高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展與研究方法綜述

1、科技論文寫作與文獻(xiàn)檢索題目： 高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展與研究方法綜述 學(xué) 生 姓 名： XXX學(xué) 生 學(xué) 號： XXXXX專 業(yè) 名 稱： 車輛工程（學(xué)）所 屬 學(xué) 院： XXXXX學(xué)院 201X年 X月高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展與研究方法綜述XXX，XXXX，XXXX學(xué)院摘 要：本文主要介紹了國內(nèi)高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展歷程及其結(jié)構(gòu)組成，從多個層面論述了轉(zhuǎn)向架的研究方法和內(nèi)容。探討了有限元法在高速動車組轉(zhuǎn)向架的研究領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：高速動車組；轉(zhuǎn)向架；發(fā)展歷程；研究方法；綜述 1 緒論20世紀(jì)60年代，日本開發(fā)了第1代0系新干線動車組用DT200型動力轉(zhuǎn)向架，其一系懸掛采用IS拉板雙圓簧模式，中央

2、懸掛由空氣彈簧、液壓減振器等組成1。隨著研究的不斷深入，又先后開發(fā)了300系動車組用DT203型、500系用WDT9101/9102/9103型等20余種轉(zhuǎn)向架2-3。這些轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不斷簡化，通過采用輕量化焊接構(gòu)架、鋁合金軸箱、鑄鋁齒輪箱和空心車軸等技術(shù)使轉(zhuǎn)向架質(zhì)量和簧下質(zhì)量得到降低；驅(qū)動單元除采用常規(guī)的牽引電機(jī)架懸、通過齒式聯(lián)軸節(jié)補(bǔ)償相對位移的模式外，還在試驗轉(zhuǎn)向架上對牽引電機(jī)半體懸、平行萬向軸驅(qū)動和牽引電機(jī)體懸、縱向萬向軸-錐齒輪傳動等模式進(jìn)行了試驗；對于軸箱定位方式，新干線動車組則通過多方案對比確定最優(yōu)模式4；500系、N700系等動車組分別采用了半主動控制橫向減振器、主動控制空氣彈簧等

3、新技術(shù)，以改善車輛動力學(xué)性能，提高車輛運(yùn)行速度。 隨著鐵路運(yùn)行速度的不斷提高，我國在設(shè)計動力分散型動車組時先后設(shè)計了多種動力和非動力轉(zhuǎn)向架，其中較具代表性的有“春城”號動車組用CWD/T型，“長白山”號動車組用CW200D型，“中原之星”動車組用DDB1型、DTB2型，“中華之星”動車組用SW300型、CW300型和“先鋒”號動車組用PW250M/ T型轉(zhuǎn)向架5-7。近年來，為了滿足我國高速動車組發(fā)展需求，我國通過以高速動車組技術(shù)換取中國市場的政策，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，與其共同設(shè)計研發(fā)了高速動車組CRH系列8。CRH1型是與加拿大共同開發(fā)的200公里級別（營運(yùn)時速200 km，最高時速250 k

4、m）高速動車組，其轉(zhuǎn)向架采用了無搖枕空氣彈簧結(jié)構(gòu)，一系懸掛和二系懸掛分別為單組鋼簧加單側(cè)拉板定位及空氣彈簧和橡膠堆，基礎(chǔ)制動裝置為直通式電控制動等技術(shù)9。CRH2型是與日本共同開發(fā)的200公里級別高速動車組。其轉(zhuǎn)向架為無搖枕式，H型構(gòu)架，一系懸掛為轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)，軸箱彈簧為雙圈鋼圓簧，并采用了空心車軸和小輪徑車輪；二系懸掛為高度可自動調(diào)節(jié)的空氣彈簧，并且由橫梁內(nèi)腔承擔(dān)輔助風(fēng)缸；基礎(chǔ)制動裝置為卡鉗式盤型制動，該車具有非常好的高速性能及曲線通過能力10。CRH3型是與德國共同開發(fā)的300公里級別（營運(yùn)時速350 km，最高時度394 km）的高速動車組。該車轉(zhuǎn)向架采用兩軸無搖枕式，H型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)架

5、，一系懸掛和二系懸掛分別采用螺旋鋼彈簧加減振器，轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)、空氣彈簧及抗側(cè)滾裝置和抗蛇行減振器等，采用輪盤式制動。CRH5型是與法國聯(lián)合開發(fā)的200公里級別的高速動車組。該車構(gòu)架為H型焊接結(jié)構(gòu)，電機(jī)采用了體懸方式，有著優(yōu)良的動力學(xué)性能和曲線通過能力11。 2 轉(zhuǎn)向架的研究內(nèi)容轉(zhuǎn)向架是高速動車組的走行裝置，它相當(dāng)于汽車的底盤和車輪，具有導(dǎo)向、承載、減振、牽引、制動等作用，是負(fù)責(zé)完成整個車輛走行任務(wù)的部件12。其動車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)展示如下圖2.1所示，本文以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及齒輪傳動系統(tǒng)兩個部分為例做簡要介紹。圖2.1 動車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖2.1 以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象首先通過建模軟件PROE建立起轉(zhuǎn)向架構(gòu)

6、架三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件WORKBENCH中建立該構(gòu)架的有限元模型，后利用WORKBENCH對該構(gòu)架進(jìn)行各個工況的靜力學(xué)計算和模態(tài)分析計算，再利用動力學(xué)仿真軟件SIMPACK得到該動力轉(zhuǎn)向架的動態(tài)載荷譜，導(dǎo)入WORKBENCH對構(gòu)架進(jìn)行振動分析，最后對構(gòu)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化13。具體研究內(nèi)容如下： (1)首先介紹其課題研究的應(yīng)用背景與意義，了解客車轉(zhuǎn)向架的國內(nèi)外發(fā)展概況，研究了有限元分析的理論，為后續(xù)的分析計算奠定理論基礎(chǔ)；(2)參考國際鐵路聯(lián)盟的UIC規(guī)程和我國動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗方法中的規(guī)定，計算構(gòu)架的主要載荷，主要包括構(gòu)架的垂向力、橫向力及縱向力等。選取需要分析的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組合工況，

7、分別計算各個工況所需要的載荷；(3)建立三維模型，導(dǎo)入有限元軟件WORKBENCH中劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得知該構(gòu)架在各個工況下應(yīng)力分布、最大等效應(yīng)力值、最大應(yīng)力點等數(shù)據(jù)情況，校核是否滿足材料的強(qiáng)度屬性； (4)進(jìn)行模態(tài)分析，通過模態(tài)截斷法截取前六階模態(tài)，分析固有頻率和振動振型，進(jìn)而判斷其是否會在外界激勵下發(fā)生共振及滿足材料的剛度要求；(5)運(yùn)用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件SIMPACK建立高速動車組動力車系統(tǒng)動力學(xué)分析模型并計算獲得構(gòu)架在轉(zhuǎn)向架支撐處的動載荷，將所得動載荷施加于構(gòu)架相應(yīng)位置，在ANSYS WORKBENCH平臺中進(jìn)行構(gòu)架振動特性分析，計算構(gòu)架在軌道不平順

8、激勵下的振動響應(yīng)，分析在一定振動頻率下的應(yīng)力情況；(6)選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所受到等效應(yīng)力最大的工況，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行輕量化設(shè)計，選取構(gòu)成構(gòu)架的板厚度作為優(yōu)化設(shè)計變量，構(gòu)架的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化分析的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后的構(gòu)架進(jìn)行校核，確定構(gòu)架的最終形式14-16。2.2 以轉(zhuǎn)向架齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象隨著動車組向高速、重載方向的發(fā)展，其對齒輪箱的安全性和可靠性提出了越來越高的要求。采用輕型結(jié)構(gòu)及降低噪聲對高速動車組來說具有重大的意義，是未來齒輪箱的發(fā)展方向17。為研制出更安全、更可靠、壽命更長的齒輪箱，并為將來齒輪箱的國產(chǎn)化提供技術(shù)參考，對時速 350km/h 高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪傳動

9、系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與試驗研究的具體研究內(nèi)容如下：（1）對高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)仿真分析。在 Pro/E 中建立了關(guān)鍵零部件的三維模型，利用 ANSYS 軟件對吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，得出了不同工況下的應(yīng)力云圖，研究結(jié)果表明：吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，主動齒輪軸、箱體的變形很小，滿足設(shè)計要求，為吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)；（2）對高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真分析。利用ANSYS軟件對齒輪箱箱體進(jìn)行了模態(tài)分析；為了更精確地模擬實際情況，利用 Romax軟件對齒輪箱系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，仿真研究結(jié)果表明

10、：齒輪箱系統(tǒng)的主動軸、被動軸旋轉(zhuǎn)頻率和齒輪嚙合頻率都不與箱體和系統(tǒng)的固有頻率重合和接近，因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象，且軸承和箱體的位移振動量都很小，不會產(chǎn)生較大的噪聲；同時研究了齒輪箱箱體在額定工況與啟動工況下的疲勞強(qiáng)度，其疲勞安全系數(shù)分別為2.52 和1.4，因此，齒輪箱箱體的疲勞強(qiáng)度能滿足使用要求；（3）對齒輪箱箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗，為齒輪箱的仿真靜強(qiáng)度結(jié)果提供了試驗驗證；同時對齒輪箱進(jìn)行了噪聲測定試驗、加載試驗，對高速傳動齒輪箱進(jìn)行了振動、噪聲、溫度的測量，測量結(jié)果表明：齒輪箱的性能良好，達(dá)到了評判標(biāo)準(zhǔn)18-19。3 主要研究方法3.1有限元法的應(yīng)用隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的發(fā)展，產(chǎn)品的研發(fā)周期要求越

11、來越短，很多產(chǎn)品在設(shè)計研發(fā)階段就需要對其應(yīng)力、疲勞、壽命、振動、噪聲等性能作出準(zhǔn)確預(yù)測20。但是隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的越發(fā)復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比設(shè)計方法已不能滿足實際需求。而伴隨著計算機(jī)技術(shù)進(jìn)步而快速發(fā)展的有限元分析方法，逐漸成為一種產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量高，開發(fā)周期短，研發(fā)費(fèi)用低的高效方法21-22。有限元法在解決結(jié)構(gòu)、流體、傳熱、電磁等各種不同物理環(huán)境中的工程問題上有著其他方法無法比擬的優(yōu)越性，逐漸成為解決復(fù)雜工程問題最常用和有效的方法。當(dāng)前，比較熱門的有限元分析軟件有很多種，主要有 ANSYS、IDEAS、ABAQUS、WORKBENCH 等23。3.2有限元法的發(fā)展趨勢 隨著有限元技術(shù)的不斷普及應(yīng)用，可以

12、看出其大致發(fā)展趨勢為： (1)與 CAD/CAE 軟件的無縫連接。即在 CAD/CAE 軟件中完成結(jié)構(gòu)造型設(shè)計之后，可以直接將模型無損傳遞給有限元分析軟件進(jìn)行分析計算，達(dá)到滿意的結(jié)構(gòu)之后，再傳遞數(shù)控加工環(huán)節(jié)直接生產(chǎn)。對于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型問題，此法有著無法比擬的快捷性，極大的提高了設(shè)計水平和效率24。 (2)網(wǎng)格處理能力不斷增強(qiáng)。網(wǎng)格在離散后，其質(zhì)量高低直接關(guān)系到計算結(jié)果的效率和正確性，隨著各有限元軟件的網(wǎng)格處理能力不斷增強(qiáng)，劃分網(wǎng)格的效率和質(zhì)量有了很大的提高。但是在解決實際工程問題中，特別是在復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析中，還是有諸多的問題。實現(xiàn)自動六面體網(wǎng)格功能是實現(xiàn)自動循環(huán)的自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分的有效途

13、徑。 (3)研究問題由線性到非線性。隨著研究的不斷深入，普通的線性理論已無法解決設(shè)計中遇到的問題，此時需要引入非線性理論來求解。非線性問題的求解是復(fù)雜的，涉及專業(yè)領(lǐng)域較多，而個別有限元分析軟件已經(jīng)開發(fā)出非常高效快捷的非線性求解器，極大方便了設(shè)計研究人員，提高了分析效率25。 (4)成為解決耦合場問題的利器。有限元分析方法最開始是用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，而隨著應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，實際問題越來越復(fù)雜，求解耦合場成為不可避免的問題，因此有限元軟件必將成為解決耦合場問題的有效手段。 (5)程序面向用戶的開放性。有限元法的應(yīng)用十分廣泛，但是任何一個軟件都有其局限性，因此軟件的開放性是至關(guān)重要的，允許用戶根據(jù)

14、自身情況對軟件進(jìn)行自定義，從而提高分析設(shè)計的效率。4 結(jié)束語高速動車組轉(zhuǎn)向架不同于以往的軌道車輛轉(zhuǎn)向架，動車組轉(zhuǎn)向架主要由輪對、構(gòu)架、一系彈簧懸掛裝置、二系彈簧裝置懸掛和驅(qū)動裝置、基礎(chǔ)制動裝置、安全監(jiān)測系統(tǒng)等七部分組成。隨著動車組運(yùn)行速度的不斷提高，對動車組轉(zhuǎn)向架的綜合性能要求也越高，高速動車組轉(zhuǎn)向架的設(shè)計通過不斷比選、優(yōu)化論證，其綜合性能也得到提升。轉(zhuǎn)向架的各個部分均可作為獨立的研究對象，以使其達(dá)到最為理想的性能滿足不同車輛的需求。在轉(zhuǎn)向架的研究中CAD/CAE系統(tǒng)及應(yīng)用都占較大篇幅， 絕大多數(shù)設(shè)計研發(fā)的產(chǎn)品都是先通過有限元分析方法求解，然后根據(jù)分析結(jié)果再進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，可以大大減少產(chǎn)品的開

15、發(fā)周期，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性，因此有限元分析方法是應(yīng)用十分廣泛的分析手段。參考文獻(xiàn)1劉建鑫.關(guān)于高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展及其動力學(xué)特性探討J.中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018(08)：142.2劉建亮. 高速動車組齒輪驅(qū)動裝置設(shè)計與仿真分析D.機(jī)械科學(xué)研究總院，2017.3李眾. 高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪箱安裝方式研究D.西南交通大學(xué)，2017.4馮永華，崔志國，周平宇，池茂儒.高速動車組轉(zhuǎn)向架聯(lián)系枕梁研究J.機(jī)車車輛工藝，2017(02)：5-7.5孔維鋼，郭志瑞，董詩玉.高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架可靠性技術(shù)的探討J.中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017(12)：138.6韓慶利.高寒高速動車組轉(zhuǎn)向架耐低溫防冰雪

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17、，1992(10)：1-10.13栗海濤. 高速動車組動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析及動態(tài)仿真D.石家莊鐵道大學(xué)，2015.14李楓. 高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪傳動系統(tǒng)的仿真分析與試驗研究D.上海交通大學(xué)，2015.15李芾，安琪，付茂海，黃運(yùn)華.高速動車組轉(zhuǎn)向架的發(fā)展及其動力學(xué)特性綜述J.鐵道車輛，2008(04)：5-9+47.16石懷龍，宋燁，鄔平波，曾京，朱海燕.高速動車組轉(zhuǎn)向架懸掛剛度特性J.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2015，45(03)：776-782.17安琪. 高速動車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架動態(tài)特性研究D.西南交通大學(xué)，2013.18袁博. 高速動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件性能分析D.大連交通大學(xué)，2012.19楊輝.高速動車組轉(zhuǎn)向架檢修工藝設(shè)計原則探討J.交通科技，2012(03)：71-74