徐華祥

摘 要：動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架一直都是動(dòng)車組部件中最為關(guān)鍵和核心的部件。隨著我國(guó)鐵路速度的提升以及高速鐵路動(dòng)車組的不斷發(fā)展，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架的問(wèn)題也成為關(guān)系到動(dòng)車組安穩(wěn)運(yùn)行的重要問(wèn)題。該文以動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架為研究對(duì)象，分別從兩個(gè)方面探討了其柔性構(gòu)架的動(dòng)態(tài)特性，即柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法以及構(gòu)架剛度對(duì)動(dòng)車性能的影響，最后從焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了轉(zhuǎn)向架柔性設(shè)計(jì)中橫梁設(shè)計(jì)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(jiàn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組 轉(zhuǎn)向架 柔性構(gòu)架

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

1 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法

轉(zhuǎn)向架的柔性架構(gòu)特性屬于動(dòng)力學(xué)知識(shí)的組成部分之一，其動(dòng)態(tài)特性的研究可通過(guò)相關(guān)的計(jì)算方法得以體現(xiàn)。而在計(jì)算時(shí)可先以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)作為基礎(chǔ)模型，設(shè)P點(diǎn)為剛體上任一一點(diǎn)，其矢徑rr為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)O，而rr=RO+Ae`。其中RO為P點(diǎn)剛體坐標(biāo)系中原點(diǎn)O`相對(duì)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(diǎn)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(méi)有變形O`指向P點(diǎn)的矢量在隨體坐標(biāo)的坐標(biāo)列陣，e`f則為P點(diǎn)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(gè)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(shí)，列陣e`f=Φqf。其中Φ表示形函數(shù)矩陣，qf表示節(jié)點(diǎn)位移向量矩陣。由此就可以得出，r=R0+A（e`o+Φqf），再對(duì)這個(gè)式子取時(shí)間的一階與二階導(dǎo)數(shù)，P點(diǎn)的速度以及加速度就可以表示為。

2 構(gòu)架剛度對(duì)動(dòng)車組性能的影響

2.1 對(duì)動(dòng)車組穩(wěn)定性能的影響

根據(jù)動(dòng)車組各種構(gòu)架剛度模型來(lái)看，影響其穩(wěn)定性能的主要包括兩項(xiàng)指標(biāo)，一個(gè)是輪軌的導(dǎo)向力之和，還有一個(gè)是構(gòu)架的加速度。經(jīng)過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析指出，判斷動(dòng)車組穩(wěn)定性能的指標(biāo)會(huì)隨著其速度的不斷提升，穩(wěn)定性也隨之下降。此外，當(dāng)動(dòng)車組的運(yùn)行速度不同的時(shí)候，直線路上運(yùn)行，不同構(gòu)架剛度動(dòng)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(lái)講，構(gòu)架剛度的影響基本可以忽略不計(jì)。

2.2 對(duì)動(dòng)車組平穩(wěn)性能的影響

在評(píng)價(jià)動(dòng)車組平穩(wěn)性能上，最直觀的兩項(xiàng)指標(biāo)就是車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性以及乘車的舒適性，除了這兩項(xiàng)指標(biāo)外，車體測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)的加速度同樣是影響動(dòng)車組運(yùn)行平穩(wěn)性的關(guān)鍵指標(biāo)。經(jīng)過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，動(dòng)車組的平穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)也會(huì)因?yàn)樗俣鹊奶嵘笜?biāo)系數(shù)會(huì)隨之上漲。當(dāng)速度相同，柔性多體動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)車組與剛體模型構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)剛度構(gòu)架，計(jì)算得出的平穩(wěn)性指標(biāo)基本上沒(méi)有什么差距，也就是說(shuō)，構(gòu)架剛度在影響動(dòng)車組的平穩(wěn)性上是很小的。因?yàn)閯?dòng)車組的平穩(wěn)性主要與中央懸掛系統(tǒng)有關(guān)，而動(dòng)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(dòng)上能夠起到很好的作用。

2.3 對(duì)動(dòng)車組安全性能的影響

動(dòng)車組的安全性主要與四項(xiàng)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(dòng)車組使用構(gòu)架剛度的差異，以及運(yùn)行路況的差異，都影響動(dòng)車組的運(yùn)行安全性。而經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)表明，動(dòng)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(huì)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(dòng)力學(xué)模型之后，扭轉(zhuǎn)剛度也隨之降低，動(dòng)車組在經(jīng)過(guò)一些起伏性的線路，輪軌的垂向力也被重新分配，動(dòng)車組采用相同的轉(zhuǎn)向架后輪軌的垂向力之間的差值會(huì)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(dòng)車組安全性的指標(biāo)中的輪軌垂向力以及輪重減載率會(huì)隨著構(gòu)架剛度的減小將不斷降低。因此，就兩項(xiàng)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(huì)產(chǎn)生明顯的作用，也就是說(shuō)，動(dòng)車在經(jīng)過(guò)非直線線路的時(shí)候，其脫軌系數(shù)以及輪軌導(dǎo)向之和兩項(xiàng)指標(biāo)的系數(shù)差距是非常小的，即使通過(guò)減小動(dòng)車組的構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度也無(wú)法改進(jìn)上述指標(biāo)。

3 柔性構(gòu)架設(shè)計(jì)方法

3.1 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)CRH2型動(dòng)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(wú)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(dòng)吊梁以及中心框架安裝座三個(gè)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(diǎn)在于無(wú)法讓結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生作用，而為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，CRH2型動(dòng)車在進(jìn)行轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將加強(qiáng)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(guò)的強(qiáng)化之后可以增加焊接處的承載面積，但是因?yàn)楹附犹幣c腹板的仍然比較脆弱，實(shí)際運(yùn)行中可接受承載力還是會(huì)受到一定的限制。

3.2 構(gòu)架扭轉(zhuǎn)柔性設(shè)計(jì)

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的柔性設(shè)計(jì)實(shí)際上就對(duì)其構(gòu)建扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行柔性化，而經(jīng)過(guò)相關(guān)研究得出，影響動(dòng)車組的構(gòu)建扭轉(zhuǎn)剛度主要是兩個(gè)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(shí)候，兩者因素影響也會(huì)同樣隨之變化?？偨Y(jié)之后的情況就是，壁厚小的時(shí)候，兩個(gè)因素的比值就會(huì)比較靠近，為了降低構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度，就需要對(duì)橫梁的彎曲剛度進(jìn)行優(yōu)化。而當(dāng)壁厚增大的時(shí)候，兩者比值的影響就會(huì)增強(qiáng)。故而，設(shè)計(jì)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(diǎn)，扭轉(zhuǎn)剛度的值也不能過(guò)低，否則將會(huì)使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型以及構(gòu)建的點(diǎn)頭與動(dòng)車的浮沉振動(dòng)出現(xiàn)耦合的情況。

此外，除了控制橫梁的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，降低其縱向間距同樣也是進(jìn)行構(gòu)架柔性設(shè)計(jì)的有效辦法。因?yàn)椋瑢?shí)測(cè)表明，當(dāng)構(gòu)架橫梁之間的間距增加的時(shí)候，受到斜對(duì)稱載荷的影響之后，構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。而在實(shí)際設(shè)計(jì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，橫梁縱向間距的控制還要考慮動(dòng)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(zhǎng)的牽引拉桿，這樣動(dòng)車在一些曲線路線運(yùn)行時(shí)，可以降低拉桿兩端橡膠位置的偏轉(zhuǎn)角。

4 結(jié)語(yǔ)

研究動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的柔性構(gòu)架，了解其動(dòng)態(tài)性的結(jié)構(gòu)特征，與動(dòng)力學(xué)中相關(guān)知識(shí)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(dòng)力相關(guān)的計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了構(gòu)架剛度在柔性構(gòu)架中對(duì)動(dòng)車性能的影響?；诖?，以CRH2型動(dòng)車橫梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為例，闡述了動(dòng)車組柔性設(shè)計(jì)中橫梁扭轉(zhuǎn)剛度和縱向間距的重要性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐文正.CRH_2動(dòng)車組動(dòng)車構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[2] 張曉鶴.CRH2動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架優(yōu)化[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[3] 劉建勛，卜繼玲.軌道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.