支持转向架和轮对发展的创新

距离你上次为《全球铁路评论》撰写关于你参与的三个创新项目的文章已经过去两年了。我们可以先回顾一下这些项目是如何开始的吗?

当然。RSSB2016年推出了一项车辆动力学竞赛。获胜者获得了来自运输署(DfT)在此基础上，行业利益相关者也贡献了资源和资金。获奖项目旨在利用航空航天和汽车等其他行业的技术。当我在2018年加入RSSB时，我被要求担任这些已经在进行中的项目的技术领导。

但你的工作头衔没有提到动力?

真的!在我职业生涯的大部分时间里，车辆结构一直是我的主要专业领域，我已经在防火和材料性能方面工作了大约十年。然而，我在车辆动力学和轮轨接口管理领域有广泛的工作经验。我坚定地相信铁路作为一个系统(抵制把东西放在竖井里的倾向)，我相信许多人会同意结构和动态性能是互补的。此外,车辆RSSB的标准团队相对较小;因此，我们必须平衡我们的技能和我们的可用性，提供一个扩展我们的专业知识的良好环境。

我还被任命为2020年欧洲转向架标准工作组的召集人(CEN/ TC 256/SC 2/WG 13)。该小组由来自欧洲各地的专家组成，代表制造商和运营商，我们目前正在修订转向架系统设计标准EN 15827和转向架结构设计标准EN 13749。我认为，重要的是要认识到，一个编写良好的标准可以鼓励创新，而不是扼杀它。

这些创新项目发生了什么?我想进展受到了冠状病毒大流行的阻碍?让我们从碳纤维转向架开始。

新型冠状病毒肺炎这显然是一个挑战，但我们仍然能够取得进展，确保我们遵守了大流行指导和规则，并在需要的地方远程协调工作。

然而,哈德斯菲尔德大学能够在2021年夏天完成原型转向架的测试，证明完全符合EN 13749中规定的设计要求。如前所述，框架内的光纤(由伯明翰大学提供)可实现对结构的实时健康监测。岩浆结构在高端海洋应用中使用该技术。

你能告诉我们更多关于转向架的设计吗?它达到目标了吗?

转向架是基于一个阿尔斯通设计和建造主要由回收利用碳纤维材料(由ELG首创，现在是Gen2Carbon)。关键区域用新材料(单向纤维)加固，以确保载荷和应力的有效分配。关键目标之一是减轻重量:框架本身比它所取代的钢转向架轻60%左右;一旦现有的转向架组件(轴箱，悬挂元件，由阿尔斯通提供)纳入，整体重量减少约35% -仍然显著。

最初的一个目标是利用材料固有的灵活性;这可能会减少对独立悬架组件的需求，降低维护和运行成本。然而，我们在项目早期就同意不继续这样做。

有什么重大挑战吗?

我认为第一个挑战是找到一种树脂，既能满足铁路车辆部件的严格防火规定(EN 45545-2)，又能支持最终复合材料的结构强度。最后，防火测试表明，该材料的性能优于预期。设计和制造的另一个挑战是将转向架组件的金属安装件集成到车架中;岩浆构造被用来在海洋环境中实现这一点，并提供了他们在这一领域的专业知识。

接下来是什么?

现在该技术已在实验室环境中得到验证，希望工业界将支持制造和在轨道上测试另外两个转向架。还有进一步发展的可能。首先，原型机的制造有点劳动密集型;系列化生产很容易适应自动化。我们还可以进一步研究将一些悬挂功能合并到框架本身的最初目标。

与此同时，你可能已经知道RSSB在伯明翰联合主办了世界铁路研究会议(WCRR);这将包括碳纤维转向架的技术演示。

听起来有前途!f1的技术——惯性装置也有类似的进步吗?从赛马场到铁轨是一段漫长的旅程吗?

我认为这个问题的答案是肯定的，也是否定的。需要提醒的是，剑桥大学首创了惯性器，并在一级方程式比赛中用于改善轮胎接触(“j阻尼器”)。惯性器是电容器的机械模拟物;它产生的力与两端之间的相对加速度成正比。一个典型的液压阻尼器大小的惯性器，重几公斤，可以提供超过一吨的有效惯性，称为惯性。

轨道的想法是利用这种惯性来降低转向架的主偏航刚度(PYS)。这是铁路网可变使用费(VUC)的一个因素。高PYS的转向架通常在轮轨界面施加较大的力，导致轮轨磨损率相对较高。低的PYS提高了转向架适应轨道曲率的能力，减少了磨损，但往往以牺牲对轨道的不利影响为代价乘客乘坐舒适。惰性剂提供了实现降低PYS的好处而不产生相关的不利影响的潜力。

该项目从简单的理论车辆模型开始，展示了明显的潜力。布里斯托大学和哈德斯菲尔德大学进行的进一步研究表明，在不影响车辆动态性能(包括平顺性)的情况下，降低PYS是可能的。这些研究涵盖了铁路集团标准中一整套车辆动力学要求。

理论是一回事;实际执行情况如何?

这才是真正的挑战所在。首先，高加速度环境(100g量级)对任何组件都是一个挑战，但主要的困难只是找到空间来容纳惯性器。因此，与最初的设计概念(看起来有点像传统的液压减振器)不同，我们将注意力转向了使用液压油和孔板阻尼来实现类似的效果。最后，最实用的方法是用纵向刚度几乎为零的装置取代径向臂衬套，利用横向刚度实现了97.2%的PYS降低;结果显示，VUC大约减少了39%。

下一步该怎么做?

与碳纤维转向架类似，RSSB和项目团队目前正在寻求与业界合作，以开发概念证明并证明其可行性。我们也在考虑使用惯性器来改善受电弓与架空线路的相互作用。你不会感到惊讶，惰性器也将在WCRR功能!

惯性器本质上是一个无源元件;我认为第三个项目是有效的，对吗?

的确是的。主动径向悬架系统(ARSS)采用最初为航空航天应用开发的电液执行器，主动转向轨道车辆转向架上的车轮，减少对车轮和轨道的损伤。通过再次帮助降低VUC，这项创新有可能降低铁路运营商的轨道磨损成本。

谁参与其中，它是如何运作的?

该财团包括利勃海尔运输系统公司、大中央铁路公司(隶属于Arriva集团)和纽瓦铁路公司(纽卡斯尔大学铁路研究中心)。该机构的设计是为了更好地使轴与曲线的半径对齐，减少攻角，从而减少轮轨界面的力。

项目进展如何?

在建模之后，利伯海尔ARSS被改造为英国现有的转向架设计，并于2020年12月在一条私人铁路上成功进行了系统测试。测试车辆有一个装有系统的转向架和一个未修改的转向架;两个转向架都装有仪器。测试结果与模拟结果一致:攻角减小，轮轨力下降。这些测试必然受到私人铁路上允许的速度的限制，但对测试数据的分析得出结论，该装置的性能符合预期。该财团目前正寻求将这一概念商业化。

这也会在WCRR上出现吗?

不幸的是没有。然而，还有其他相关的工作流程，例如:

• 来自RSSB与哈德斯菲尔德大学的伙伴关系:关于改进粘着估计、可靠的速度测量和了解货物装载不平衡的影响的技术演示
• 介绍改进的电流收集和使用车轮冲击负载检测(WILD)数据来识别有缺陷的车辆
• 对黑国创新制造组织(BCIMO)进行技术访问，以查看极轻铁路(VLR)项目的进展。