一、轉向架簡介

轉向架是軌道交通車輛結構中的重大核心部件，占整車重量的40%。它好比是我們人類的雙腿，對于軌道交通車輛的運行有著不可替代的意義。性能優異的轉向架上的各種參數直接決定了車輛的穩定性和車輛的乘坐舒適性。轉向架構件及各部件參數是否合理，直接影響車輛運行品質，動力性能和行車安全。

轉向架主要作用：

1、采用轉向架可增加車輛的載重、長度與容積、提高列車運行速度。

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

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、保證車輛安全運行，轉向架相對車體可自由回轉，能靈活地沿直線線路運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，減小振動和沖擊，減小動應力，提高車輛運行平穩性和安全性。

6、充分利用輪軌之間的粘著，傳遞牽引力和制動力，放大制動缸所產生的制動力，使車輛具有良好的制動效果，以保證在規定的距離之內停車。

二、轉向架發展歷程

轉向架多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造。今年來，隨著軌道交通裝備設計要求（如節能、環保等）的提高，軌道交通裝備必須不斷提高品質以減少列車運行能耗。減輕軸重、節能降耗是軌道交通裝備的重要發展方向之一，其關鍵途徑就是實現輕量化。

相比鋁合金等輕質金屬材料，碳纖維復合材料以其輕量化、高強度、高耐候的優異綜合性能，及在航空、航天、船舶等領域的成熟應用，成為解決軌道交通裝備輕量化問題的最佳選擇。

2.1 國外應用情況

早在1985年，德國就利用玻璃纖維生產了設計速度200 km/h的HLD_E轉向架，接著日本在1989年生產了第1個CFRP轉向架，之后法國、英國均進行了相應的輕量化設計。

圖 世界第一臺復合材料轉向架（德國）

德國聯邦鐵路MBB公司研制了用于城市間高速列車的碳纖維復合材料轉向架構架，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，僅轉向架構架由鋼改為碳纖維復合材料，整體重量降至4.4t ,減輕幅度25％，并且其性能優異，具有裂紋擴散速度慢、消聲性能好、幾何尺寸誤差小等特點。

圖 日本復合材料轉向架

2014年，日本川崎重工研發世界首個CFRP（增強碳纖維）構架和懸掛功能的轉向架efWING。在研發efWING時，川崎重工利用CFRP代替鋼材來作為構架的主體結構，且在無需傳統的螺旋彈簧的條件下具有懸掛元件的功能，從而成功地開發了將彈簧功能集成化的結構簡單和輕量化的轉向架。與傳統的鋼制構架相比，重量降低約40％，相當于每車減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中心（TTCI）進行了4500km的線路運行試驗，結果表明運行中滿足安全性要求且性能穩定，特別是弓形的CFRP構架能夠具有懸掛元件的功能從而將載荷穩定地傳遞至鋼軌，在改善運行平穩性的同時降低脫軌風險，由于軌道不平順而引發的輪重減載率只有先前的一半左右。

圖 英國復合材料轉向架

由ELG Carbon Fibre（英國科斯利）和哈德斯菲爾德大學鐵路研究所共同發布合作伙伴開發的CAFIBO軌道轉向架，采用了碳纖維回收材料再利用及3D打印技術。新型CAFIBO轉向架比常規轉向架輕，并優化了垂直和橫向剛度。該轉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設施維護成本，通過嵌入式健康監控系統提高可靠性和運營可用性，減少了能源消耗。

2.2 國內應用情況

復合材料在國內起步較晚，但發展迅速。

2018年9月，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展上，中車四方股份公司正式發布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。CETROVO設計研發團隊指揮丁叁叁介紹，與采用鋼、鋁合金等傳統金屬材料的地鐵車輛相比，CETROVO的車體、司機室、設備艙分別減重30%以上，轉向架構架減重40%，整車減重13%。這意味著它的節能可達到多少？團隊給出了令人興奮的答案：15%。CETROVO的面世證明了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構的應用取得了突破性進展。

2021年9月，中車集團在中國軌道交通工業140周年峰會現場發布了新型都市快軌列車。該列車的轉向架顛覆了傳統軌道車輛轉向架的設計思路，在國際上首次推出了“全裝配無焊接、多級剛度撓性構架”全新設計理念，較傳統轉向架重量減輕25-40%，車輛運行能耗減少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。該轉向架集36項國家發明專利于一體。

隨著經濟與技術的發展，復合材料在軌道交通中的應用的范圍會越來越廣。

三、復合材料轉向架之國際快訊

近日，西班牙機車車輛制造商TALGO公司發布消息稱，在Avril 高速列車上使用碳纖維增強聚合物代替鋼材料，在不損失結構完整性的情況下將列車轉向架重量減輕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，這種新型復合材料還完全符合鐵路行業最嚴格的火災煙霧毒性標準。截止目前， TALGO已根據歐洲標準 CSN EN 13749 完成了復合材料的轉向架構架的全面測試，涵蓋了轉向架構架的所有結構要求。涉及了超過1000萬次循環的靜態和疲勞測試，檢查后報告顯示沒有任何重大損壞。接下來TALGO將要進行整體輪對轉向架在軌道上的測試，使其在真實條件下運行以達到最終驗收目的。

歐盟通過Shift2Rail倡議支持這一發展。TALGO表示，復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。