一、轉(zhuǎn)向架簡介

轉(zhuǎn)向架是軌道交通車輛結(jié)構(gòu)中的重大核心部件，占整車重量的40%。它好比是我們?nèi)祟惖碾p腿，對于軌道交通車輛的運(yùn)行有著不可替代的意義。性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)向架上的各種參數(shù)直接決定了車輛的穩(wěn)定性和車輛的乘坐舒適性。轉(zhuǎn)向架構(gòu)件及各部件參數(shù)是否合理，直接影響車輛運(yùn)行品質(zhì)，動(dòng)力性能和行車安全。

轉(zhuǎn)向架主要作用：

1、采用轉(zhuǎn)向架可增加車輛的載重、長度與容積、提高列車運(yùn)行速度。

2、保證在正常運(yùn)行條件下，車體都能可靠地坐落在轉(zhuǎn)向架上，通過軸承裝置使車輪沿鋼軌的滾動(dòng)轉(zhuǎn)化為車體沿線路運(yùn)行的平動(dòng)。

3、支撐車體，承受并傳遞從車體至車輪之間或從輪軌至車體之間的各種載荷及作用力，并使軸重均勻分配。

4、保證車輛安全運(yùn)行，轉(zhuǎn)向架相對車體可自由回轉(zhuǎn)，能靈活地沿直線線路運(yùn)行及順利地通過小半徑曲線。

5、安裝了彈簧減振裝置，保證車輛具有良好的減振特性，以緩和車輛和線路之間的相互作用，減小振動(dòng)和沖擊，減小動(dòng)應(yīng)力，提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性。

6、充分利用輪軌之間的粘著，傳遞牽引力和制動(dòng)力，放大制動(dòng)缸所產(chǎn)生的制動(dòng)力，使車輛具有良好的制動(dòng)效果，以保證在規(guī)定的距離之內(nèi)停車。

二、轉(zhuǎn)向架發(fā)展歷程

轉(zhuǎn)向架多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度鋼、耐候鋼制造。今年來，隨著軌道交通裝備設(shè)計(jì)要求（如節(jié)能、環(huán)保等）的提高，軌道交通裝備必須不斷提高品質(zhì)以減少列車運(yùn)行能耗。減輕軸重、節(jié)能降耗是軌道交通裝備的重要發(fā)展方向之一，其關(guān)鍵途徑就是實(shí)現(xiàn)輕量化。

相比鋁合金等輕質(zhì)金屬材料，碳纖維復(fù)合材料以其輕量化、高強(qiáng)度、高耐候的優(yōu)異綜合性能，及在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，成為解決軌道交通裝備輕量化問題的最佳選擇。

2.1 國外應(yīng)用情況

早在1985年，德國就利用玻璃纖維生產(chǎn)了設(shè)計(jì)速度200 km/h的HLD_E轉(zhuǎn)向架，接著日本在1989年生產(chǎn)了第1個(gè)CFRP轉(zhuǎn)向架，之后法國、英國均進(jìn)行了相應(yīng)的輕量化設(shè)計(jì)。

圖 世界第一臺(tái)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架（德國）

德國聯(lián)邦鐵路MBB公司研制了用于城市間高速列車的碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，使用了碳纖維、玻璃纖維和芳香族聚酰胺。原車整體組件重5.4t，僅轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由鋼改為碳纖維復(fù)合材料，整體重量降至4.4t ,減輕幅度25％，并且其性能優(yōu)異，具有裂紋擴(kuò)散速度慢、消聲性能好、幾何尺寸誤差小等特點(diǎn)。

圖 日本復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架

2014年，日本川崎重工研發(fā)世界首個(gè)CFRP（增強(qiáng)碳纖維）構(gòu)架和懸掛功能的轉(zhuǎn)向架efWING。在研發(fā)efWING時(shí)，川崎重工利用CFRP代替鋼材來作為構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)，且在無需傳統(tǒng)的螺旋彈簧的條件下具有懸掛元件的功能，從而成功地開發(fā)了將彈簧功能集成化的結(jié)構(gòu)簡單和輕量化的轉(zhuǎn)向架。與傳統(tǒng)的鋼制構(gòu)架相比，重量降低約40％，相當(dāng)于每車減900kg,這一顯著的減重效果提高了能源的利用率并降低了二氧化碳的排放。efWING目前已在美國交通技術(shù)中心（TTCI）進(jìn)行了4500km的線路運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明運(yùn)行中滿足安全性要求且性能穩(wěn)定，特別是弓形的CFRP構(gòu)架能夠具有懸掛元件的功能從而將載荷穩(wěn)定地傳遞至鋼軌，在改善運(yùn)行平穩(wěn)性的同時(shí)降低脫軌風(fēng)險(xiǎn)，由于軌道不平順而引發(fā)的輪重減載率只有先前的一半左右。

圖 英國復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架

由ELG Carbon Fibre（英國科斯利）和哈德斯菲爾德大學(xué)鐵路研究所共同發(fā)布合作伙伴開發(fā)的CAFIBO軌道轉(zhuǎn)向架，采用了碳纖維回收材料再利用及3D打印技術(shù)。新型CAFIBO轉(zhuǎn)向架比常規(guī)轉(zhuǎn)向架輕，并優(yōu)化了垂直和橫向剛度。該轉(zhuǎn)向架通過減少軌道上的垂直和橫向載荷來減少軌道磨損和基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)成本，通過嵌入式健康監(jiān)控系統(tǒng)提高可靠性和運(yùn)營可用性，減少了能源消耗。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

復(fù)合材料在國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展迅速。

2018年9月，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展上，中車四方股份公司正式發(fā)布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。CETROVO設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)指揮丁叁叁介紹，與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料的地鐵車輛相比，CETROVO的車體、司機(jī)室、設(shè)備艙分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車減重13%。這意味著它的節(jié)能可達(dá)到多少？團(tuán)隊(duì)給出了令人興奮的答案：15%。CETROVO的面世證明了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展。

2021年9月，中車集團(tuán)在中國軌道交通工業(yè)140周年峰會(huì)現(xiàn)場發(fā)布了新型都市快軌列車。該列車的轉(zhuǎn)向架顛覆了傳統(tǒng)軌道車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)思路，在國際上首次推出了“全裝配無焊接、多級剛度撓性構(gòu)架”全新設(shè)計(jì)理念，較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架重量減輕25-40%，車輛運(yùn)行能耗減少15%以上，輪軌磨損降低30%以上，噪聲降低2-3DB，全生命周期成本降低15%以上。該轉(zhuǎn)向架集36項(xiàng)國家發(fā)明專利于一體。

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用的范圍會(huì)越來越廣。

三、復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架之國際快訊

近日，西班牙機(jī)車車輛制造商TALGO公司發(fā)布消息稱，在Avril 高速列車上使用碳纖維增強(qiáng)聚合物代替鋼材料，在不損失結(jié)構(gòu)完整性的情況下將列車轉(zhuǎn)向架重量減輕50% 。這不僅能降低能源消耗，并且能增加每輛列車的載客量。

TALGO表示，這種新型復(fù)合材料還完全符合鐵路行業(yè)最嚴(yán)格的火災(zāi)煙霧毒性標(biāo)準(zhǔn)。截止目前， TALGO已根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn) CSN EN 13749 完成了復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的全面測試，涵蓋了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的所有結(jié)構(gòu)要求。涉及了超過1000萬次循環(huán)的靜態(tài)和疲勞測試，檢查后報(bào)告顯示沒有任何重大損壞。接下來TALGO將要進(jìn)行整體輪對轉(zhuǎn)向架在軌道上的測試，使其在真實(shí)條件下運(yùn)行以達(dá)到最終驗(yàn)收目的。

歐盟通過Shift2Rail倡議支持這一發(fā)展。TALGO表示，復(fù)合材料還可用于減輕城際和通勤車輛的重量，從而可能增加載客量、簡化裝配過程、減少能源消耗和軌道磨損。