转向架和轮对在过去20年的发展:大爆炸还是只是渐进的变化?

来源:西门子移动

位于奥地利格拉茨的西门子移动机车车辆转向架单元是MoComp的一部分，MoComp是西门子移动的铁路部件家族和世界转向架技术中心，这意味着所有转向架的开发(欧洲和国际项目)都在格拉茨完成，所有卫星生产单元的转向架活动都由格拉茨管理。

虽然产品设计，当然，主要还是由客户对关键参数的需求驱动，有几个变化和发展，对现代设计产生了巨大的影响转向架和轮对．

新的制造方法

在过去的几年里，除了对强度设计精度的要求不断提高外，生产自动化程度方面的挑战也在增加。已经在早期开发阶段，分析了框架是否可以在高度自动化的机器人生产线上焊接。为此，必须在早期开发阶段对焊缝的可及性进行调查。这是制造转向架框架有效地在最高质量的基础。

转向架框架的新材料

由于减轻重量是现代转向架最重要的要求之一，近年来研究了新的转向架框架材料。我们的一些竞争对手提出了几种由碳纤维增强塑料(CFRP)制成的设计，用于不同的应用。西门子移动格拉茨公司的策略是用高强度钢制造轻质转向架框架(见图1)。CFRP和高强度钢的重量减轻幅度在40-50%之间。

计算仿真与设计方法

疲劳强度计算过程如图2所示。

轻量化设计由新的疲劳评估方法支持——先进的载荷假设方法、更详细的有限元模型和先进的疲劳评估方法(如缺口应力)——使轻量化结构成为可能，同时使鲁棒性仍然是重中之重。

多年来，有限元建模的准确性有所提高。今天，一个有限元模型由大约70万到140万个元素组成。在多体系统的仿真中，有必要从结构部件中考虑弹性体，以便能够描述正确的操作行为。

总而言之，战略性轻量化设计在能源效率、资源高效利用和降低轨道使用费等各个方面都变得非常重要。

动态模拟

对于铁路转向架的开发，30多年来，多体系统仿真(MBS - simulation)方法被用于车辆动力学仿真，以评估和满足有关安全脱轨和运行行为的要求。然而，由于针对不同部件(如橡胶金属部件)的更详细的子模型和模块的开发，或将弹性结构纳入mbs模拟的先进工艺，不仅预测质量提高了，而且应用领域也扩展到负载假设以及乘坐舒适性和声学。这是可能的，因为在过去的20年里，已经做出了巨大的努力，将组件、子系统和车辆的模拟和测试更紧密地结合在一起。

如今，仿真模型已经满足了验证方面的最高要求，因此它们已经用于脱轨安全性和运行行为等安全关键参数的虚拟认证。

自铁路运输开始以来，轮轨磨损一直是铁路系统中一个巨大的成本因素。高保真的MBS仿真模型，结合磨损现象的现场操作数据，可以开发出更精确的轮轨磨损劣化模型。这些方法现在已经被用于优化车轮轮廓和轮轨界面，例如，通过使用智能摩擦管理系统。因此，可靠性和可用性可以伴随着铁路系统生命周期成本的降低。

标准的改变

车轮

在车轮、车轴和轴承的开发中，标准化对产品设计有很大的影响，因为这些部件对轮轨系统的安全性和生命周期成本影响最大。从设计、制造到服务维护的安全三角关系得到了深入的规范。以下将举例说明标准和程序的变化及其对轮对设计的影响。

进一步修订了车轴标准，提出了考虑微动影响的高强度34CrNoMo6钢车轴新材料的应用程序。额外的定义是由服务中的问题和基于欧洲研究项目的结果，如ModBogie、Euraxles和Widem。
由于服役经验在现有部件的验证中起着重要作用，在过去的20年里，事故调查报告的出版提高了技术诀窍从现场转移到新设计的可能性。

车轮设计标准在强度设计和声发射计算程序中，现在提供了一个优化车轮的机会，考虑到减轻重量和降低噪音的矛盾要求。如果设计不适合通过模拟被接受，标准提供第二阶段，基于实验强度测试结果和噪声测量。

目前，胎面制动车轮的热力学验收程序仅限于在测力机试验台上进行测试，然而，在不久的将来，多轴强度模拟和低周疲劳评估以及传热计算的可能性将包括在内。这是非常重要的，因为胎面制动器在过去几年中经历了复兴。

运行行为

在运行行为标准领域，如EN14363已经得到了显著的扩展。基于欧盟资助的全部门努力，建立了方法和流程以及评估指标，以便对运行行为评估的不同应用领域的模型有效性进行评估。随着MBS仿真模型预测质量的提高，使用虚拟一致性的可能性也随之增加。已经开发了允许对不同应用领域的模型有效性进行评估的度量标准。

新技术的整合

除了基于新标准、方法和流程的改进之外，机械系统转向架还通过开发新的电子诊断和监控解决方案从根本上得到了扩展，这些解决方案已经在几个铁路车队中使用，以优化转向架和铁路车辆的维护。基于铁路转向架和车体传感器，结合边缘计算设备和从简单的信号处理方法到机器学习和人工智能的智能算法，提供了转向架部件和转向架子系统的健康状态和剩余使用寿命信息。然后在维修站中使用这些信息来建立基于状态的维护流程，这样就可以降低生命周期成本，并提高可用性。

进一步改进的可能性

有几个机会将有助于在未来进一步改进，包括:

• 车辆和基础设施的数字孪生:
  • 作为虚拟认证的基础
  • 缩短产品上市时间的机会
  • 系统可用性的优化
• 数据驱动的工程
• 在数字化、机器学习和人工智能的支持下，从定期维护转变为基于状态的维护，以实现运营的可持续改进
• 新型轻量化技术在转向架上广泛应用，降低能耗，提高运力。

总结

在过去的20年里，由于几个问题，转向架的设计和性能发生了巨大的变化。然而，特别是数字方法的加强使用将促进今后20年的进一步改进。