試分析動車組轉向架柔性構架的動態特性及簡單設計

徐華祥

摘 要：動車組轉向架一直都是動車組部件中最為關鍵和核心的部件。隨著我國鐵路速度的提升以及高速鐵路動車組的不斷發展，動車組轉向架柔性構架的問題也成為關系到動車組安穩運行的重要問題。該文以動車組轉向架為研究對象，分別從兩個方面探討了其柔性構架的動態特性，即柔性多體系統動力學的計算方法以及構架剛度對動車性能的影響，最后從焊接結構特點提出了轉向架柔性設計中橫梁設計的影響。希望能為廣大業內人士提供一些淺薄的參考意見。

關鍵詞：動車組 轉向架 柔性構架

中圖分類號：U270.33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0033-01

1 柔性多體系統動力學的計算方法

轉向架的柔性架構特性屬于動力學知識的組成部分之一，其動態特性的研究可通過相關的計算方法得以體現。而在計算時可先以多剛體系統動力學作為基礎模型，設P點為剛體上任一一點，其矢徑rr為相對坐標原點O，而rr=RO+Ae`。其中RO為P點剛體坐標系中原點O`相對全局坐標系O的矢徑，A為隨體坐標系向全局坐標系的坐標轉換矩陣，e`為常數列陣。

當把P點當作滿足假設彈性體，那么列陣e`可表示為e`=e`o+e`f。其中e`o是物體沒有變形O`指向P點的矢量在隨體坐標的坐標列陣，e`f則為P點彈性變形向量在隨體坐標中的坐標列陣。

根據上述兩個公式可得出，柔性體上的矢徑r可得出如下表達式：r=R0+A（e`o+e`f）。而根據列陣公式，當柔性體的矢徑r屬于彈性變形的范圍時，列陣e`f=Φqf。其中Φ表示形函數矩陣，qf表示節點位移向量矩陣。由此就可以得出，r=R0+A（e`o+Φqf），再對這個式子取時間的一階與二階導數，P點的速度以及加速度就可以表示為。

2 構架剛度對動車組性能的影響

2.1 對動車組穩定性能的影響

根據動車組各種構架剛度模型來看，影響其穩定性能的主要包括兩項指標，一個是輪軌的導向力之和，還有一個是構架的加速度。經過相關數據分析指出，判斷動車組穩定性能的指標會隨著其速度的不斷提升，穩定性也隨之下降。此外，當動車組的運行速度不同的時候，直線路上運行，不同構架剛度動車組的輪軌導向力之和以及構架橫向的加速度基本上保持一致。故而，就穩定性上來講，構架剛度的影響基本可以忽略不計。

2.2 對動車組平穩性能的影響

在評價動車組平穩性能上，最直觀的兩項指標就是車輛運行的平穩性以及乘車的舒適性，除了這兩項指標外，車體測量點振動的加速度同樣是影響動車組運行平穩性的關鍵指標。經過測試數據表明，動車組的平穩性評價指標也會因為速度的提升指標系數會隨之上漲。當速度相同，柔性多體動力學模型的動車組與剛體模型構成的扭轉剛度構架，計算得出的平穩性指標基本上沒有什么差距，也就是說，構架剛度在影響動車組的平穩性上是很小的。因為動車組的平穩性主要與中央懸掛系統有關，而動車組的中央懸掛系統大多數使用的是空氣彈簧，在削弱彈簧之間的質量振動上能夠起到很好的作用。

2.3 對動車組安全性能的影響

動車組的安全性主要與四項指標相關，即脫軌系數、輪軌導向力之和、輪重減載率及輪軌垂向力。動車組使用構架剛度的差異，以及運行路況的差異，都影響動車組的運行安全性。而經過實測表明，動車組的構建剛度在影響其安全性上，只有部分安全指標系數會受到構架剛度的影響。在轉向架系統中，扭轉剛度屬于串聯剛度，而構架扭轉剛度引用到剛體動力學模型之后，扭轉剛度也隨之降低，動車組在經過一些起伏性的線路，輪軌的垂向力也被重新分配，動車組采用相同的轉向架后輪軌的垂向力之間的差值會有所縮小，而且當構架扭轉剛度不斷降低之后這種情況將變得更為明顯。故而，影響動車組安全性的指標中的輪軌垂向力以及輪重減載率會隨著構架剛度的減小將不斷降低。因此，就兩項指標而言，扭轉剛度的影響作用是非常顯著的。但是，在影響輪軌間的橫向作用上，構架的扭轉剛度并不會產生明顯的作用，也就是說，動車在經過非直線線路的時候，其脫軌系數以及輪軌導向之和兩項指標的系數差距是非常小的，即使通過減小動車組的構架扭轉剛度也無法改進上述指標。

3 柔性構架設計方法

3.1 動車轉向架焊接構架的結構特點

目前國內CRH2型動車組的轉向架主要采用的焊接構架為管截面的橫梁構架，這種結構的轉向架橫梁是無縫鋼管結構，焊接在側梁和外腹板上，將堵板與橫梁首端位置進行焊接，并將牽引拉桿座、制動吊梁以及中心框架安裝座三個穩定裝置焊接于橫梁之上。這種結構轉向架的缺點在于無法讓結構疲勞產生作用，而為了彌補這個不足，CRH2型動車在進行轉向架焊接構架設計的過程中，將加強之后的環結構裝置于側梁板與內腔接近的位置。雖然經過的強化之后可以增加焊接處的承載面積，但是因為焊接處與腹板的仍然比較脆弱，實際運行中可接受承載力還是會受到一定的限制。

3.2 構架扭轉柔性設計

動車組轉向架的柔性設計實際上就對其構建扭轉剛度進行柔性化，而經過相關研究得出，影響動車組的構建扭轉剛度主要是兩個因素，正是上文所述的橫梁彎曲剛度以及扭轉剛度。但是當截面壁厚發生變化的時候，兩者因素影響也會同樣隨之變化。總結之后的情況就是，壁厚小的時候，兩個因素的比值就會比較靠近，為了降低構架的扭轉剛度，就需要對橫梁的彎曲剛度進行優化。而當壁厚增大的時候，兩者比值的影響就會增強。故而，設計柔性化構架的關鍵就是要控制好橫梁的扭轉及彎曲剛度，并將兩種剛度進行合理的匹配。但需要提出的一點，扭轉剛度的值也不能過低，否則將會使結構扭轉振型以及構建的點頭與動車的浮沉振動出現耦合的情況。

此外，除了控制橫梁的扭轉強度，降低其縱向間距同樣也是進行構架柔性設計的有效辦法。因為，實測表明，當構架橫梁之間的間距增加的時候，受到斜對稱載荷的影響之后，構架的扭轉強度也隨之增強。而在實際設計構架結構的過程中，橫梁縱向間距的控制還要考慮動車內一些連接件的空間布置情況，比如牽引裝置占據橫梁的空間大小，如果其間距較大，則適合使用較長的牽引拉桿，這樣動車在一些曲線路線運行時，可以降低拉桿兩端橡膠位置的偏轉角。

4 結語

研究動車組轉向架的柔性構架，了解其動態性的結構特征，與動力學中相關知識密不可分，也是保證其精確性與穩定性的重要基礎。該文首先根據相關資料研究列出了與柔性體動力相關的計算方法，并結合實測數據分析了構架剛度在柔性構架中對動車性能的影響。基于此，以CRH2型動車橫梁結構特點為例，闡述了動車組柔性設計中橫梁扭轉剛度和縱向間距的重要性。

參考文獻

[1] 徐文正.CRH_2動車組動車構架結構強度分析[D].北京：北京交通大學，2008.

[2] 張曉鶴.CRH2動車組動力轉向架焊接構架優化[D].成都：西南交通大學，2013.

[3] 劉建勛，卜繼玲.軌道車輛轉向架橡膠彈性元件應用技術[M].北京：中國鐵道出版社，2012.