现代转向架——我们正处于一场革命的风口浪尖上吗?

在21世纪，车辆转向架正逐渐成为一个机电一体化的装置，而不是迄今为止的纯机械部件。

从开始到现在

第一个转向架是在1812年12月30日William and Edward Chapman的3632号美国专利中描述的(“促进和减少铁路和其他道路上的运输费用”)。其目的是为了解决长车窄曲线铭文带来的顾虑，并将轨道车辆的重量分配到轨道上。

多年来，常用的技术包括带轮胎的辐条轮、钢板弹簧和衬垫箱等。然而，经过不断的改进，我们可以称之为“现代转向架”:它们现在配备了单块车轮(通常是锻造的)、轴承、螺旋弹簧、阻尼器、焊接框架、气动悬挂，在需要时，还配备了其他功能，如速度传感器和天线。

最常见的设计通常包括以下内容:

• 两个轮对(有时三个或更多)
• 轴轴承
• 初级悬架阶段(轮对引导)
• 转向架由焊接薄板制成，但有时也浇铸
• 二级悬浮级(常为气动)
• 主
• 制动装置
• 电机和齿轮(相关时)
• 需要的各种配件:天线、电缆和管道、润滑和打磨设备。

主要功能

重要的是要记住转向架是为什么设计的。与轨道强烈的界面，转向架有两个基本的“任务”要完成。

第一个是安全．子系统负责管理脱轨风险。轮轨接口是至关重要的，但悬架组件和总体设计也非常重要。这只是为了“名义状态”，但在最坏的情况下，具体的努力投入到关键部件的设计和维护，如车轮、轴、轴承、转向架框架。所有这些部件都支撑着车体的质量和传递到轨道上的力。他们必须在他们的一生中，不变形，不裂缝，不容忍失败!

第二是良好的动态行为。转向架要处理稳定性，乘客的舒适度，并必须限制注入到轨道的力。引导交通似乎很简单，但由于车轮和钢轨都是钢制的，有了十字路口，有了弯道，它就不像看上去那么简单了。良好的转向架及其悬架设计是保证乘客旅途舒适的基础。

希望这些主要任务能够成功完成，既能达到安全水平，又能达到乘坐舒适度(铁路运输提供了所有主要交通系统中最好的“动态乘坐舒适度”:飞机、汽车、轮船等)。然而，对于每一项技术来说，都是一个妥协的问题。

/妥协妥协妥协

在设计转向架时，根据规格的不同，必须做出一些基本的选择。

例如，如果需要高速，就有可能需要反偏航阻尼器(作为其他解决方案的补充)。然而，保证高速安全行为所需的重要耦合阻碍了在狭窄曲线上的良好曲线刻划。这是设计者面临的一个妥协:高速还是弯道上的低侵略性车辆?

另一个难题是在动态舒适度和车身宽度之间;为了提高汽车的动态舒适性，需要更好地采用柔性悬架，并在车体与转向架之间增加横向间隙。但是，由于尺寸限制，车身会更窄，这在提供给乘客的空间方面是不可取的。

在第二个例子中，是动态舒适度和空间舒适度之间的妥协。

品种

如果我们放眼全球，可能会注意到一种悖论:

1.转向架由标准严格控制(目的是管理与基础设施的接口和高安全水平的要求)。

2.提出的解决方案多种多样。可以说，每一种新的车辆设计，都会提出一种新的转向架设计。

近几十年来，似乎很少有重大的创新出现，只有一点点的改进被提出。然而，未来几年可能会发生一场革命。

转向架的未来

由于现代技术(IT、机电一体化)提供的可能性，转向架的功能将在两个主要领域得到改进。

基于条件的维护/传感器

基于状态的维修是铁路车辆维修方式的一个重要演变(甚至可能是一场革命?)可高效规划维护操作，及时更换部件，节省大量成本。

转向架可能会利用铁路系统的这一重大演变，即使仍有一些挑战需要克服。这些包括:

1.传感器是评估部件“健康”的关键，但由于转向架是“重型机械部件”，通常没有配备电子设备。此外，传感器必须支持非常高的加速度，传感器传递的信息必须在车身(添加电线或特定设备)收集。

2.检测组件故障或异常行为的正确理念可能很难定义。如果一个车轴能告诉它的车身出现了裂缝，或者一个阻尼器能自己发出信号，告诉它的性能很低，那就再好不过了。

在第一阶段，可以使用四种不同的传感器类型:

1.温度传感器

2.速度/旋转传感器

3.加速度传感器

4.应变计传感器。

通过正确的算法，传感器传递的信号组合可以传递重要而宝贵的信息。可能性是重要的，我们很可能正处于重大创新的开始，这将在未来几年看到。

然而，必须把注意力放在经济上，因为成本可能迅速上升:传感器、电线、信号处理、错误警报管理、如果遗漏了基本安全信息的风险评估——所有这些成本都必须与潜在收益相平衡。

活动系统

尽管有源器件的研究已经超过60年，但重要的改进即将到来。

转向架上的主动系统多种多样，可分为以下几类:

• 横向主动悬架(提高乘客舒适度)
• 垂直主动悬架(提高乘客舒适度和/或更好的通道乘客对带矫直装置的列车)
• 倾斜列车(在弯道上提高速度，缩短旅行时间)
• 轮对主动转向(减少车轮在弯道中的磨损，同时保证高稳定性)。

早在20世纪60年代，用于铁路车辆的主动倾斜系统已经被开发和测试，如1968年的倾斜Mauzin-Chartet车。虽然不是很常见，但倾斜列车现在在世界各地的许多线路上运行。

由于需要更高的频率控制，主动横向悬架和主动转向解决方案的商业服务很少或没有例子。到目前为止，技术挑战和相关成本普遍过高，无法进行商业开发。

在电子设备和信息技术的帮助下，这些解决方案现在似乎在经济上是可行的。对于主动转向系统来说，这是一扇通往“轨道友好型”转向架的大门，这对于降低铁路成本是非常有意义的。

在这篇简短的文章中，想法和概念太多了，但毫无疑问，下一代转向架将配备主动装置(从主动阻尼器到主动转向)。

结论

在铁路系统中，“旧”的转向架概念仍然是最重要的，因为目前没有更好的解决方案来有效地引导列车安全和低能耗。

这个“重型机械”子系统一直在以缓慢的节奏进化。然而，未来几年将会有重大的改进。也许到2030-2040年，转向架会比传统转向架更“聪明”!