動車組轉向架簧間大質量部件（牽引電機）振動解耦技術方案

羅湘萍 詹慶濤 吳凱樺

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

動車組轉向架簧間大質量部件（牽引電機）振動解耦技術方案

羅湘萍 詹慶濤 吳凱樺

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804∥第一作者，副教授）

針對更高速度等級動車組轉向架的簧間大質量部件（牽引電機）振動解耦技術進行了專題研究，分析了牽引電機的橫向懸掛剛度和阻尼對轉向架動力學性能的影響。結果表明，讓牽引電機和構架在橫向方向解耦到一定程度，即適當降低牽引電機的橫向懸掛剛度和阻尼，可提高轉向架的蛇行臨界速度。為達到較高蛇行臨界速度所需的橫向懸掛剛度和阻尼，提出了一種高速轉向架牽引電機橫向解耦彈性架懸機構技術方案。該方案能將電機的橫向懸掛剛度降低至0.34 MN/m，可實現電機與構架的橫向低剛度解耦。

高速鐵路列車；牽引電機；轉向架；解耦技術

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

高速列車的整車動力學性能主要由轉向架動力學性能決定，而簧間大質量部件（牽引電機）的懸掛方式對轉向架的動力學性能的影響十分明顯。傳統的牽引電機采用架懸結構，其牽引電機和構架為一整體，簧間質量較大，基本能滿足列車時速300 km左右時的動力學性能要求。但對高速列車（如時速500 km）來說，其單軸功率將增大，牽引電機重量勢必增加。此時，如果仍采用傳統的電機剛性架懸結構，會將使得簧間質量更大，則轉向架難以滿足更高時速運行的動力學性能要求。

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

國內外實現橫向解耦的彈性架懸結構大多結構復雜，制造難度大。如CRH 380 B/BL動車組轉向架通過在牽引電機和構架之間設置橫向彈性裝置-薄鋼板彈簧（見圖1）來實現橫向解耦。該轉向架上的前后兩臺牽引電機通過螺栓懸臂連接到一個專門設置的安裝架上，將四根具有橫向彈性的吊板（板彈簧）一端通過橡膠元件連接在該電機安裝架上，另一端通過螺栓固定在構架橫梁上。薄鋼板彈簧在板厚方向剛度較低，從而降低了電機的橫向懸掛剛度。雖然這種獨特的懸吊結構既保證了電機在縱向、豎向的懸掛剛度；又減小了電機的橫向懸掛剛度；但該結構設計過于復雜，制造維護難度大，同時制造成本也較高。

為解決這些問題，本文設計了一種結構更加簡單的高速轉向架牽引電機橫向解耦彈性架懸機構。采用SiMpack軟件建立了車輛整車動力學仿真模型，并借助該模型分析橫向解耦程度對車輛動力學性能的影響，從而得到牽引電機橫向解耦彈性架懸優化后的懸掛參數，并以此為前提進行橫向解耦機構的設計與分析驗證。

圖1　吊架式彈性架懸結構圖［2］

1　牽引電機橫向懸掛參數對轉向架動力學性能的影響

牽引電機的橫向懸掛參數會影響轉向架的動力學性能。為確定合適的解耦程度，利用SiMpack軟件搭建了車輛整車動力學模型，以分析在牽引電機不同的橫向懸掛剛度和橫向懸掛阻尼下的轉向架動力學性能。

1.1橫向懸掛剛度和阻尼對蛇行臨界速度的影響

基于動力學模型仿真計算可知，當轉向架牽引電機剛性架懸時，車輛的蛇行臨界速度約為540 km/h左右。通過降低模型中的電機懸掛橫向剛度，調整橫向阻尼Cy，可計算出不同解耦程度下車輛的蛇行臨界速度（見圖2及圖3）。

2017年，我國衛生和社會工作行業固定資產投資額達到7327億元，比上年增長18.1%。在固定資產投資的促進下，健康旅游產業項目正在加快建設。如浙江舟山，健康旅游項目已開工19個、簽約19個、在談35個，涉及特色醫療服務、高端康體養生、海洋生物醫藥等領域，已投資755.6億元。海南博鰲樂城國際醫療旅游先行區，已通過評估項目39個、開工27個，涉及高端醫療、健康管理、醫學科研等，開工項目用地面積1948畝，總投資額210億元[7]。以項目建設為載體，以資本運作為紐帶，健康旅游產業的發展潛力日益顯現。

圖2　牽引電機不同橫向剛度和橫向阻尼下的臨界速度

圖3　牽引電機不同橫向阻尼和橫向剛度下的臨界速度

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

綜上所述，蛇行臨界速度受到牽引電機橫向剛度和橫向阻尼的共同影響。當橫向剛度在0.4 MN/m左右，橫向阻尼在6～30 k N·s/m范圍內時，蛇行臨界速度可達到800 km/h以上，比傳統的牽引電機剛性架懸轉向架的臨界速度提高了200 km/h以上。由此可見，在轉向架其它參數不作任何改變的情況下，采用牽引電機橫向解耦彈性架懸可顯著提高車輛的穩定性。

1.2橫向剛度和橫向阻尼對其他動力學參數的影響

牽引電機橫向解耦彈性架懸技術在提高蛇形臨界速度的同時也會對轉向架的其他動力學性能指標如構架橫向加速度、輪軌橫向力等產生影響。在計算模型中對不同橫向剛度和阻尼下的構架橫向加速度、輪軌橫向力進行了分析。

牽引電機橫向懸掛剛度從0增大到4 MN/m的過程中，前后構架的橫向加速度、輪軌橫向力均在橫向剛度為0.2 MN/m左右時降到最低點（見圖4及圖5）。

圖4　不同橫向剛度下前后構架橫向加速度

圖5　不同橫向剛度下輪軌橫向力

從上述分析可知，當牽引電機橫向剛度在0.1～0.5 MN/m范圍內時，構架橫向加速度較低，輪軌和輪軸最大橫向力也較低。

基于電機與構架已橫向解耦連接，需關注電機的橫向運動位移不能過大，否則會損壞聯軸器。電機的橫向位移通過橫向耦合減振器來有效抑制在±5 mm峰值范圍內，偶然的較大橫向激擾則通過橫向彈性擋來限制。

牽引電機的橫向阻尼在0～60 kN·s/m范圍內變化時，相應的電機橫向最大位移見圖6。由圖6可見，阻尼越大，電機的橫向位移最大值越小。當阻尼接近30 k N·s/m時，電機1、2、3、4的橫向位移最大值均小于5 mm。構架和電機的橫向最大加速度值（見圖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橫向最大位移

圖7　不同橫向阻尼下構架橫向最大加速度

綜上分析，建議電機的橫向剛度設計取值為0.2～0.5 MN/m，橫向阻尼設計取值為30 k N·s/m。

2　高速列車轉向架牽引電機橫向解耦架懸機構設計與分析

圖8　不同橫向阻尼下電機橫向最大加速度

高速列車轉向架牽引電機橫向解耦架懸機構要求橫向剛度小，縱向和垂向剛度大。由于橡膠球關節軸向剛度小，徑向剛度大，故可將其合理布置在架懸機構上，以實現牽引電機橫向解耦。

圖9為高速列車轉向架牽引電機橫向解耦彈性架懸機構。兩個解耦體平行布置。在解耦體四角端的圓形孔內過盈壓入了含有芯軸的橡膠球關節［3］。

為抑制平行解耦體的自由菱變，在兩個解耦金屬體上安裝了一對抗菱變螺栓預緊裝置（見圖10）。該抗菱螺栓預緊裝置主要由預緊撐管、長螺栓、橡膠墊及彈性套組成。撐管布置在一對解耦體之間，撐管兩端墊入橡膠墊，并在解耦金屬體的對應外側也布設同樣的橡膠墊，長螺栓穿過預緊撐管，將兩個解耦體彈性連接在一起。

2.2結構分析

通過CAE仿真計算來驗證橫向解耦彈性架懸機構是否達到設計要求。仿真計算主要針對解耦機構的三向懸掛剛度、強度及固有頻率。

2.2.1剛度分析

橫向解耦彈性架懸機構的剛度是指牽引電機相對構架橫梁的橫向、縱向及垂向剛度。利用Abaqus軟件仿真計算可得出，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構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現牽引電機與構架的橫向低剛度解耦。

2.2.2強度分析

解耦體是整個橫向解耦彈性架懸機構的關鍵承載部件。重點對其結構強度進行分析。解耦體設計選Q345厚板材料，其屈服強度為345 Mpa。

運營工況下高應力區計算點的疲勞評估結果見圖11。由圖11可見，疲勞應力均位于母材疲勞極限范圍內，且解耦體疲勞強度符合要求。

圖9　高速列車橫向解耦架懸機構示意圖

圖10　抗菱變螺栓預緊裝置示意圖

圖11　高應力區計算點處于疲勞Good man曲線圖中的位置

超常載荷工況下，Von Mises當量應力最大值為226.0 Mpa，出現在解耦體彎曲部分根部（見圖12），低于材料屈服極限值。

2.2.3固有頻率分析

將牽引電機視為剛性體，則其相對構架在解耦機構上的橫向、縱向、垂向振動均視為單自由度彈性振動。根據式（1）計算得到橫向解耦架懸機構的橫向固有頻率為3.3 Hz，垂向固有頻率為19.5 Hz，縱向固有頻率為41.3 Hz。可見，橫向解耦架懸機構的各向固有頻率與構架的固有頻率已充分避開了共振頻率。

圖12　超常載荷工況下最大應力值

式中：

f——振動系統固有頻率

k——系統懸掛剛度；

m——系統質量。

3　結論

本文利用SiMpack軟件建立了車輛整車動力學模型，分析了牽引電機不同的橫向懸掛剛度和阻尼對轉向架動力學性能的影響，得出如下結論：

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

（2）當牽引電機橫向剛度在0.4 MN/m左右，且橫向阻尼在6～30 kN·s/m范圍內時，車輛蛇行臨界速度可達較高值。

（3）雖然橫向懸掛阻尼可有效抑制過大的牽引電機橫向位移，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大。

本文所設計的橫向解耦彈性架懸技術方案，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，具有結構簡潔、緊湊、加工制造及維護方便等優點。該橫向解耦彈性架懸技術可為開發可靠、有效的簧間大質量部件（牽引電機）振動解耦機構提供參考。

［1］ 姚遠，張開林，羅世輝，等.驅動系統彈性架懸對機車動力學性能影響機理［J］.振動工程學報，2012（05）：481.

［2］ 陸嘯秋，王倩，談立成.高速動車組轉向架的牽引電機懸掛裝置：200820072283.0［p］.2008-08-15.

［3］ 龔積球.橡膠件的工程設計及應用［M］.上海：上海交通大學出版社，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）