方鯤1，2 劉康1，2 張戩1，2 秦少文2 胡國華3 董衛國4

1.北京熱塑性復合材料工程技術研究所

2.北京納盛通新材料科技有限責任公司

3.法國洛林大學

4. 天津工業大學

01引言

對于軌道車輛來說，輕量化是一個永恒的話題。通過車輛輕量化，可以通過提高運行燃料效率來降低運行成本和減少CO2的排放。川崎重工開發出世界上第一個軌道交通轉向架，這是新一代的鐵路車輛轉向架，其主要結構使用了CFRP，有效的實現了輕量化。

這次開發的efWING徹底顛覆了用于傳統轉向架的鋼制主要結構，并將具有懸掛功能的CFRP板簧應用于部分主要框架結構中，因此大大簡化了車架結構，并且不需要主懸架，與以前的型號相比，轉向架的重量減少了約40％，每輛車的重量減輕了900公斤。此外，通過設計將CFRP板簧安裝在轉向架結構上的方法，提高了駕駛安全性和乘車的舒適性。

02基本結構

采用了航空領域使用的CFRP材料，世界首次用于鐵道交通的轉向架上，通過技術創新開拓未來。

為了保證列車運行的安全，轉向架的H型主構架是轉向架中質量相當大的一個部分；而且這一部分重量是只經過一次懸掛進行避震的，在運行時這一部分通過車輪對于軌道會形成巨大的沖擊力，使得鐵路需要進行頻繁的養路作業。

因此，設計人員基于這種范式的設計進行革新，使用碳纖維復合材料這種高性能材料，將其一次成型，做成弓形的板狀復合材料彈簧，將轉向架H形主構架側梁的功能和一系懸掛的功能整合到一起，這樣不僅改善了轉向架一系懸掛的性能，還能達到極致減重的目的。同時，板簧自身也承擔了一部分均衡梁的功能，將兩個車軸從相對獨立的懸掛重新聯系到了一起，進一步改變了轉向架的垂直安定性。

圖1 設計理念

圖2 CFRP板簧

03運行安全性

使用脫軌系數、輪重降低率和橫向力三個評估項目評估行車安全性。經確認，efWING測試轉向架符合所有項目的指南。此外，還通過最大車體地板振動加速度來評估行駛安全性。垂直振動加速度和橫向振動加速度的評估指南分別設置為0.5G和0.4G。如圖6所示，垂直和橫向振動加速度均滿足各自適用的標準。

圖3 測試車輛

圖4車體地板振動加速度峰值比較

 

04輕量化

相比傳統軸梁式轉向架（以DT61為例），減重約450kg/臺，以一個八節編組的電動車組為例，全列可減重約7.2t，輕量化的轉向架不僅減輕了運行時對路軌的沖擊，在節電上有也相當的優勢。

圖5 車體輕量化

05結束語

efWING與以往的轉向架不同，以往的框架都是鋼制主構造，這次使用了碳素纖維塑料（CFRP），擁有懸架功能，不需要盤簧。構造力圖簡潔化，一輛轉向架只有450kg，更加輕量，如此一來，既可以減少列車行走時的能量消耗，轉彎時減少了一半行走中車輪對軌道的上下負重的減少，可以有效防止脫軌。

這是鐵路轉向架設計中第一次如此大規模地使用碳纖維材料，并獲得了日本國內“好設計獎”的金獎。

參考文獻

>（1）川崎重工ホームページ，https://www.khi.co.jp/，2023