高速列車架懸式驅(qū)動裝置振動特性分析

潘嵩巖，蘇 建，宮海彬，王興宇，盧海隔，張益瑞

(1. 吉林大學 交通學院，吉林 長春 130022；2. 上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804； 3. 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

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高速列車架懸式驅(qū)動裝置振動特性分析

潘嵩巖1，蘇 建1，宮海彬2，王興宇3，盧海隔1，張益瑞1

(1. 吉林大學 交通學院，吉林 長春 130022；2. 上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804； 3. 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

為掌握高速列車架懸式驅(qū)動裝置振動特性，基于Adams/Rail建立了高速列車動車仿真模型，根據(jù)修改后的德國高速軌道譜生成了仿真模型軌道不平順空間域波形作為軌道不平順輸入激勵，據(jù)此進行不同車速下直線、曲線運行時的動力學仿真，仿真結(jié)果表明：高速列車架懸式驅(qū)動裝置振動響應為非平穩(wěn)隨機信號，軌道狀況以及車輛行駛速度對其影響很大。同時齒輪箱及牽引電機的振動主要體現(xiàn)在橫擺、沉浮、側(cè)滾及點頭運動，當通過彎道時，兩部件沉浮及側(cè)滾振動位移存在較大均值，同時齒輪箱相對構架存在較大的搖頭轉(zhuǎn)角均值，且各向振動幅值基本與直線行駛時的振動幅值基本相同。

車輛工程；架懸式驅(qū)動裝置；振動響應分析；動力學仿真；軌道不平順

高速列車驅(qū)動裝置是將電能有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向架輪對轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動車輛行駛。車輛運行時，驅(qū)動裝置處于高速重載的運行工況，同時將承受來自軌面和車體的各種振動、沖擊和作用力。

國內(nèi)外學者對包含驅(qū)動裝置的軌道車輛動力學特性進行了深入的研究，其中，H.Hoedei，等[1]對牽引電機不同懸掛方式下穩(wěn)定性進行分析，并計算了相應的臨界速度；羅赟，等[2]對架懸式驅(qū)動裝置懸掛參數(shù)對機車橫向動力學性能的影響進行了分析；姚遠，等[3]對驅(qū)動裝置彈性架懸對機車動力學性能影響機理進行研究；王勇，等[4]以半體懸式和彈性架懸式200 km/h 高速動力車為研究對象，進行2種方案的動力學性能對比分析；孫勇捷[5]建立CRH3型動車仿真模型，對不同電機懸掛參數(shù)下車輛的動力學性能進行分析。然而，目前進行動力學分析時，主要對驅(qū)動裝置彈性懸掛對整車平穩(wěn)性、穩(wěn)定性及曲線通過性等動力學性能指標的影響進行分析，而未對驅(qū)動裝置的振動特性進行研究。

車輛運行時驅(qū)動裝置各部件的劇烈振動的分析及復現(xiàn)是進行可靠性試驗時動力學模擬的重要內(nèi)容之一[6]。為掌握架懸式驅(qū)動裝置的全軸振動環(huán)境，筆者首先對其結(jié)構進行分析，利用Adams/Rail軟件建立包含驅(qū)動裝置的整車動力學仿真模型，進行車輛在不同車速下直線、曲線運行時的動力學仿真，分析牽引電機和齒輪箱振動響應，研究兩者振動特性隨車速、運用線路條件變化的規(guī)律。

1 架懸式驅(qū)動裝置的結(jié)構特點

高速列車驅(qū)動裝置包括牽引電機、齒輪箱、聯(lián)軸器等，根據(jù)牽引電機懸掛方式可分為軸懸式、架懸式和體懸式，為了滿足列車高速運行時的動力學性能,高速列車牽引傳動系統(tǒng)多采用體懸或架懸的結(jié)構方式，其中我國自主生產(chǎn)的CRH1，CRH2，CRH3型動車組均采用驅(qū)動裝置架懸式。

典型的驅(qū)動裝置架懸式動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構如圖1，每臺動力轉(zhuǎn)向架包括兩套驅(qū)動裝置，將牽引電機直接或通過固裝在轉(zhuǎn)向架構架上。齒輪箱一端通過兩個軸承支撐在車軸上，另一端通過懸吊裝置與轉(zhuǎn)向架構架相連。從動大齒輪直接壓裝在車軸上，牽引電機與齒輪箱采用能適應各向相對運動的齒輪聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)傳遞扭矩。

圖1 典型驅(qū)動裝置架懸式動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構Fig.1 Typical structure of bogie with driving device flexible suspension

2 動力學仿真模型的建立

2.1 基于Adams/rail的整車模型

Adams/Rail是專門用于研究鐵路機車、車輛、列車和線路相互作用的動力學分析的專業(yè)應用軟件包，是世界上主流鐵道車輛系統(tǒng)動力學仿真軟件之一。以CRH3高速列車為研究對象，基于Adams/Rail建立轉(zhuǎn)向架及整車模型，分別如圖2、圖3。

圖2 動力轉(zhuǎn)向架模型Fig.2 Model of power bogie

圖3 整車仿真模型Fig.3 Simulation model of motor car

定義牽引電機及齒輪箱所具有的6個自由度運動分別為：沿x，y，z軸的伸縮、橫擺及沉浮運動；以及繞x，y，z軸的側(cè)滾、點頭及搖頭運動。

2.2 軌道不平順空間域模型

國外內(nèi)對軌道譜進行了大量的研究，分別提出了不同的軌道不平順功率譜密度表達式，如美國軌道譜、德國高速軌道譜及秦沈客運專線軌道譜等，對準高速的機車車輛可采用美國6級譜，但對高速機車車輛應采用德國高速譜。我國在研究高速機車車輛的動態(tài)響應時, 也規(guī)定采用修改后的德國高速軌道譜[7-8]，其表達式為：

高低不平順：

(1)

方向不平順：

(2)

水平不平順：

(3)

式中：Ω為軌道不平順的空間頻率，rad/m；Ωs，Ωc，Ωr分別是截斷頻率，rad/m；Sv(Ω)，Sa(Ω)分別為高低、方向不平順功率譜密度，m2·(m/rad)；Sc(Ω)為水平不平順功率譜密度，由于采用傾角度量，(rad/m)-1；Av，Aa分別為粗糙度常數(shù)，m2·(rad/m)；b為左右滾動圓距離的一半，一般取0.75 m。

通過對功率譜密度函數(shù)直接離散采樣，構造出頻譜，然后進行傅里葉逆變換，即可得到軌道不平順空間域模型，其具體過程及生成的軌道不平順空間域波形限于篇幅不再此贅述。至此建立了完整的整車動力學仿真模型。

3 驅(qū)動裝置振動響應仿真與分析

為研究車輛運行時軌道隨機不平順作用下的牽引電機及齒輪箱振動特性，分別在不同速度下直線行駛及300 km/h時R9000曲線行駛的運行狀態(tài)下進行整車動力學仿真。

3.1 直線行駛時振動響應分析

分別進行以200，300 km/h速度直線行駛運行狀態(tài)下整車動力學仿真，對牽引電機振動特性進行分析，如圖4。

圖4 直線行駛時電機振動響應歷程Fig.4 Vibration response process of motor when drive straight

對200，300 km/h運行速度下直行時牽引電機振動響應歷程分析可知，與200 km/h運行速度相比， 300 km/h運行速度下牽引電機相對構架的三向位移、轉(zhuǎn)角均顯著增大，由于電機吊架橫向剛度較小，垂向及縱向剛度較大，牽引電機相對構架橫向位移幅值最大，最大值為4 mm，垂向、縱向位移幅值均較小。其中，300 km/h運行速度下縱向相對位移幅值為0.25 mm，垂向位移峰值為3 mm。牽引電機相對轉(zhuǎn)向架構架的三向轉(zhuǎn)動角度均較小，最大轉(zhuǎn)角幅值均小于0.05°。

同樣地，對齒輪箱的振動響應進行分析，如表1?？芍?00 km/h運行速度下齒輪箱振動響應幅值比200 km/h速度運行時亦顯著增大。齒輪箱相對構架的轉(zhuǎn)角主要體現(xiàn)在側(cè)滾運動和點頭運動。其中，點頭運動的幅值最大，搖頭運動幅值約為0°；齒輪箱質(zhì)心相對構架的三向位移中，主要表現(xiàn)為沿z軸的沉浮運動和沿y軸方向的橫擺運動；其中，垂向位移振幅最大，而沿x軸方向的伸縮運動振幅最小。

表1 直線行駛時齒輪箱相對構架振動響應

3.2 曲線行駛時振動響應分析

為研究車輛曲線行駛時驅(qū)動裝置中牽引電機及齒輪箱振動狀態(tài)，進行300 km/h速度下車輛R9000彎道曲線運行仿真分析，如圖5。

圖5 曲線通過時電機振動響應歷程Fig.5 Vibration response process of motor when went around the curve

牽引電機及齒輪箱相對運動時，由于牽引電機、齒輪箱繞y軸方向的點頭運動產(chǎn)生的兩者相對運動表現(xiàn)為兩者垂向位移，故分析時僅分析兩部件的繞x軸、z軸的轉(zhuǎn)角。當車輛通過彎道時，牽引電機相對構架繞x軸側(cè)滾運動轉(zhuǎn)角產(chǎn)生為0.3°的均值，而繞z軸的搖頭運動轉(zhuǎn)角基本可以忽略，相應的，牽引電機相對構架的三向平移運動中，存在均值為29.4 mm的沉浮位移均值，而橫擺、伸縮運動均值為0，橫擺運動幅值為4.5 mm，伸縮運動幅值約為0，三向平動及側(cè)滾轉(zhuǎn)角幅值與車輛直線行駛時振動位移幅值基本相同。

進一步對300 km/h運行速度下曲線行駛時齒輪箱的振動響應進行分析，如表2。齒輪箱相對構架側(cè)滾、搖頭運動轉(zhuǎn)角均存在較大均值，分別為0.3°，0.25°，幅值分別為0.15°，0.26°；相應的，齒輪箱相對構架的三向平移運動中，存在均值為40 mm的沉浮位移均值，橫擺、伸縮運動均值為0，橫擺運動幅值為4.5 mm，伸縮運動幅值為0.3，三向平動及側(cè)滾、搖頭轉(zhuǎn)角幅值亦與車輛直線行駛時振動位移幅值基本相同。

表2 通過曲線時齒輪箱相對構架振動響應

3 結(jié) 論

針對高速列車架懸式驅(qū)動裝置振動特性，建立了整車仿真模型，并進行不同車速下直線、曲線運行時動力學仿真，并對牽引電機和齒輪箱的振動響應分析，該分析結(jié)果為進一步運行仿真分析及室內(nèi)驅(qū)動裝置可靠性試驗臺架振動環(huán)境模擬提供了參考，并得到如下結(jié)論：

1)齒輪箱及牽引電機振動響應為非平穩(wěn)隨機信號，軌道狀況以及車輛行駛速度對傳動系統(tǒng)振動響應影響很大，隨著車速的提高，車輛各部件振動加劇，振動位移幅值及頻率都顯著增大。

2)車輛直線行駛時，牽引電機相對構架的橫向位移振幅較大，縱向位移及三向轉(zhuǎn)角振幅很小;齒輪箱相對轉(zhuǎn)向架構架的沉浮、橫擺位移以及側(cè)滾、點頭轉(zhuǎn)角振幅較大，而縱向相對位移及搖頭運動轉(zhuǎn)角振幅很小。

3)當車輛通過彎道時，齒輪箱、牽引電機側(cè)滾、沉浮運動均產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角或位移均值，同時齒輪箱相對構架存在較大的搖頭轉(zhuǎn)角均值，各向振動幅值基本與直線行駛時的振動幅值基本相同。

[1] Hoedei H,Haigermoser A.高速機車現(xiàn)代化轉(zhuǎn)向架設計的發(fā)展[J] .電力牽引快報,1995(8):69-77. Hoedei H,Haigermoser A.Entwicklung Eines Modernen T riebdrehgestellkonzer Fuer Hochleistung slo komotive[J] .Electric Traction Journal,1995 (8):69-77.

[2] 羅赟,金鼎昌.架懸機車驅(qū)動裝置懸掛參數(shù)規(guī)律的研究[J].中國鐵路科學,2007,28(4):78-82. Luo Yun,Jin Dingchang.Research on the rules of suspension parameters to driving equipments suspended in bogie frames[J].China Railway Science,2007,28(4):78-82.

[3] 姚遠,張開林,張紅軍,等.機車驅(qū)動系統(tǒng)彈性架懸的機理與應用研究[J].鐵道學報,2013,35(4):23-29. Yao Yuan,Zhang Kailin,Zhang Hongjun,et al.Mechanism of drive system elastic suspension and its application[J].Journal of the China Railway Society,2013,35(4):23-29.

[4] 王勇,陳康.半體懸式與彈性架懸式200 km/h高速動力車動力學性能對比分析[J].機車電傳動,2012(2):7-9. Wang Yong,Cheng Kang.Contrast and analysis of dynamic performance of 200 km/h high-speed power cars with semi-body and flexible suspensions [J],Electric Drive for Locomotives,2012(2):7-9.

[5] 孫勇捷.高速動車彈性架懸式驅(qū)動裝置動力學性能研究[D].成都:西南交通大學,2011. Sun Yongjie.Research on Dynamic Performance of the Driving Device Flexibly Suspended on Frame about High-Speed Motor Car[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2011.

[6] 牛貝妮.高速動車組傳動系統(tǒng)可靠性振動試驗臺模型設計與分析[D].長春:吉林大學,2012. Niu Beini.Design and Analysis the Model of Reliability Testing Equipment of High-Speed Train Transmission System[D].Changchun:Jilin University,2012.

[7] 王福天,周勁松,任利惠.用于高速車輛動態(tài)仿真的軌道譜分析[J].鐵道學報,2002,24(5):21-27. Wang Futian,Zhou Jinsong,Ren Lihui.Analysis on track spectrum density for dynamic simulations of high speed vehicles[J].Journal of the China Railway Society,2002,24(5):21-27.

[8] 魏沖鋒.軌道不平順功率譜時域轉(zhuǎn)換及其應用研究[D].成都:西南交通大學,2011. Wei Chongfeng.Time Domain Conversion and the Application Research of Track Irregularity Power Spectrum[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2011.

Vibration Characteristic Analysis of Frame-MountedDriving Device for High-Speed Train

Pan Songyan1, Su Jian1, Gong Haibin2, Wang Xingyu3, Lu Haige1, Zhang Yirui1

(1. Transportation & Traffic College, Jilin University, Changchun 130022, Jilin, China; 2. SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804, China; 3. Changchun Railway Vehicles Co. Ltd., Changchun 130062, Jilin, China)

In order to master vibration characteristic of high-speed train’s frame-mounted driving device, a simulation model of high-speed train’s motor car was established based on Adams/Rail, and track irregularity spatial-domain waveform was generated according to the modified German high-speed rail spectrum. At last, the dynamics simulations were carried out under different speeds. Simulation results show that the vibration response of driving device is a non-stationary random signal, and is affected by track conditions and speed. And the vibrations of gearbox and motor were mainly presented as yaw, ups and downs, roll and nodding motions. The ups and downs displacements and roll rotation angle of these two components show high mean values as the vehicle went around the curve, while vibration amplitudes are basically the same compared with straight driving.

vehicle engineering; frame-mounted driving device; vibration response analysis; dynamics simulation; track irregularity

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.33

2013-06-13；

2013-10-18

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目( 20080356)；長春市科技支撐計劃項目(2010018)

潘嵩巖(1983—)，男，吉林長春人，工程師，碩士研究生，主要從事車輛檢測與診斷方面的研究。E-mail:pansy@jlu.edu.cn。

U 260.11

A

1674-0696(2015)02-152-04