動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架簧間大質(zhì)量部件（牽引電機(jī)）振動(dòng)解耦技術(shù)方案

羅湘萍 詹慶濤 吳凱樺

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架簧間大質(zhì)量部件（牽引電機(jī)）振動(dòng)解耦技術(shù)方案

羅湘萍 詹慶濤 吳凱樺

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

針對(duì)更高速度等級(jí)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的簧間大質(zhì)量部件（牽引電機(jī)）振動(dòng)解耦技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)題研究，分析了牽引電機(jī)的橫向懸掛剛度和阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，讓牽引電機(jī)和構(gòu)架在橫向方向解耦到一定程度，即適當(dāng)降低牽引電機(jī)的橫向懸掛剛度和阻尼，可提高轉(zhuǎn)向架的蛇行臨界速度。為達(dá)到較高蛇行臨界速度所需的橫向懸掛剛度和阻尼，提出了一種高速轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)技術(shù)方案。該方案能將電機(jī)的橫向懸掛剛度降低至0.34 MN/m，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)與構(gòu)架的橫向低剛度解耦。

高速鐵路列車(chē)；牽引電機(jī)；轉(zhuǎn)向架；解耦技術(shù)

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

高速列車(chē)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能主要由轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能決定，而簧間大質(zhì)量部件（牽引電機(jī)）的懸掛方式對(duì)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能的影響十分明顯。傳統(tǒng)的牽引電機(jī)采用架懸結(jié)構(gòu)，其牽引電機(jī)和構(gòu)架為一整體，簧間質(zhì)量較大，基本能滿足列車(chē)時(shí)速300 km左右時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能要求。但對(duì)高速列車(chē)（如時(shí)速500 km）來(lái)說(shuō)，其單軸功率將增大，牽引電機(jī)重量勢(shì)必增加。此時(shí)，如果仍采用傳統(tǒng)的電機(jī)剛性架懸結(jié)構(gòu)，會(huì)將使得簧間質(zhì)量更大，則轉(zhuǎn)向架難以滿足更高時(shí)速運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能要求。

若牽引電機(jī)和構(gòu)架之間采用彈性橫向解耦連接，則能減小構(gòu)架的橫向質(zhì)量和搖頭慣量，從而改善平穩(wěn)性，減小輪軌作用力，提高轉(zhuǎn)向架蛇形臨界速度［1］。

國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)橫向解耦的彈性架懸結(jié)構(gòu)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。如CRH 380 B/BL動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架通過(guò)在牽引電機(jī)和構(gòu)架之間設(shè)置橫向彈性裝置-薄鋼板彈簧（見(jiàn)圖1）來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向解耦。該轉(zhuǎn)向架上的前后兩臺(tái)牽引電機(jī)通過(guò)螺栓懸臂連接到一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)置的安裝架上，將四根具有橫向彈性的吊板（板彈簧）一端通過(guò)橡膠元件連接在該電機(jī)安裝架上，另一端通過(guò)螺栓固定在構(gòu)架橫梁上。薄鋼板彈簧在板厚方向剛度較低，從而降低了電機(jī)的橫向懸掛剛度。雖然這種獨(dú)特的懸吊結(jié)構(gòu)既保證了電機(jī)在縱向、豎向的懸掛剛度；又減小了電機(jī)的橫向懸掛剛度；但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，制造維護(hù)難度大，同時(shí)制造成本也較高。

為解決這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的高速轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)。采用SiMpack軟件建立了車(chē)輛整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型，并借助該模型分析橫向解耦程度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，從而得到牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸優(yōu)化后的懸掛參數(shù)，并以此為前提進(jìn)行橫向解耦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證。

圖1　吊架式彈性架懸結(jié)構(gòu)圖［2］

1　牽引電機(jī)橫向懸掛參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響

牽引電機(jī)的橫向懸掛參數(shù)會(huì)影響轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能。為確定合適的解耦程度，利用SiMpack軟件搭建了車(chē)輛整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，以分析在牽引電機(jī)不同的橫向懸掛剛度和橫向懸掛阻尼下的轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能。

1.1橫向懸掛剛度和阻尼對(duì)蛇行臨界速度的影響

基于動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算可知，當(dāng)轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)剛性架懸時(shí)，車(chē)輛的蛇行臨界速度約為540 km/h左右。通過(guò)降低模型中的電機(jī)懸掛橫向剛度，調(diào)整橫向阻尼Cy，可計(jì)算出不同解耦程度下車(chē)輛的蛇行臨界速度（見(jiàn)圖2及圖3）。

2017年，我國(guó)衛(wèi)生和社會(huì)工作行業(yè)固定資產(chǎn)投資額達(dá)到7327億元，比上年增長(zhǎng)18.1%。在固定資產(chǎn)投資的促進(jìn)下，健康旅游產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目正在加快建設(shè)。如浙江舟山，健康旅游項(xiàng)目已開(kāi)工19個(gè)、簽約19個(gè)、在談35個(gè)，涉及特色醫(yī)療服務(wù)、高端康體養(yǎng)生、海洋生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，已投資755.6億元。海南博鰲樂(lè)城國(guó)際醫(yī)療旅游先行區(qū)，已通過(guò)評(píng)估項(xiàng)目39個(gè)、開(kāi)工27個(gè)，涉及高端醫(yī)療、健康管理、醫(yī)學(xué)科研等，開(kāi)工項(xiàng)目用地面積1948畝，總投資額210億元[7]。以項(xiàng)目建設(shè)為載體，以資本運(yùn)作為紐帶，健康旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿θ找骘@現(xiàn)。

圖2　牽引電機(jī)不同橫向剛度和橫向阻尼下的臨界速度

圖3　牽引電機(jī)不同橫向阻尼和橫向剛度下的臨界速度

由圖2可以看出，當(dāng)牽引電機(jī)橫向剛度超過(guò)4 MN/m后，增大或者減小橫向阻尼對(duì)臨界速度的影響不大。由圖2和圖3也可以看出牽引電機(jī)橫向剛度在4×105N/m左右，橫向阻尼在6～30 k N·s/m范圍內(nèi)時(shí)，蛇行臨界速度較高。當(dāng)牽引電機(jī)的橫向剛度和橫向阻尼取值較小時(shí)，蛇行臨界速度很低。

綜上所述，蛇行臨界速度受到牽引電機(jī)橫向剛度和橫向阻尼的共同影響。當(dāng)橫向剛度在0.4 MN/m左右，橫向阻尼在6～30 k N·s/m范圍內(nèi)時(shí)，蛇行臨界速度可達(dá)到800 km/h以上，比傳統(tǒng)的牽引電機(jī)剛性架懸轉(zhuǎn)向架的臨界速度提高了200 km/h以上。由此可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)向架其它參數(shù)不作任何改變的情況下，采用牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸可顯著提高車(chē)輛的穩(wěn)定性。

1.2橫向剛度和橫向阻尼對(duì)其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸技術(shù)在提高蛇形臨界速度的同時(shí)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架的其他動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)如構(gòu)架橫向加速度、輪軌橫向力等產(chǎn)生影響。在計(jì)算模型中對(duì)不同橫向剛度和阻尼下的構(gòu)架橫向加速度、輪軌橫向力進(jìn)行了分析。

牽引電機(jī)橫向懸掛剛度從0增大到4 MN/m的過(guò)程中，前后構(gòu)架的橫向加速度、輪軌橫向力均在橫向剛度為0.2 MN/m左右時(shí)降到最低點(diǎn)（見(jiàn)圖4及圖5）。

圖4　不同橫向剛度下前后構(gòu)架橫向加速度

圖5　不同橫向剛度下輪軌橫向力

從上述分析可知，當(dāng)牽引電機(jī)橫向剛度在0.1～0.5 MN/m范圍內(nèi)時(shí)，構(gòu)架橫向加速度較低，輪軌和輪軸最大橫向力也較低。

基于電機(jī)與構(gòu)架已橫向解耦連接，需關(guān)注電機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)位移不能過(guò)大，否則會(huì)損壞聯(lián)軸器。電機(jī)的橫向位移通過(guò)橫向耦合減振器來(lái)有效抑制在±5 mm峰值范圍內(nèi)，偶然的較大橫向激擾則通過(guò)橫向彈性擋來(lái)限制。

牽引電機(jī)的橫向阻尼在0～60 kN·s/m范圍內(nèi)變化時(shí)，相應(yīng)的電機(jī)橫向最大位移見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，阻尼越大，電機(jī)的橫向位移最大值越小。當(dāng)阻尼接近30 k N·s/m時(shí)，電機(jī)1、2、3、4的橫向位移最大值均小于5 mm。構(gòu)架和電機(jī)的橫向最大加速度值（見(jiàn)圖7、圖8）也隨著橫向阻尼的逐漸增大而下降。

圖6　不同橫向阻尼下電機(jī)橫向最大位移

圖7　不同橫向阻尼下構(gòu)架橫向最大加速度

綜上分析，建議電機(jī)的橫向剛度設(shè)計(jì)取值為0.2～0.5 MN/m，橫向阻尼設(shè)計(jì)取值為30 k N·s/m。

2　高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦架懸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

圖8　不同橫向阻尼下電機(jī)橫向最大加速度

高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦架懸機(jī)構(gòu)要求橫向剛度小，縱向和垂向剛度大。由于橡膠球關(guān)節(jié)軸向剛度小，徑向剛度大，故可將其合理布置在架懸機(jī)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)橫向解耦。

圖9為高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)。兩個(gè)解耦體平行布置。在解耦體四角端的圓形孔內(nèi)過(guò)盈壓入了含有芯軸的橡膠球關(guān)節(jié)［3］。

為抑制平行解耦體的自由菱變，在兩個(gè)解耦金屬體上安裝了一對(duì)抗菱變螺栓預(yù)緊裝置（見(jiàn)圖10）。該抗菱螺栓預(yù)緊裝置主要由預(yù)緊撐管、長(zhǎng)螺栓、橡膠墊及彈性套組成。撐管布置在一對(duì)解耦體之間，撐管兩端墊入橡膠墊，并在解耦金屬體的對(duì)應(yīng)外側(cè)也布設(shè)同樣的橡膠墊，長(zhǎng)螺栓穿過(guò)預(yù)緊撐管，將兩個(gè)解耦體彈性連接在一起。

2.2結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)CAE仿真計(jì)算來(lái)驗(yàn)證橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。仿真計(jì)算主要針對(duì)解耦機(jī)構(gòu)的三向懸掛剛度、強(qiáng)度及固有頻率。

2.2.1剛度分析

橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)的剛度是指牽引電機(jī)相對(duì)構(gòu)架橫梁的橫向、縱向及垂向剛度。利用Abaqus軟件仿真計(jì)算可得出，其橫向剛度為0.34 MN/m，垂向剛度為11.78 MN/m縱向剛度為52.94 MN/ m，這表明，橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)橫向懸掛剛度最低可至0.34 MN/m，能在保證一定的垂向和徑向剛度的前提下實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)與構(gòu)架的橫向低剛度解耦。

2.2.2強(qiáng)度分析

解耦體是整個(gè)橫向解耦彈性架懸機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵承載部件。重點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。解耦體設(shè)計(jì)選Q345厚板材料，其屈服強(qiáng)度為345 Mpa。

運(yùn)營(yíng)工況下高應(yīng)力區(qū)計(jì)算點(diǎn)的疲勞評(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)，疲勞應(yīng)力均位于母材疲勞極限范圍內(nèi)，且解耦體疲勞強(qiáng)度符合要求。

圖9　高速列車(chē)橫向解耦架懸機(jī)構(gòu)示意圖

圖10　抗菱變螺栓預(yù)緊裝置示意圖

圖11　高應(yīng)力區(qū)計(jì)算點(diǎn)處于疲勞Good man曲線圖中的位置

超常載荷工況下，Von Mises當(dāng)量應(yīng)力最大值為226.0 Mpa，出現(xiàn)在解耦體彎曲部分根部（見(jiàn)圖12），低于材料屈服極限值。

2.2.3固有頻率分析

將牽引電機(jī)視為剛性體，則其相對(duì)構(gòu)架在解耦機(jī)構(gòu)上的橫向、縱向、垂向振動(dòng)均視為單自由度彈性振動(dòng)。根據(jù)式（1）計(jì)算得到橫向解耦架懸機(jī)構(gòu)的橫向固有頻率為3.3 Hz，垂向固有頻率為19.5 Hz，縱向固有頻率為41.3 Hz?？梢?jiàn)，橫向解耦架懸機(jī)構(gòu)的各向固有頻率與構(gòu)架的固有頻率已充分避開(kāi)了共振頻率。

圖12　超常載荷工況下最大應(yīng)力值

式中：

f——振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率

k——系統(tǒng)懸掛剛度；

m——系統(tǒng)質(zhì)量。

3　結(jié)論

本文利用SiMpack軟件建立了車(chē)輛整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，分析了牽引電機(jī)不同的橫向懸掛剛度和阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）牽引電機(jī)橫向解耦彈性架懸可提高車(chē)輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性，并顯著提高蛇行臨界速度。

（2）當(dāng)牽引電機(jī)橫向剛度在0.4 MN/m左右，且橫向阻尼在6～30 kN·s/m范圍內(nèi)時(shí)，車(chē)輛蛇行臨界速度可達(dá)較高值。

（3）雖然橫向懸掛阻尼可有效抑制過(guò)大的牽引電機(jī)橫向位移，但為避免阻尼耦合影響蛇行臨界速度，橫向懸掛阻尼不宜選得過(guò)大。

本文所設(shè)計(jì)的橫向解耦彈性架懸技術(shù)方案，其橫向剛度最低可至0.34 MN/m，垂向和縱向剛度則可維持較大值，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊、加工制造及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。該橫向解耦彈性架懸技術(shù)可為開(kāi)發(fā)可靠、有效的簧間大質(zhì)量部件（牽引電機(jī)）振動(dòng)解耦機(jī)構(gòu)提供參考。

［1］ 姚遠(yuǎn)，張開(kāi)林，羅世輝，等.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彈性架懸對(duì)機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能影響機(jī)理［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2012（05）：481.

［2］ 陸嘯秋，王倩，談立成.高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的牽引電機(jī)懸掛裝置：200820072283.0［p］.2008-08-15.

［3］ 龔積球.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)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）