高速动车组转向架的发展与研究方法综述

科技论文写作与文献检索题目：高速动车组转向架的发展与研究方法综述学生姓名： XXX学生学号： XXXXX专业名称：车辆工程（学）所属学院： XXXXX学院201X年X月高速动车组转向架的发展与研究方法综述XXX，XXXX，XXXX学院摘要：本文主要介绍了国内高速动车组转向架的发展历程及其结构组成，从多个层面论述了转向架的研究方法和内容。

探讨了有限元法在高速动车组转向架的研究领域的应用。

关键词：高速动车组；转向架；发展历程；研究方法；综述1 绪论20世纪60年代，日本开发了第1代0系新干线动车组用DT200型动力转向架，其一系悬挂采用IS拉板双圆簧模式，中央悬挂由空气弹簧、液压减振器等组成[1]。

随着研究的不断深入，又先后开发了300系动车组用DT203型、500系用WDT9101/9102/9103型等20余种转向架[2-3]。

这些转向架结构不断简化，通过采用轻量化焊接构架、铝合金轴箱、铸铝齿轮箱和空心车轴等技术使转向架质量和簧下质量得到降低；驱动单元除采用常规的牵引电机架悬、通过齿式联轴节补偿相对位移的模式外，还在试验转向架上对牵引电机半体悬、平行万向轴驱动和牵引电机体悬、纵向万向轴-锥齿轮传动等模式进行了试验；对于轴箱定位方式，新干线动车组则通过多方案对比确定最优模式[4]；500系、N700系等动车组分别采用了半主动控制横向减振器、主动控制空气弹簧等新技术，以改善车辆动力学性能，提高车辆运行速度。

随着铁路运行速度的不断提高，我国在设计动力分散型动车组时先后设计了多种动力和非动力转向架，其中较具代表性的有“春城”号动车组用CW—D/T型，“长白山”号动车组用CW—200D型，“中原之星”动车组用DDB—1型、DTB—2型，“中华之星”动车组用SW—300型、CW—300型和“先锋”号动车组用PW—250M/ T型转向架[5-7]。

近年来，为了满足我国高速动车组发展需求，我国通过以高速动车组技术换取中国市场的政策，引进国外先进技术，与其共同设计研发了高速动车组CRH系列[8]。

CRH1型是与加拿大共同开发的200公里级别（营运时速200 km，最高时速250 km）高速动车组，其转向架采用了无摇枕空气弹簧结构，一系悬挂和二系悬挂分别为单组钢簧加单侧拉板定位及空气弹簧和橡胶堆，基础制动装置为直通式电控制动等技术[9]。

CRH2型是与日本共同开发的200公里级别高速动车组。

其转向架为无摇枕式，H型构架，一系悬挂为转臂式定位结构，轴箱弹簧为双圈钢圆簧，并采用了空心车轴和小轮径车轮；二系悬挂为高度可自动调节的空气弹簧，并且由横梁内腔承担辅助风缸；基础制动装置为卡钳式盘型制动，该车具有非常好的高速性能及曲线通过能力[10]。

CRH3型是与德国共同开发的300公里级别（营运时速350 km，最高时度394 km）的高速动车组。

该车转向架采用两轴无摇枕式，H型焊接结构构架，一系悬挂和二系悬挂分别采用螺旋钢弹簧加减振器，转臂式定位结构、空气弹簧及抗侧滚装置和抗蛇行减振器等，采用轮盘式制动。

CRH5型是与法国联合开发的200公里级别的高速动车组。

该车构架为H型焊接结构，电机采用了体悬方式，有着优良的动力学性能和曲线通过能力[11]。

2 转向架的研究内容转向架是高速动车组的走行装置，它相当于汽车的底盘和车轮，具有导向、承载、减振、牵引、制动等作用，是负责完成整个车辆走行任务的部件[12]。

其动车转向架结构展示如下图2.1所示，本文以转向架构架及齿轮传动系统两个部分为例做简要介绍。

图2.1动车转向架结构图2.1 以转向架构架为研究对象首先通过建模软件PROE建立起转向架构架三维模型，导入有限元分析软件WORKBENCH中建立该构架的有限元模型，后利用WORKBENCH对该构架进行各个工况的静力学计算和模态分析计算，再利用动力学仿真软件SIMPACK得到该动力转向架的动态载荷谱，导入WORKBENCH对构架进行振动分析，最后对构架的结构进行优化[13]。

具体研究内容如下：(1)首先介绍其课题研究的应用背景与意义，了解客车转向架的国内外发展概况，研究了有限元分析的理论，为后续的分析计算奠定理论基础；(2)参考国际铁路联盟的UIC规程和我国《动力转向架构架强度试验方法》中的规定，计算构架的主要载荷，主要包括构架的垂向力、横向力及纵向力等。

选取需要分析的转向架构架组合工况，分别计算各个工况所需要的载荷；(3)建立三维模型，导入有限元软件WORKBENCH中划分网格，建立有限元模型，对转向架构架进行静力学分析，得知该构架在各个工况下应力分布、最大等效应力值、最大应力点等数据情况，校核是否满足材料的强度属性；(4)进行模态分析，通过模态截断法截取前六阶模态，分析固有频率和振动振型，进而判断其是否会在外界激励下发生共振及满足材料的刚度要求；(5)运用多体系统动力学软件SIMPACK建立高速动车组动力车系统动力学分析模型并计算获得构架在转向架支撑处的动载荷，将所得动载荷施加于构架相应位置，在ANSYS WORKBENCH平台中进行构架振动特性分析，计算构架在轨道不平顺激励下的振动响应，分析在一定振动频率下的应力情况；(6)选取转向架构架所受到等效应力最大的工况，对转向架构架进行轻量化设计，选取构成构架的板厚度作为优化设计变量，构架的质量作为目标函数，建立优化分析的数学模型进行优化，对优化后的构架进行校核，确定构架的最终形式[14-16]。

2.2 以转向架齿轮传动系统为研究对象随着动车组向高速、重载方向的发展，其对齿轮箱的安全性和可靠性提出了越来越高的要求。

采用轻型结构及降低噪声对高速动车组来说具有重大的意义，是未来齿轮箱的发展方向[17]。

为研制出更安全、更可靠、寿命更长的齿轮箱，并为将来齿轮箱的国产化提供技术参考，对时速350km/h高速动车组转向架齿轮传动系统进行了仿真分析与试验研究的具体研究内容如下：（1）对高速动车组转向架齿轮传动系统进行了静态仿真分析。

在Pro/E中建立了关键零部件的三维模型，利用ANSYS 软件对吊杆、主动齿轮轴以及齿轮箱箱体进行了静强度分析，得出了不同工况下的应力云图，研究结果表明：吊杆、主动齿轮轴以及齿轮箱箱体的强度满足设计要求，主动齿轮轴、箱体的变形很小，满足设计要求，为吊杆、主动齿轮轴以及齿轮箱箱体的结构优化提供指导；（2）对高速动车组转向架齿轮传动系统进行了动态仿真分析。

利用ANSYS软件对齿轮箱箱体进行了模态分析；为了更精确地模拟实际情况，利用Romax软件对齿轮箱系统进行了模态分析，仿真研究结果表明：齿轮箱系统的主动轴、被动轴旋转频率和齿轮啮合频率都不与箱体和系统的固有频率重合和接近，因此不会发生共振现象，且轴承和箱体的位移振动量都很小，不会产生较大的噪声；同时研究了齿轮箱箱体在额定工况与启动工况下的疲劳强度，其疲劳安全系数分别为2.52和1.4，因此，齿轮箱箱体的疲劳强度能满足使用要求；（3）对齿轮箱箱体进行了静强度试验，为齿轮箱的仿真静强度结果提供了试验验证；同时对齿轮箱进行了噪声测定试验、加载试验，对高速传动齿轮箱进行了振动、噪声、温度的测量，测量结果表明：齿轮箱的性能良好，达到了评判标准[18-19]。

3 主要研究方法3.1有限元法的应用随着现代工业设计的发展，产品的研发周期要求越来越短，很多产品在设计研发阶段就需要对其应力、疲劳、寿命、振动、噪声等性能作出准确预测[20]。

但是随着产品结构的越发复杂，传统的经验类比设计方法已不能满足实际需求。

而伴随着计算机技术进步而快速发展的有限元分析方法，逐渐成为一种产品设计质量高，开发周期短，研发费用低的高效方法[21-22]。

有限元法在解决结构、流体、传热、电磁等各种不同物理环境中的工程问题上有着其他方法无法比拟的优越性，逐渐成为解决复杂工程问题最常用和有效的方法。

当前，比较热门的有限元分析软件有很多种，主要有ANSYS、IDEAS、ABAQUS、WORKBENCH 等[23]。

3.2有限元法的发展趋势随着有限元技术的不断普及应用，可以看出其大致发展趋势为：(1)与CAD/CAE软件的无缝连接。

即在CAD/CAE软件中完成结构造型设计之后，可以直接将模型无损传递给有限元分析软件进行分析计算，达到满意的结构之后，再传递数控加工环节直接生产。

对于解决复杂结构造型问题，此法有着无法比拟的快捷性，极大的提高了设计水平和效率[24]。

(2)网格处理能力不断增强。

网格在离散后，其质量高低直接关系到计算结果的效率和正确性，随着各有限元软件的网格处理能力不断增强，划分网格的效率和质量有了很大的提高。

但是在解决实际工程问题中，特别是在复杂产品结构的分析中，还是有诸多的问题。

实现自动六面体网格功能是实现自动循环的自适应性网格划分的有效途径。

(3)研究问题由线性到非线性。

随着研究的不断深入，普通的线性理论已无法解决设计中遇到的问题，此时需要引入非线性理论来求解。

非线性问题的求解是复杂的，涉及专业领域较多，而个别有限元分析软件已经开发出非常高效快捷的非线性求解器，极大方便了设计研究人员，提高了分析效率[25]。

(4)成为解决耦合场问题的利器。

有限元分析方法最开始是用来求解线性结构问题，而随着应用范围不断扩大，实际问题越来越复杂，求解耦合场成为不可避免的问题，因此有限元软件必将成为解决耦合场问题的有效手段。

(5)程序面向用户的开放性。

有限元法的应用十分广泛，但是任何一个软件都有其局限性，因此软件的开放性是至关重要的，允许用户根据自身情况对软件进行自定义，从而提高分析设计的效率。

4 结束语高速动车组转向架不同于以往的轨道车辆转向架，动车组转向架主要由轮对、构架、一系弹簧悬挂装置、二系弹簧装置悬挂和驱动装置、基础制动装置、安全监测系统等七部分组成。

随着动车组运行速度的不断提高，对动车组转向架的综合性能要求也越高，高速动车组转向架的设计通过不断比选、优化论证，其综合性能也得到提升。

转向架的各个部分均可作为独立的研究对象，以使其达到最为理想的性能满足不同车辆的需求。

在转向架的研究中CAD/CAE系统及应用都占较大篇幅，绝大多数设计研发的产品都是先通过有限元分析方法求解，然后根据分析结果再进行改进和优化，可以大大减少产品的开发周期，提高产品的品质和可靠性，因此有限元分析方法是应用十分广泛的分析手段。

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