转向架的运行性能的一例是在营业线小圆曲线（半径160m、超高76mm、轨距加宽13mm）钢轨上贴应变片，进行同样轴重03系M车与13000系径向转向架车（MT车）第1轴的横压比较。图22横轴是日期时刻、纵轴是第1轴横压的比较，结果确认了径向转向架比普通转向架横压平均减少了35%。