高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、隨著列車運(yùn)行速度的提高，線路對(duì)車輛的激擾頻率范圍更為寬廣。在車輛運(yùn)行時(shí)，輕量化承載結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題日漸突出。論文以高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為對(duì)象，研究其結(jié)構(gòu)剛度特性與車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為和構(gòu)架疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系，提出了柔性構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)方法。
　　利用有限單元法建立動(dòng)車組非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型，獲得構(gòu)架在較低頻率范圍內(nèi)的振型。采用柔性體動(dòng)力學(xué)理論，建立引入了構(gòu)架結(jié)構(gòu)剛度特性的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究模型，分析

2、車輛在不同計(jì)算工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，構(gòu)架扭轉(zhuǎn)振型對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性沒(méi)有影響。在引入該振型后，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度較剛體模型低，車輛在扭曲線路上的均載性提高，其輪重減載率和輪軌垂向力的數(shù)值降低?；跍?zhǔn)靜態(tài)方法進(jìn)行分析時(shí)，車輛脫軌系數(shù)下降。構(gòu)架彎曲和剪切等振型的振動(dòng)能量較低，不會(huì)改變車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。
　　從簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)和計(jì)算方法的角度出發(fā)，將斜對(duì)稱載荷與構(gòu)架垂向變形的比值定義為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度。通過(guò)改

3、變材料物理性能，構(gòu)建了具有不同扭轉(zhuǎn)剛度特性的構(gòu)架模型，研究扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響。分析結(jié)果表明，構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的降低將使轉(zhuǎn)向架輪軌垂向作用重新分配，各車輪的均載性得到改善。因此，車輛在通過(guò)曲線時(shí)的輪軌垂向力和輪重減載率的數(shù)值隨構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的降低而降低。構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的降低對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、通過(guò)曲線時(shí)的脫軌系數(shù)和輪軌導(dǎo)向力之和的影響甚小。從提高車輛在扭曲線路上的運(yùn)行安全性的角度出發(fā)，構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)選擇低值。
　　為克

4、服現(xiàn)有方法的缺陷，采用德國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)推薦的基于材料利用度的方法（FKM方法）評(píng)估構(gòu)架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。結(jié)合高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的制造工藝和服役環(huán)境，討論了平均應(yīng)力和載荷譜特性等因素對(duì)構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的影響。根據(jù)單元坐標(biāo)系下的應(yīng)力計(jì)算方法，確定了構(gòu)架側(cè)梁腹板與下蓋板焊縫焊趾的分析應(yīng)力譜，計(jì)算其材料利用度，并與基于傳統(tǒng)方法的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行比較。在傳統(tǒng)方法的框架下，車輛通過(guò)曲線這一準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的決定因素，浮沉運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的垂向動(dòng)態(tài)過(guò)程的

5、影響較小。FKM方法考慮了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程載荷循環(huán)次數(shù)的影響，在接頭抗疲勞特性一致時(shí)，基于該方法得到的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)論較傳統(tǒng)方法寬松。采用FKM方法評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有利于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。
　　為研究剛度特性對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，建立了變扭轉(zhuǎn)剛度的構(gòu)架模型，基于國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC515-4標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)載荷譜，評(píng)估構(gòu)架疲勞強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，降低構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度將導(dǎo)致斜對(duì)稱載荷敏感區(qū)域變形增大，在較高的應(yīng)力水平下，該區(qū)域的正應(yīng)力材料

6、利用度、剪應(yīng)力材料利用度和材料綜合利用度均有所上升。在斜對(duì)稱載荷敏感區(qū)域選擇應(yīng)力水平較低的接頭是扭轉(zhuǎn)柔性構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)的根本原則。
　　對(duì)不同形式等截面直梁的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在截面壁厚和壁厚中線所圍面積相同時(shí)，與管截面橫梁相比，箱形橫梁具有較小的扭轉(zhuǎn)剛度，但其彎曲剛度則較大?；谟邢拊椒ǖ挠?jì)算結(jié)果表明，構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度受橫梁彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的共同影響。在不同壁厚條件下，橫梁彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的影