高速列車轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究

趙明花，梁樹林，宋春元

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130062）

高速列車轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究

趙明花，梁樹林，宋春元

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130062）

高速鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)轉(zhuǎn)向架技術(shù)提出了更高要求，為能設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)越的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，調(diào)查了中國(guó)高速動(dòng)車組的線路條件、動(dòng)車組的車輪踏面磨耗情況，分析輪軌匹配關(guān)系；動(dòng)力學(xué)分析中考慮了轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)、抗蛇行減振器、空氣彈簧等部件的非線性特性，橡膠、減振器等減振元件高低溫變化條件下車輛參數(shù)的變化，電機(jī)彈性懸掛方式等，在實(shí)際輪軌匹配關(guān)系基礎(chǔ)上建立了車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真選擇了最優(yōu)懸掛參數(shù)，結(jié)合部件臺(tái)架測(cè)試對(duì)懸掛元件進(jìn)行了工程化設(shè)計(jì)；為掌握轉(zhuǎn)向架服役周期內(nèi)關(guān)鍵部件可靠性，對(duì)運(yùn)用動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了大量的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，系統(tǒng)分析了中國(guó)無(wú)砟軌道條件下轉(zhuǎn)向架主要承載區(qū)域載荷隨車輛運(yùn)營(yíng)周期、不同氣候條件、不同線路條件下的變化趨勢(shì)，建立了中國(guó)高速列車載荷譜體系。通過結(jié)構(gòu)、懸掛、傳動(dòng)、制動(dòng)、焊接、降噪、輪軌等系統(tǒng)集成，形成高速列車轉(zhuǎn)向架技術(shù)體系。

高速列車；輪軌關(guān)系；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；載荷譜；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1　前言

我國(guó)從2004年開始引進(jìn)國(guó)外高速列車技術(shù)，走“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”技術(shù)道路，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)鐵路的跨越式發(fā)展。與國(guó)外相比，我國(guó)高速線路全線采用無(wú)砟軌道，高速列車具有持續(xù)運(yùn)行速度最高、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)、運(yùn)行地域最廣、運(yùn)行密度最高、運(yùn)量最大的特點(diǎn)。自2007年至今7年多運(yùn)用時(shí)間，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架總體運(yùn)用平穩(wěn)性能良好，但在長(zhǎng)期服役性能跟蹤研究過程中也反映出一些個(gè)別區(qū)段輪軌匹配不良導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)性能下降，在滿足30年使用壽命的情況下，局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕量不足的問題。

在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)車組運(yùn)用的大量數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)深入研究，完全把握，通過正向設(shè)計(jì)方法，自主開發(fā)適合我國(guó)高速運(yùn)營(yíng)的高速轉(zhuǎn)向架。

2　高速轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模式研究

轉(zhuǎn)向架起承載、導(dǎo)向、減振、牽引、制動(dòng)等基本功能，對(duì)于高速列車來說轉(zhuǎn)向架性能既要有高速穩(wěn)定性又要提供優(yōu)良的平穩(wěn)舒適性，在滿足安全性前提下還應(yīng)具有高可靠性，降低整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本，同時(shí)為便于維修，部件設(shè)計(jì)過程中考慮更換頻率較高部件現(xiàn)場(chǎng)容易拆換。

世界各國(guó)的高速轉(zhuǎn)向架為了實(shí)現(xiàn)高速的基本功能，基本結(jié)構(gòu)包括：輪對(duì)及定位裝置、一系懸掛系統(tǒng)、構(gòu)架、二系懸掛系統(tǒng)、中央牽引裝置、動(dòng)力牽引系統(tǒng)等。動(dòng)、拖車結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1　動(dòng)、拖車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Motor，trailer bogie structure sketch map

1）輪對(duì)軸箱裝置主要由車輪、車軸、軸箱、軸承、齒輪箱及聯(lián)軸節(jié)等組成。輪對(duì)（見圖2）作為車輛與線路的系統(tǒng)界面，直接向鋼軌傳遞重力，通過輪軌間的粘著產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力，并通過車輪的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車輛在鋼軌上的運(yùn)行（平移）。為減輕簧下質(zhì)量和車軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般采用空心車軸。軸承采用高速圓錐、圓柱型滾子軸承，軸箱采用分體式結(jié)構(gòu)，便于輪對(duì)更換維修。動(dòng)輪為可安裝制動(dòng)盤的直輻板結(jié)構(gòu)，拖輪為S形輻板或直輻板，并裝有降噪阻尼材料或降噪塊。齒輪箱安裝采用基本對(duì)稱設(shè)計(jì)，箱體設(shè)計(jì)避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，通過箱體模態(tài)匹配計(jì)算，齒輪箱體等模態(tài)與部件模態(tài)、軌道激擾頻率實(shí)現(xiàn)錯(cuò)頻設(shè)計(jì)。一系定位裝置為能將橫向與垂向懸掛解耦，降低簧下重量，兼顧一系定位剛度在高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和曲線通過性能，采用轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)方式。

圖2　輪對(duì)及定位裝置Fig.2　Wheel set and axle guidance device

2）一系懸掛彈簧采用鋼彈簧與橡膠彈簧并聯(lián)方式，橡膠疊層彈簧除了隔振線路激擾引起的高頻振動(dòng)，提高車輛乘坐舒適性外，當(dāng)構(gòu)架與輪對(duì)發(fā)生較大運(yùn)行姿態(tài)變化時(shí)，通過疊層彈簧橡膠變形減小了鋼彈簧因變形引起的額外受力；鋼彈簧采用雙圈彈簧組形式，內(nèi)外彈簧的旋向相反；應(yīng)急彈簧設(shè)置合理的剛度曲線，在鋼彈簧出現(xiàn)損壞等故障條件下提供足夠的擾度，確保車輛低速運(yùn)行的安全性（見圖3）。

圖3　一系懸掛裝置Fig.3　Primary suspension devices

3）構(gòu)架結(jié)構(gòu)（見圖4）是轉(zhuǎn)向架的主體骨架，既要提供足夠的強(qiáng)度又要有各部位剛度協(xié)調(diào)，一般采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主體呈H型結(jié)構(gòu)，采用耐候型高強(qiáng)度焊接材料，構(gòu)架采用模塊化設(shè)計(jì)理念，動(dòng)、拖采用相同的側(cè)梁組成，側(cè)梁組成采用最優(yōu)化的變截面等強(qiáng)度設(shè)計(jì)；動(dòng)、拖車構(gòu)架橫梁主體結(jié)構(gòu)一致，為提高安裝支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高構(gòu)架抗彎去、扭矩能力，采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能性焊接不同的安裝座或其他部件。

圖4　構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Bogie frame structure sketch map

4）二系懸掛系統(tǒng)（見圖5）主要包括空氣彈簧、橫向減振器、抗蛇行減振器、抗側(cè)滾扭桿等裝置，從提高車輛乘坐舒適性角度考慮，采用大曲囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)，高柔性空氣應(yīng)急彈簧，確?？諝鈴椈蔁o(wú)氣狀態(tài)下具有足夠舒適性、安全余量，為防止單個(gè)空氣彈簧故障時(shí)車體傾斜，減少曲線通過空簧充排氣，空氣彈簧采用兩點(diǎn)控制方式；為確保車輛具有足夠的抗側(cè)滾能力，轉(zhuǎn)向架需設(shè)有扭桿裝置，扭桿通過枕梁上的兩個(gè)扭桿座及兩個(gè)扭桿襯套相連接，扭桿與轉(zhuǎn)向架之間是通過可調(diào)連桿連接，便于轉(zhuǎn)向架與車體落成后的調(diào)整；同時(shí)為減小車體、轉(zhuǎn)向架橫向晃動(dòng)，通過動(dòng)力學(xué)仿真確定了合理的抗蛇行、橫向減振器參數(shù)。中央牽引裝置能夠提供足夠縱向牽引剛度，平衡構(gòu)架受力狀態(tài)，將橫向與縱向作用力解耦，中央牽引裝采用了Z型拉桿結(jié)構(gòu)。

圖5　二系懸掛裝置Fig.5　Second suspension devices

5）動(dòng)車組牽引電機(jī)的懸掛方式（見圖6）主要有三種類型，即軸懸式、架懸式和體懸式，為降低輪軌作用力，提高車輛穩(wěn)定性，電機(jī)采用了彈性懸掛方式，降低了簧下質(zhì)量，同時(shí)降低了因輪軌匹配等效錐度升高引起的構(gòu)架諧波振動(dòng)的幅值。為減小電機(jī)與齒輪箱聯(lián)軸節(jié)之間的變位差，吊掛點(diǎn)應(yīng)接近小齒輪中心，采用了餅裝吊掛方式。

圖6　電機(jī)彈性懸掛方式Fig.6　Motor elastic suspension

3　車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，由于輪軌之間的相互作用，產(chǎn)生各種垂向和橫向作用力并引起車輛系統(tǒng)的各部件振動(dòng)，振動(dòng)響應(yīng)不僅與線路狀態(tài)有關(guān)，而且與車輛自身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，專門對(duì)車輛系統(tǒng)的各種振動(dòng)進(jìn)行研究稱為車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。隨著列車運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，對(duì)車輛運(yùn)行安全性和乘坐舒適度提出了更高的要求。而轉(zhuǎn)向架作為高速列車最重要的部件之一，其動(dòng)力學(xué)性能的好壞直接決定了車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性。中國(guó)高速動(dòng)車組已運(yùn)行了7年，隨著高速動(dòng)車組的大量開行以及動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程的迅速增加，動(dòng)車組的各種動(dòng)力學(xué)問題不時(shí)出現(xiàn)，這些問題雖沒有直接威脅到行車安全，但是給安全運(yùn)營(yíng)帶來了隱患，有些問題還降低了乘坐質(zhì)量，引起噪聲或者異常振動(dòng)，為查清產(chǎn)生問題的原因，對(duì)產(chǎn)生異常振動(dòng)的動(dòng)車組進(jìn)行了振動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行姿態(tài)的測(cè)試，并對(duì)線路情況進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，經(jīng)多次解決問題，對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了深化研究，形成了高速動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的研究體系。

3.1輪軌匹配研究

輪軌匹配（見圖7）關(guān)系是影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，因此車輪踏面外形設(shè)計(jì)十分重要。一般來說，車輪踏面設(shè)計(jì)主要考慮以下幾方面的因素：a.抗脫軌的安全性；b.順利通過道岔；c.避免輪軌兩點(diǎn)接觸；d.導(dǎo)向性能好；e.輪軌磨耗小；f.車輛動(dòng)力學(xué)性能（包括穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性能）好。要使設(shè)計(jì)出的踏面形狀滿足上述所有條件可能有一些難度，通常應(yīng)根據(jù)各類車輛的具體運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)采用能解決主要矛盾的踏面形狀。

圖7　輪軌匹配示意圖（單位：m）Fig.7　Wheel rail matching map（unit：m）

我國(guó)高速動(dòng)車組采用的軌廓形狀為CH60，與UIC60E1比較接近，但武廣高鐵開通后運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組先后出現(xiàn)了構(gòu)架橫向加速度報(bào)警問題，經(jīng)對(duì)報(bào)警路段進(jìn)行線路測(cè)試發(fā)現(xiàn)，報(bào)警區(qū)段鋼軌CH60打磨前的軌肩比較突出，與磨耗踏面匹配的等效錐度偏大，制定標(biāo)準(zhǔn)打磨鋼軌外形為CH60N，與UIC60E2比較接近，通過車輪鏇修、鋼軌打磨改善局部線路輪軌匹配關(guān)系，能夠明顯抑制構(gòu)架諧波振動(dòng)；線路部門對(duì)異常路段實(shí)施打磨過程中可能產(chǎn)生過打磨情況，導(dǎo)致鋼軌軌肩較低，與新鏇修踏面匹配的等效錐度大幅降低，容易發(fā)生車體低頻晃動(dòng)，如滿足高速動(dòng)車組運(yùn)行性能，輪軌匹配需做到精細(xì)調(diào)整，根據(jù)線路軌道參數(shù)的調(diào)查情況，為適應(yīng)中國(guó)線路鋼軌打磨前、打磨后、異常鋼軌等線路現(xiàn)狀，車輪踏面設(shè)計(jì)需要考慮新車狀態(tài)與過渡打磨路段鋼軌匹配下對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響，車輪踏面磨耗狀態(tài)與打磨前鋼軌匹配下對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響，兼顧動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)還需考慮踏面的磨耗量。我國(guó)實(shí)測(cè)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)軌廓外形分別如圖8和圖9所示。

圖8　我國(guó)實(shí)測(cè)軌廓外形Fig.8　China measurement rail shape

圖9　歐洲標(biāo)準(zhǔn)軌廓外形Fig.9　Europe standard rail shape

動(dòng)車組在不同線路、不同運(yùn)行速度條件下踏面的磨耗形狀存在較大差異，而踏面磨耗的差異對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響較大，對(duì)車輛目前既有高速動(dòng)車組踏面磨耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相差較小，大約每1×105km磨耗0.3 mm，但性能差異主要緣于磨耗狀態(tài)，車輛以低于設(shè)計(jì)速度運(yùn)行時(shí)，踏面磨耗位置偏向外側(cè)，車輛以高速運(yùn)行時(shí)，踏面磨耗位置偏向于內(nèi)側(cè)，而在有較少曲線和線路較好上運(yùn)行時(shí)，踏面容易出現(xiàn)凹型磨耗，車輪踏面凹陷磨耗是指車輪在鋼軌上長(zhǎng)期地滾動(dòng)接觸，呈現(xiàn)出下凹形狀的磨損形態(tài)，即踏面的中央部分會(huì)磨耗得低于踏面的外側(cè)，如圖10所示。

圖10　踏面凹型磨耗情況Fig.10　Tread concave type wear

車輪踏面凹陷磨耗會(huì)嚴(yán)重惡化輪軌接觸幾何關(guān)系，增加踏面等效錐度，降低蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，影響旅客乘坐舒適度，引起噪聲或異常振動(dòng)，甚至還威脅到行車安全。

經(jīng)過對(duì)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組的多年服役跟蹤，測(cè)試了隨運(yùn)行歷程的變化的車輪踏面磨耗情況，同時(shí)對(duì)不同線路狀態(tài)進(jìn)行軌廓形狀測(cè)量，踏面新輪和磨耗輪與不同軌廓匹配的等效錐度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)等效錐度相差較大，假如新踏面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配時(shí)的等效錐度為0.18，與打磨鋼軌CH60N匹配時(shí)等效錐度為0.1，與軌肩過度打磨鋼軌CH60dmh匹配時(shí)等效錐度為0.04；磨耗踏面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配的等效錐度為0.35，而與軌肩突出鋼軌CH60dmq匹配時(shí)等效錐度可達(dá)到0.6；對(duì)比如圖11所示。

圖11　踏面磨耗前后與不同軌廓匹配的等效錐度對(duì)比Fig.11　Equivalent conicity of tread wear before and after with different rail type

基于大量線路軌廓型狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，適應(yīng)中國(guó)線路條件的踏面設(shè)計(jì)[1]，通過動(dòng)力學(xué)仿真分析確定工作區(qū)域錐度特性，常工作區(qū)應(yīng)保證列車具有足夠的安全性、舒適性，高、低錐度區(qū)域在確保在線路參數(shù)公差范圍內(nèi)輪軌匹配等效錐度變化較小，同時(shí)又滿足列車曲線通過時(shí)具有足夠的徑向功能（見圖12）。

圖12　踏面設(shè)計(jì)示意圖Fig.12　Tread design map

3.2動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算

動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算一般包括臨界速度、運(yùn)行穩(wěn)定性、曲線通過性能、平穩(wěn)性和舒適性計(jì)算等，分析模型一般將構(gòu)架、車體看作剛性體，通過懸掛元件連接。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，懸掛部件的非線性特性，構(gòu)架、車體的彈性振動(dòng)、車下吊掛部件的懸掛模態(tài)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能均有較大影響，簡(jiǎn)單依靠動(dòng)力學(xué)計(jì)算確定最優(yōu)懸掛參數(shù)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)已不能滿足高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架工程應(yīng)用要求，目前動(dòng)力學(xué)計(jì)算需將懸掛元件參數(shù)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)帶入動(dòng)力學(xué)模型，線路、臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試了定位節(jié)點(diǎn)、抗蛇行減振器等部件的動(dòng)態(tài)特性，需要考慮構(gòu)架、車體的彈性振動(dòng)，為確保關(guān)鍵部件故障狀態(tài)下車輛的安全性，還需要考慮關(guān)鍵部件失效狀態(tài)下車輛的安全性，車線耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析如圖13所示。由于高速鐵路曲線半徑均較大，曲線通過性能均較好，下面從臨界速度、運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和舒適性三個(gè)方面分析影響動(dòng)力學(xué)性能的參數(shù)。

圖13　車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析流程Fig.13　Vehicle dynamics system analysis process

3.2.1臨界速度分析

為保證高速動(dòng)車組運(yùn)行速度要求，必須有足夠大的臨界速度，轉(zhuǎn)向架哪些懸掛和質(zhì)量參數(shù)對(duì)臨界速度影響最大，首先進(jìn)行靈敏度分析，以目前已投入運(yùn)營(yíng)某動(dòng)車組為例，通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn)抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)剛度及阻尼、車體質(zhì)量變化對(duì)車輛臨界速度影響較大，在車輛設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重控制車體質(zhì)量、抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

圖14為懸掛參數(shù)對(duì)臨界速度影響分析，圖15為質(zhì)量參數(shù)對(duì)臨界速度影響分析。

圖14　懸掛參數(shù)對(duì)臨界速度影響分析Fig.14　Suspension parameters analysis of critical velocity effect

圖15　質(zhì)量參數(shù)對(duì)臨界速度影響分析Fig.15　Mass parameters analysis of critical velocity effect

3.2.2運(yùn)行穩(wěn)定性分析

仍以投入運(yùn)營(yíng)某動(dòng)車組為例，通過靈敏度分析、踏面等效錐度、一系定位節(jié)點(diǎn)剛度、抗蛇行減振器參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性影響最大。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，等效錐度較低錐度時(shí)，抗蛇行減振器等效剛度越大，轉(zhuǎn)臂縱向剛度的可選擇范圍越小；等效錐度較高時(shí)，抗蛇行減振器等效剛度越大，穩(wěn)定性越好，轉(zhuǎn)臂縱向剛度的可選擇范圍越大，如圖16所示[2，3]。

圖16　不同等效錐度下定位節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)臨界速度的影響Fig.16　Analysis of the guidance node stiffness effect on the critical speed under different equivalent conicity

3.2.3平穩(wěn)性和舒適性分析

中國(guó)幅員遼闊，動(dòng)車組在長(zhǎng)距離運(yùn)行時(shí)，盡量提高乘坐舒適性，降低旅客乘坐疲勞感就顯得尤為重要了，是與其他交通工具競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，為了抓住問題的主要矛盾，采用上述相同的動(dòng)車組參數(shù)模型，首先建立多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)懸掛參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、輪軌參數(shù)對(duì)旅客橫向乘坐舒適度的敏感程度，抗蛇行減振器動(dòng)態(tài)特性、輪軌匹配等效錐度、車輛系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性、舒適性指標(biāo)影響較大（見圖17）。

圖17　車輛系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性、舒適性的影響分析Fig.17　Analysis the impact of vehicle parameters on system stationarity and comfort

車輛設(shè)計(jì)及懸掛參數(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)通過部件臺(tái)架特性試驗(yàn)、整車滾振試驗(yàn)、線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)等手段對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行多方比對(duì)，選出最優(yōu)參數(shù)。

4　構(gòu)架結(jié)構(gòu)可靠性研究

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的主體結(jié)構(gòu)，一般均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用壽命30年。構(gòu)架各個(gè)部位承受各種不同的疲勞載荷（見圖18），構(gòu)架的失效主要是焊縫處疲勞失效。

圖18　構(gòu)架承受載荷情況Fig.18　Bogie frame loading force

在研發(fā)階段進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)架試制完成后一般通過臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法來驗(yàn)證評(píng)估構(gòu)架設(shè)計(jì)壽命。目前，在進(jìn)行機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)載荷譜的確定一般采用以下3種方法。a.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：通過實(shí)際線路試驗(yàn)測(cè)試得到構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力/應(yīng)變，結(jié)合標(biāo)定試驗(yàn)和載荷識(shí)別技術(shù)，統(tǒng)計(jì)分析得到需要的載荷譜；或?qū)?gòu)件設(shè)計(jì)為力傳感器，直接測(cè)試得到結(jié)構(gòu)上的載荷；b.估算數(shù)據(jù)：依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析工況，結(jié)合線路和車輛設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)載荷譜進(jìn)行估計(jì)，這種方法需要較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)積累；c.動(dòng)力學(xué)仿真：通過動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)合部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得各種工況下的應(yīng)力—時(shí)間歷程，通過載荷應(yīng)力傳遞關(guān)系，獲得載荷譜，上述3種方法中，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度最高[3]。在引進(jìn)動(dòng)車組和動(dòng)車組服役跟蹤試驗(yàn)之前，通常采用UIC標(biāo)準(zhǔn)中提出載荷譜作為設(shè)計(jì)和試驗(yàn)依據(jù)，但由于UIC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外疲勞試驗(yàn)用載荷譜主要是基于歐洲的線路及運(yùn)用情況提出的，由于我國(guó)線路條件與國(guó)外的差異性及不同線路之間的差異性，實(shí)際獲得的載荷譜與既有相比存在很大差異，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)及臺(tái)架驗(yàn)證階段壽命滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，但在運(yùn)營(yíng)過程中卻提前出現(xiàn)了局部開裂等問題，因此，能夠確定構(gòu)架各部位載荷形式，在設(shè)計(jì)時(shí)采用有限元方法和臺(tái)架疲勞試驗(yàn)準(zhǔn)確把握構(gòu)架的疲勞壽命是必要的，載荷譜的研究是高速轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)可靠性研究的核心和基礎(chǔ)。

中國(guó)高速鐵路投入運(yùn)用以來，對(duì)運(yùn)行動(dòng)車組進(jìn)行的持續(xù)跟蹤試驗(yàn)，測(cè)試覆蓋了京滬、京廣、哈大高鐵線路，掌握了高寒、高溫等不同氣候條線下2×106km的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨車輪踏面磨耗、運(yùn)行里程的變化趨勢(shì)，如圖19所示，比較全面準(zhǔn)確的掌握了構(gòu)架疲勞損傷較大部位，在對(duì)跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際跟蹤獲得的構(gòu)架上不同部位測(cè)點(diǎn)的全時(shí)域有效應(yīng)力值，按1.5×107km全壽命周期換算成等效應(yīng)力；同一部位測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值在不同線路跟蹤結(jié)果是不同的，考慮到車輛運(yùn)用線路的全覆蓋，各測(cè)點(diǎn)均取最大等效應(yīng)力值；將構(gòu)架所受載荷分解為四個(gè)基本載荷系和四個(gè)輔助載荷系，其中基本載荷系為浮沉載荷系、側(cè)滾載荷系、扭轉(zhuǎn)載荷系和橫向載荷系，輔助載荷系為牽引載荷系、電機(jī)載荷系、齒輪箱載荷系和制動(dòng)載荷系，在具備各力系加載的疲勞試驗(yàn)臺(tái)上按損傷一致性原則進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得載荷譜，如圖20、圖21所示。

圖19　構(gòu)架各測(cè)點(diǎn)在運(yùn)營(yíng)中動(dòng)應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.19　Dynamic stress variation trend of each bogie frame measuring point

以中國(guó)某既有動(dòng)車組測(cè)試數(shù)據(jù)及載荷譜為例，表1給出了損傷一致性校準(zhǔn)后由校準(zhǔn)載荷譜計(jì)算得到的構(gòu)架各測(cè)點(diǎn)損傷與實(shí)際損傷的比較。可見，校準(zhǔn)后的載荷譜更為準(zhǔn)確可靠，依據(jù)該方法可將國(guó)際上現(xiàn)行的處于定性層次的構(gòu)架可靠性試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范提升至定量層次，為今后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供更為準(zhǔn)確的載荷依據(jù)。

圖20　鏇輪前后構(gòu)架基本載荷系載荷譜比較Fig.20　Compare the bogie frame main load spectrum before and after turning wheels

圖21　牽引載荷系和制動(dòng)載荷系與列車運(yùn)行速度的關(guān)系Fig.21　Traction load and braking load relationship with the train running speed

表1　構(gòu)架各測(cè)點(diǎn)損傷值比較（×107/C）Table 1　Damage value of measuring points of each bogie frame（×107/C）

5　結(jié)語(yǔ)

中國(guó)高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)不但要滿足功能性需求，還必須具備足夠可靠性、優(yōu)秀的動(dòng)力學(xué)性能，還要盡可能降低壽命周期內(nèi)維護(hù)成本、易于維護(hù)。轉(zhuǎn)向架懸掛元件非線性特性、部件模態(tài)均對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較大影響，系統(tǒng)集成技術(shù)涉及材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞可靠性、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)電耦合等多學(xué)科及交叉學(xué)科。從引進(jìn)技術(shù)到自主開發(fā)7年時(shí)間，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)從照搬國(guó)外圖紙、技術(shù)條件到臺(tái)架、線路試驗(yàn)摸索，正逐步建立中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)體系，轉(zhuǎn)向架涉及的結(jié)構(gòu)可靠性、動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化等取得了階段性的成果，但在輪軌接觸、振動(dòng)降噪、壽命評(píng)估等技術(shù)與國(guó)外還存在一定的差距，還需進(jìn)一步深化研究。

[1]池茂如.CRH3動(dòng)車組踏面改良設(shè)計(jì)報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[2]羅仁.標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組S1002CN踏面動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3]毛賀.高速列車載荷譜編制方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

High-speed train bogie technology research

Zhao Minghua，Liang Shulin，Song Chunyuan
（Research&Development Center，Changchun Railway Vehicles Co.Ltd.，Changchun 130062，China）

High-speed railway propose higher requirements on the bogie technology，in order to design a super performance of electric multiple unit（EMU）bogie，investigate the line condition of China passenger dedicated railway，and also investigate the wheel tread wear of EMU，use actual measurement rail profile and worn profile tread analysis the matching relationship of wheel and rail.Dynamics analysis consider nonlinear characteristics of box guidance node，antihunting damper，air spring and other parts，and consider the parameters changes at different high and low temperature variations，also consider motor elastic suspension mode，basic on above factor，build vehicle dynamics model with actual wheel rail matching relationship，through system simulation optimal selection of suspension parameters，combined with the test stand construction design.In order to grasp the key parts of bogie service period reliability，take a great deal dynamic stress test，use the test data analysis maintenance vehicle operating cycle，different climatic conditions，different line conditions on the ballastless track of China，setup China highspeed train load spectrum.Through system integration of the structure design，suspension，transmission，brake，wheel rail noise，structure welding and so on，the high-speed train bogie technology system was founded.

high-speed train；wheel/rail relationship；system dyanmics；load spectrum；structural optimization

U238

A

1009-1742（2015）04-0053-10

2014-12-20

趙明花，1964年出生，女，吉林舒蘭市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)車車輛；E-mail：zhaominghua@cccar.com.cn