试分析动车组转向架柔性构架的动态特性及简单设计

徐华祥

摘 要：动车组转向架一直都是动车组部件中最为关键和核心的部件。随着我国铁路速度的提升以及高速铁路动车组的不断发展，动车组转向架柔性构架的问题也成为关系到动车组安稳运行的重要问题。该文以动车组转向架为研究对象，分别从两个方面探讨了其柔性构架的动态特性，即柔性多体系统动力学的计算方法以及构架刚度对动车性能的影响，最后从焊接结构特点提出了转向架柔性设计中横梁设计的影响。希望能为广大业内人士提供一些浅薄的参考意见。

关键词：动车组 转向架 柔性构架

中图分类号：U270.33 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0033-01

1 柔性多体系统动力学的计算方法

转向架的柔性架构特性属于动力学知识的组成部分之一，其动态特性的研究可通过相关的计算方法得以体现。而在计算时可先以多刚体系统动力学作为基础模型，设P点为刚体上任一一点，其矢径rr为相对坐标原点O，而rr=RO+Ae`。其中RO为P点刚体坐标系中原点O`相对全局坐标系O的矢径，A为随体坐标系向全局坐标系的坐标转换矩阵，e`为常数列阵。

当把P点当作满足假设弹性体，那么列阵e`可表示为e`=e`o+e`f。其中e`o是物体没有变形O`指向P点的矢量在随体坐标的坐标列阵，e`f则为P点弹性变形向量在随体坐标中的坐标列阵。

根据上述两个公式可得出，柔性体上的矢径r可得出如下表达式：r=R0+A（e`o+e`f）。而根据列阵公式，当柔性体的矢径r属于弹性变形的范围时，列阵e`f=Φqf。其中Φ表示形函数矩阵，qf表示节点位移向量矩阵。由此就可以得出，r=R0+A（e`o+Φqf），再对这个式子取时间的一阶与二阶导数，P点的速度以及加速度就可以表示为。

2 构架刚度对动车组性能的影响

2.1 对动车组稳定性能的影响

根据动车组各种构架刚度模型来看，影响其稳定性能的主要包括两项指标，一个是轮轨的导向力之和，还有一个是构架的加速度。经过相关数据分析指出，判断动车组稳定性能的指标会随着其速度的不断提升，稳定性也随之下降。此外，当动车组的运行速度不同的时候，直线路上运行，不同构架刚度动车组的轮轨导向力之和以及构架横向的加速度基本上保持一致。故而，就稳定性上来讲，构架刚度的影响基本可以忽略不计。

2.2 对动车组平稳性能的影响

在评价动车组平稳性能上，最直观的两项指标就是车辆运行的平稳性以及乘车的舒适性，除了这两项指标外，车体测量点振动的加速度同样是影响动车组运行平稳性的关键指标。经过测试数据表明，动车组的平稳性评价指标也会因为速度的提升指标系数会随之上涨。当速度相同，柔性多体动力学模型的动车组与刚体模型构成的扭转刚度构架，计算得出的平稳性指标基本上没有什么差距，也就是说，构架刚度在影响动车组的平稳性上是很小的。因为动车组的平稳性主要与中央悬挂系统有关，而动车组的中央悬挂系统大多数使用的是空气弹簧，在削弱弹簧之间的质量振动上能够起到很好的作用。

2.3 对动车组安全性能的影响

动车组的安全性主要与四项指标相关，即脱轨系数、轮轨导向力之和、轮重减载率及轮轨垂向力。动车组使用构架刚度的差异，以及运行路况的差异，都影响动车组的运行安全性。而经过实测表明，动车组的构建刚度在影响其安全性上，只有部分安全指标系数会受到构架刚度的影响。在转向架系统中，扭转刚度属于串联刚度，而构架扭转刚度引用到刚体动力学模型之后，扭转刚度也随之降低，动车组在经过一些起伏性的线路，轮轨的垂向力也被重新分配，动车组采用相同的转向架后轮轨的垂向力之间的差值会有所缩小，而且当构架扭转刚度不断降低之后这种情况将变得更为明显。故而，影响动车组安全性的指标中的轮轨垂向力以及轮重减载率会随着构架刚度的减小将不断降低。因此，就两项指标而言，扭转刚度的影响作用是非常显著的。但是，在影响轮轨间的横向作用上，构架的扭转刚度并不会产生明显的作用，也就是说，动车在经过非直线线路的时候，其脱轨系数以及轮轨导向之和两项指标的系数差距是非常小的，即使通过减小动车组的构架扭转刚度也无法改进上述指标。

3 柔性构架设计方法

3.1 动车转向架焊接构架的结构特点

目前国内CRH2型动车组的转向架主要采用的焊接构架为管截面的横梁构架，这种结构的转向架横梁是无缝钢管结构，焊接在侧梁和外腹板上，将堵板与横梁首端位置进行焊接，并将牵引拉杆座、制动吊梁以及中心框架安装座三个稳定装置焊接于横梁之上。这种结构转向架的缺点在于无法让结构疲劳产生作用，而为了弥补这个不足，CRH2型动车在进行转向架焊接构架设计的过程中，将加强之后的环结构装置于侧梁板与内腔接近的位置。虽然经过的强化之后可以增加焊接处的承载面积，但是因为焊接处与腹板的仍然比较脆弱，实际运行中可接受承载力还是会受到一定的限制。

3.2 构架扭转柔性设计

动车组转向架的柔性设计实际上就对其构建扭转刚度进行柔性化，而经过相关研究得出，影响动车组的构建扭转刚度主要是两个因素，正是上文所述的横梁弯曲刚度以及扭转刚度。但是当截面壁厚发生变化的时候，两者因素影响也会同样随之变化。总结之后的情况就是，壁厚小的时候，两个因素的比值就会比较靠近，为了降低构架的扭转刚度，就需要对横梁的弯曲刚度进行优化。而当壁厚增大的时候，两者比值的影响就会增强。故而，设计柔性化构架的关键就是要控制好横梁的扭转及弯曲刚度，并将两种刚度进行合理的匹配。但需要提出的一点，扭转刚度的值也不能过低，否则将会使结构扭转振型以及构建的点头与动车的浮沉振动出现耦合的情况。

此外，除了控制横梁的扭转强度，降低其纵向间距同样也是进行构架柔性设计的有效办法。因为，实测表明，当构架横梁之间的间距增加的时候，受到斜对称载荷的影响之后，构架的扭转强度也随之增强。而在实际设计构架结构的过程中，横梁纵向间距的控制还要考虑动车内一些连接件的空间布置情况，比如牵引装置占据横梁的空间大小，如果其间距较大，则适合使用较长的牵引拉杆，这样动车在一些曲线路线运行时，可以降低拉杆两端橡胶位置的偏转角。

4 结语

研究动车组转向架的柔性构架，了解其动态性的结构特征，与动力学中相关知识密不可分，也是保证其精确性与稳定性的重要基础。该文首先根据相关资料研究列出了与柔性体动力相关的计算方法，并结合实测数据分析了构架刚度在柔性构架中对动车性能的影响。基于此，以CRH2型动车横梁结构特点为例，阐述了动车组柔性设计中横梁扭转刚度和纵向间距的重要性。

参考文献

[1] 徐文正.CRH_2动车组动车构架结构强度分析[D].北京：北京交通大学，2008.

[2] 张晓鹤.CRH2动车组动力转向架焊接构架优化[D].成都：西南交通大学，2013.

[3] 刘建勋，卜继玲.轨道车辆转向架橡胶弹性元件应用技术[M].北京：中国铁道出版社，2012.