試分析動車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架的動態(tài)特性及簡單設(shè)計

徐華祥

摘 要：動車組轉(zhuǎn)向架一直都是動車組部件中最為關(guān)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(fā)展，動車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架的問題也成為關(guān)系到動車組安穩(wěn)運行的重要問題。該文以動車組轉(zhuǎn)向架為研究對象，分別從兩個方面探討了其柔性構(gòu)架的動態(tài)特性，即柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的計算方法以及構(gòu)架剛度對動車性能的影響，最后從焊接結(jié)構(gòu)特點提出了轉(zhuǎn)向架柔性設(shè)計中橫梁設(shè)計的影響。希望能為廣大業(yè)內(nèi)人士提供一些淺薄的參考意見。

關(guān)鍵詞：動車組 轉(zhuǎn)向架 柔性構(gòu)架

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

1 柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的計算方法

轉(zhuǎn)向架的柔性架構(gòu)特性屬于動力學(xué)知識的組成部分之一，其動態(tài)特性的研究可通過相關(guān)的計算方法得以體現(xiàn)。而在計算時可先以多剛體系統(tǒng)動力學(xué)作為基礎(chǔ)模型，設(shè)P點為剛體上任一一點，其矢徑rr為相對坐標(biāo)原點O，而rr=RO+Ae`。其中RO為P點剛體坐標(biāo)系中原點O`相對全局坐標(biāo)系O的矢徑，A為隨體坐標(biāo)系向全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，e`為常數(shù)列陣。

當(dāng)把P點當(dāng)作滿足假設(shè)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(biāo)的坐標(biāo)列陣，e`f則為P點彈性變形向量在隨體坐標(biāo)中的坐標(biāo)列陣。

根據(jù)上述兩個公式可得出，柔性體上的矢徑r可得出如下表達(dá)式：r=R0+A（e`o+e`f）。而根據(jù)列陣公式，當(dāng)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(shù)矩陣，qf表示節(jié)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(dǎo)數(shù)，P點的速度以及加速度就可以表示為。

2 構(gòu)架剛度對動車組性能的影響

2.1 對動車組穩(wěn)定性能的影響

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

2.2 對動車組平穩(wěn)性能的影響

在評價動車組平穩(wěn)性能上，最直觀的兩項指標(biāo)就是車輛運行的平穩(wěn)性以及乘車的舒適性，除了這兩項指標(biāo)外，車體測量點振動的加速度同樣是影響動車組運行平穩(wěn)性的關(guān)鍵指標(biāo)。經(jīng)過測試數(shù)據(jù)表明，動車組的平穩(wěn)性評價指標(biāo)也會因為速度的提升指標(biāo)系數(shù)會隨之上漲。當(dāng)速度相同，柔性多體動力學(xué)模型的動車組與剛體模型構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)剛度構(gòu)架，計算得出的平穩(wěn)性指標(biāo)基本上沒有什么差距，也就是說，構(gòu)架剛度在影響動車組的平穩(wěn)性上是很小的。因為動車組的平穩(wěn)性主要與中央懸掛系統(tǒng)有關(guān)，而動車組的中央懸掛系統(tǒng)大多數(shù)使用的是空氣彈簧，在削弱彈簧之間的質(zhì)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(biāo)相關(guān)，即脫軌系數(shù)、輪軌導(dǎo)向力之和、輪重減載率及輪軌垂向力。動車組使用構(gòu)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(jīng)過實測表明，動車組的構(gòu)建剛度在影響其安全性上，只有部分安全指標(biāo)系數(shù)會受到構(gòu)架剛度的影響。在轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中，扭轉(zhuǎn)剛度屬于串聯(lián)剛度，而構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度引用到剛體動力學(xué)模型之后，扭轉(zhuǎn)剛度也隨之降低，動車組在經(jīng)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(zhuǎn)向架后輪軌的垂向力之間的差值會有所縮小，而且當(dāng)構(gòu)架扭轉(zhuǎn)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(biāo)中的輪軌垂向力以及輪重減載率會隨著構(gòu)架剛度的減小將不斷降低。因此，就兩項指標(biāo)而言，扭轉(zhuǎn)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(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度并不會產(chǎn)生明顯的作用，也就是說，動車在經(jīng)過非直線線路的時候，其脫軌系數(shù)以及輪軌導(dǎo)向之和兩項指標(biāo)的系數(shù)差距是非常小的，即使通過減小動車組的構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度也無法改進(jìn)上述指標(biāo)。

3 柔性構(gòu)架設(shè)計方法

3.1 動車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點

目前國內(nèi)CRH2型動車組的轉(zhuǎn)向架主要采用的焊接構(gòu)架為管截面的橫梁構(gòu)架，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架橫梁是無縫鋼管結(jié)構(gòu)，焊接在側(cè)梁和外腹板上，將堵板與橫梁首端位置進(jìn)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(wěn)定裝置焊接于橫梁之上。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的缺點在于無法讓結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生作用，而為了彌補這個不足，CRH2型動車在進(jìn)行轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架設(shè)計的過程中，將加強之后的環(huán)結(jié)構(gòu)裝置于側(cè)梁板與內(nèi)腔接近的位置。雖然經(jīng)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(gòu)架扭轉(zhuǎn)柔性設(shè)計

動車組轉(zhuǎn)向架的柔性設(shè)計實際上就對其構(gòu)建扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行柔性化，而經(jīng)過相關(guān)研究得出，影響動車組的構(gòu)建扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)剛度。但是當(dāng)截面壁厚發(fā)生變化的時候，兩者因素影響也會同樣隨之變化。總結(jié)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(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度，就需要對橫梁的彎曲剛度進(jìn)行優(yōu)化。而當(dāng)壁厚增大的時候，兩者比值的影響就會增強。故而，設(shè)計柔性化構(gòu)架的關(guān)鍵就是要控制好橫梁的扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度，并將兩種剛度進(jìn)行合理的匹配。但需要提出的一點，扭轉(zhuǎn)剛度的值也不能過低，否則將會使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型以及構(gòu)建的點頭與動車的浮沉振動出現(xiàn)耦合的情況。

此外，除了控制橫梁的扭轉(zhuǎn)強度，降低其縱向間距同樣也是進(jìn)行構(gòu)架柔性設(shè)計的有效辦法。因為，實測表明，當(dāng)構(gòu)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(gòu)架的扭轉(zhuǎn)強度也隨之增強。而在實際設(shè)計構(gòu)架結(jié)構(gòu)的過程中，橫梁縱向間距的控制還要考慮動車內(nèi)一些連接件的空間布置情況，比如牽引裝置占據(jù)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(zhuǎn)角。

4 結(jié)語

研究動車組轉(zhuǎn)向架的柔性構(gòu)架，了解其動態(tài)性的結(jié)構(gòu)特征，與動力學(xué)中相關(guān)知識密不可分，也是保證其精確性與穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。該文首先根據(jù)相關(guān)資料研究列出了與柔性體動力相關(guān)的計算方法，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析了構(gòu)架剛度在柔性構(gòu)架中對動車性能的影響。基于此，以CRH2型動車橫梁結(jié)構(gòu)特點為例，闡述了動車組柔性設(shè)計中橫梁扭轉(zhuǎn)剛度和縱向間距的重要性。

參考文獻(xiàn)

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