动车组转向架簧间大质量部件（牵引电机）振动解耦技术方案

罗湘萍 詹庆涛 吴凯桦

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

动车组转向架簧间大质量部件（牵引电机）振动解耦技术方案

罗湘萍 詹庆涛 吴凯桦

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

针对更高速度等级动车组转向架的簧间大质量部件（牵引电机）振动解耦技术进行了专题研究，分析了牵引电机的横向悬挂刚度和阻尼对转向架动力学性能的影响。结果表明，让牵引电机和构架在横向方向解耦到一定程度，即适当降低牵引电机的横向悬挂刚度和阻尼，可提高转向架的蛇行临界速度。为达到较高蛇行临界速度所需的横向悬挂刚度和阻尼，提出了一种高速转向架牵引电机横向解耦弹性架悬机构技术方案。该方案能将电机的横向悬挂刚度降低至0.34 MN/m，可实现电机与构架的横向低刚度解耦。

高速铁路列车；牵引电机；转向架；解耦技术

Author＇s address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

高速列车的整车动力学性能主要由转向架动力学性能决定，而簧间大质量部件（牵引电机）的悬挂方式对转向架的动力学性能的影响十分明显。传统的牵引电机采用架悬结构，其牵引电机和构架为一整体，簧间质量较大，基本能满足列车时速300 km左右时的动力学性能要求。但对高速列车（如时速500 km）来说，其单轴功率将增大，牵引电机重量势必增加。此时，如果仍采用传统的电机刚性架悬结构，会将使得簧间质量更大，则转向架难以满足更高时速运行的动力学性能要求。

若牵引电机和构架之间采用弹性横向解耦连接，则能减小构架的横向质量和摇头惯量，从而改善平稳性，减小轮轨作用力，提高转向架蛇形临界速度［1］。

国内外实现横向解耦的弹性架悬结构大多结构复杂，制造难度大。如CRH 380 B/BL动车组转向架通过在牵引电机和构架之间设置横向弹性装置-薄钢板弹簧（见图1）来实现横向解耦。该转向架上的前后两台牵引电机通过螺栓悬臂连接到一个专门设置的安装架上，将四根具有横向弹性的吊板（板弹簧）一端通过橡胶元件连接在该电机安装架上，另一端通过螺栓固定在构架横梁上。薄钢板弹簧在板厚方向刚度较低，从而降低了电机的横向悬挂刚度。虽然这种独特的悬吊结构既保证了电机在纵向、竖向的悬挂刚度；又减小了电机的横向悬挂刚度；但该结构设计过于复杂，制造维护难度大，同时制造成本也较高。

为解决这些问题，本文设计了一种结构更加简单的高速转向架牵引电机横向解耦弹性架悬机构。采用SiMpack软件建立了车辆整车动力学仿真模型，并借助该模型分析横向解耦程度对车辆动力学性能的影响，从而得到牵引电机横向解耦弹性架悬优化后的悬挂参数，并以此为前提进行横向解耦机构的设计与分析验证。

图1　吊架式弹性架悬结构图［2］

1　牵引电机横向悬挂参数对转向架动力学性能的影响

牵引电机的横向悬挂参数会影响转向架的动力学性能。为确定合适的解耦程度，利用SiMpack软件搭建了车辆整车动力学模型，以分析在牵引电机不同的横向悬挂刚度和横向悬挂阻尼下的转向架动力学性能。

1.1横向悬挂刚度和阻尼对蛇行临界速度的影响

基于动力学模型仿真计算可知，当转向架牵引电机刚性架悬时，车辆的蛇行临界速度约为540 km/h左右。通过降低模型中的电机悬挂横向刚度，调整横向阻尼Cy，可计算出不同解耦程度下车辆的蛇行临界速度（见图2及图3）。

2017年，我国卫生和社会工作行业固定资产投资额达到7327亿元，比上年增长18.1%。在固定资产投资的促进下，健康旅游产业项目正在加快建设。如浙江舟山，健康旅游项目已开工19个、签约19个、在谈35个，涉及特色医疗服务、高端康体养生、海洋生物医药等领域，已投资755.6亿元。海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区，已通过评估项目39个、开工27个，涉及高端医疗、健康管理、医学科研等，开工项目用地面积1948亩，总投资额210亿元[7]。以项目建设为载体，以资本运作为纽带，健康旅游产业的发展潜力日益显现。

图2　牵引电机不同横向刚度和横向阻尼下的临界速度

图3　牵引电机不同横向阻尼和横向刚度下的临界速度

由图2可以看出，当牵引电机横向刚度超过4 MN/m后，增大或者减小横向阻尼对临界速度的影响不大。由图2和图3也可以看出牵引电机横向刚度在4×105N/m左右，横向阻尼在6～30 k N·s/m范围内时，蛇行临界速度较高。当牵引电机的横向刚度和横向阻尼取值较小时，蛇行临界速度很低。

综上所述，蛇行临界速度受到牵引电机横向刚度和横向阻尼的共同影响。当横向刚度在0.4 MN/m左右，横向阻尼在6～30 k N·s/m范围内时，蛇行临界速度可达到800 km/h以上，比传统的牵引电机刚性架悬转向架的临界速度提高了200 km/h以上。由此可见，在转向架其它参数不作任何改变的情况下，采用牵引电机横向解耦弹性架悬可显著提高车辆的稳定性。

1.2横向刚度和横向阻尼对其他动力学参数的影响

牵引电机横向解耦弹性架悬技术在提高蛇形临界速度的同时也会对转向架的其他动力学性能指标如构架横向加速度、轮轨横向力等产生影响。在计算模型中对不同横向刚度和阻尼下的构架横向加速度、轮轨横向力进行了分析。

牵引电机横向悬挂刚度从0增大到4 MN/m的过程中，前后构架的横向加速度、轮轨横向力均在横向刚度为0.2 MN/m左右时降到最低点（见图4及图5）。

图4　不同横向刚度下前后构架横向加速度

图5　不同横向刚度下轮轨横向力

从上述分析可知，当牵引电机横向刚度在0.1～0.5 MN/m范围内时，构架横向加速度较低，轮轨和轮轴最大横向力也较低。

基于电机与构架已横向解耦连接，需关注电机的横向运动位移不能过大，否则会损坏联轴器。电机的横向位移通过横向耦合减振器来有效抑制在±5 mm峰值范围内，偶然的较大横向激扰则通过横向弹性挡来限制。

牵引电机的横向阻尼在0～60 kN·s/m范围内变化时，相应的电机横向最大位移见图6。由图6可见，阻尼越大，电机的横向位移最大值越小。当阻尼接近30 k N·s/m时，电机1、2、3、4的横向位移最大值均小于5 mm。构架和电机的横向最大加速度值（见图7、图8）也随着横向阻尼的逐渐增大而下降。

图6　不同横向阻尼下电机横向最大位移

图7　不同横向阻尼下构架横向最大加速度

综上分析，建议电机的横向刚度设计取值为0.2～0.5 MN/m，横向阻尼设计取值为30 k N·s/m。

2　高速列车转向架牵引电机横向解耦架悬机构设计与分析

图8　不同横向阻尼下电机横向最大加速度

高速列车转向架牵引电机横向解耦架悬机构要求横向刚度小，纵向和垂向刚度大。由于橡胶球关节轴向刚度小，径向刚度大，故可将其合理布置在架悬机构上，以实现牵引电机横向解耦。

图9为高速列车转向架牵引电机横向解耦弹性架悬机构。两个解耦体平行布置。在解耦体四角端的圆形孔内过盈压入了含有芯轴的橡胶球关节［3］。

为抑制平行解耦体的自由菱变，在两个解耦金属体上安装了一对抗菱变螺栓预紧装置（见图10）。该抗菱螺栓预紧装置主要由预紧撑管、长螺栓、橡胶垫及弹性套组成。撑管布置在一对解耦体之间，撑管两端垫入橡胶垫，并在解耦金属体的对应外侧也布设同样的橡胶垫，长螺栓穿过预紧撑管，将两个解耦体弹性连接在一起。

2.2结构分析

通过CAE仿真计算来验证横向解耦弹性架悬机构是否达到设计要求。仿真计算主要针对解耦机构的三向悬挂刚度、强度及固有频率。

2.2.1刚度分析

横向解耦弹性架悬机构的刚度是指牵引电机相对构架横梁的横向、纵向及垂向刚度。利用Abaqus软件仿真计算可得出，其横向刚度为0.34 MN/m，垂向刚度为11.78 MN/m纵向刚度为52.94 MN/ m，这表明，横向解耦弹性架悬机构横向悬挂刚度最低可至0.34 MN/m，能在保证一定的垂向和径向刚度的前提下实现牵引电机与构架的横向低刚度解耦。

2.2.2强度分析

解耦体是整个横向解耦弹性架悬机构的关键承载部件。重点对其结构强度进行分析。解耦体设计选Q345厚板材料，其屈服强度为345 Mpa。

运营工况下高应力区计算点的疲劳评估结果见图11。由图11可见，疲劳应力均位于母材疲劳极限范围内，且解耦体疲劳强度符合要求。

图9　高速列车横向解耦架悬机构示意图

图10　抗菱变螺栓预紧装置示意图

图11　高应力区计算点处于疲劳Good man曲线图中的位置

超常载荷工况下，Von Mises当量应力最大值为226.0 Mpa，出现在解耦体弯曲部分根部（见图12），低于材料屈服极限值。

2.2.3固有频率分析

将牵引电机视为刚性体，则其相对构架在解耦机构上的横向、纵向、垂向振动均视为单自由度弹性振动。根据式（1）计算得到横向解耦架悬机构的横向固有频率为3.3 Hz，垂向固有频率为19.5 Hz，纵向固有频率为41.3 Hz。可见，横向解耦架悬机构的各向固有频率与构架的固有频率已充分避开了共振频率。

图12　超常载荷工况下最大应力值

式中：

f——振动系统固有频率

k——系统悬挂刚度；

m——系统质量。

3　结论

本文利用SiMpack软件建立了车辆整车动力学模型，分析了牵引电机不同的横向悬挂刚度和阻尼对转向架动力学性能的影响，得出如下结论：

（1）牵引电机横向解耦弹性架悬可提高车辆的横向运行稳定性，并显著提高蛇行临界速度。

（2）当牵引电机横向刚度在0.4 MN/m左右，且横向阻尼在6～30 kN·s/m范围内时，车辆蛇行临界速度可达较高值。

（3）虽然横向悬挂阻尼可有效抑制过大的牵引电机横向位移，但为避免阻尼耦合影响蛇行临界速度，横向悬挂阻尼不宜选得过大。

本文所设计的横向解耦弹性架悬技术方案，其横向刚度最低可至0.34 MN/m，垂向和纵向刚度则可维持较大值，具有结构简洁、紧凑、加工制造及维护方便等优点。该横向解耦弹性架悬技术可为开发可靠、有效的簧间大质量部件（牵引电机）振动解耦机构提供参考。

［1］ 姚远，张开林，罗世辉，等.驱动系统弹性架悬对机车动力学性能影响机理［J］.振动工程学报，2012（05）：481.

［2］ 陆啸秋，王倩，谈立成.高速动车组转向架的牵引电机悬挂装置：200820072283.0［p］.2008-08-15.

［3］ 龚积球.橡胶件的工程设计及应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2003.

Vibration Decoupling Technology of the Massive Components（Traction Motor）between Springs in EMU Bogie

Luo Xiangping，Zhan Qingtao，Wu Kaihua

Vibration decoupling technology of the massive components（traction motor）between springs for the higher speed electric multiple unit（EMU）bogie is studied，the influence of the lateral suspension stiffness and damping of traction motor on the bogie dynamic performance is analyzed.The result shows that the hunting speed can be increased by lowering the lateral stiffness and damping of traction motor.A lateral decoupled elastic suspension technical solution of traction motor for high-speed bogie is proposed，which could meet the requirements of a higher critical hunting speed.Thus，the lateral stiffness of the lateral decoupled elastic suspension mechanism could be lowed to 0.34 MN/mm，thus to realize the low stiffness lateral decoupling between traction motor and bogie.

high-speed train；traction motor；bogie；decoupling technology

U 260.11∶U 260.331

10.16037/j.1007-869x.2016.03.006

（2014-09-09）