电机弹性架悬对高速列车的适应性研究_李广.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023电机弹性架悬对高速列车的适应性研究李广1，张振先1,2，姚远1，吴国颂1(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)摘要：电机弹性架悬技术广泛用于国内外高速列车，用来提高动力转向架横向动力学性能。为了深入研究电机弹性架悬对不同类型高速列车横向动力学性能的影响差异及适应特点，针对国内运行的2种典型高速列车，采用SIMPACK软件建立对应的动力学模型，并验证了模型的准确性。分析其转向架悬挂参数匹配特点及横向振动特征，并通过根轨迹和时域仿真研究弹性架悬式电机悬挂对该2种高速列车横向动力学性能的影响，包括线性稳定性、非线性稳定性和直线运行性能。此外，还研究了当高速列车发生单个抗蛇行减振器或二系横向减振器失效时，电机弹性架悬对直线运行工况下轮轴横向力的影响。研究结果表明：基于动力吸振原理，电机弹性架悬主要通过消耗构架横向振动能量来改善高速列车横向动力学性能。当高速列车易发生转向架蛇行时，电机弹性架悬能够很好地吸收转向架的蛇行能量从而提高车辆横向稳定性。当高速列车易发生轮对蛇行时，电机弹性架悬对其能量耗散作用有限，故对高速列车横向动力学性能影响很小。并指出电机悬挂参数的选取原则：使电机横向固有振动频率与服役运营工况下转向架蛇行失稳频率一致，此时电机弹性架悬对车辆横向稳定性改善最为显著。关键词：高速列车；电机弹性架悬；动力学仿真；悬挂频率；横向稳定性中图分类号：U260.11 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0441-12Research on the adaptability of motor elastic suspension to high-speed trainsLI Guang1,ZHANG Zhenxian1,2,YAO Yuan1,WU Guosong1(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.CSR Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China)Abstract:The motor elastic suspension technology has been widely used in high-speed trains at home and abroad to improve the lateral dynamics performance of power bogies.In order to deeply study the influence distinction and adaptation characteristics of the motor elastic suspension on lateral dynamics behaviors of high-speed trains,with respect to two types of typical domestic high-speed trains,the corresponding dynamics models were established in the commercial software SIMPACK,and the accuracy of the dynamics model was verified.The matching relationship of bogie suspension parameters with regard to the high-speed trains was concluded and 收稿日期：2022-03-18基金项目：四川省自然科学基金资助项目(2022NSFSC0034，2022NSFSC1901)；牵引力国家重点实验室自主科研项目(2022TPL-T02)通信作者：姚远(1983-)，男，安徽安庆人，研究员，博士，从事转向架设计及理论和车辆动力学及控制研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220497铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月vehicles lateral vibration characteristics were analyzed.Root locus and time-domain simulation methods were adopted to investigate the influence of motor elastic suspension on the lateral dynamics performance of high-speed trains,including linear and nonlinear stabilities as well as running performance on the straight track.The results show that the motor elastic suspension can improve the vehicles lateral dynamics performance by primarily consuming the lateral vibration energy of bogie frames,which is based on the principle of dynamic vibration absorption.Specifically,when the high-speed train is prone to bogie hunting,the motor elastic suspension can effectively absorb bogie hunting energy to enhance the vehicles lateral stability.When the wheelset hunting is easy to occur on high-speed trains,the motor elastic suspension has a limited function on energy dissipation of the bogie vibration,so it owns little effect on lateral dynamics performance.The selection principle for motor suspension parameters was pointed out:the lateral natural vibration frequency of motors should be consistent with the frequency of bogie hunting instability under service operating conditions,at this time,and the motor elastic suspension can improve the vehicles lateral stability significantly.In addition,when a single yaw damper or secondary lateral damper fails in the high-speed train,the influence of the motor elastic suspension on the lateral wheelset force under straight tracks was also researched.Key words:high-speed train;motor elastic suspension;dynamics simulation;suspension frequency;lateral stability 电机弹性悬挂有利于提高高速列车动力转向架横向动力学性能，该技术在国内外高速机车及高速列车动力转向架中得到广泛应用12。为了深入研究电机弹性悬挂技术对不同类型高速列车的作用效果及适用特性，本文以2种典型高速列车动力学模型为研究对象，分析其横向蛇行失稳特征，研究弹性架悬式电机悬挂对其横向动力学性能影响，并指出电机弹性架悬的作用机理及适用范围，用于指导高速列车动力转向架设计及电机悬挂方式选取。国内外学者对驱动装置弹性悬挂方式进行了深入广泛研究，且有关高速机车转向架应用弹性悬挂技术的研究较多。针对我国提速的C0-C0轴式高速机车，张红军等2提出了2种端轴驱动装置采用弹性架悬的方案，并和采用刚性架悬方式机车的动力学性能进行研究对比。结果表明驱动装置弹性架悬可以显著地降低轮轴横向力，改善机车的曲线通过能力且提高运行平稳性。罗赟等3针对机车横向振动提出简化的3刚体动力学模型，分析驱动装置架悬参数对机车受迫振动的影响，指出驱动装置悬挂刚度的选配。张晓霞等4针对B0和C0轴式电力机车采用驱动系统弹性悬挂开展研究，提出全弹性悬挂结构并分析其对机车动力学性能影响，指出全悬挂方案可以显著改善抗蛇行减振器发生故障时机车横向动力学性能。徐坤等5根据国内某型动车组牵引电机悬挂方式，采用延续算法求得转向架线性和非线性临界速度，并研究牵引电机架悬参数对其影响，指出在选取电机悬挂参数时要兼顾转向架的线性临界速度和非线性临界速度。ALFI等6通过由米兰理工的“Railway Dynamics”研究小组开发的ADTreS内部仿真代码对B0-B0轴式机车多体动力学模型进行线性和非线性计算，研究电机弹性悬挂对转向架构架振动的影响，结果表明电机悬挂刚度和阻尼特性对车辆稳定性有很大影响。基于适当的假设且考虑转向架、轮对和电机的横向和摇头运动，HUANG等7推导出车辆系统运动方程，研究电机参数对车辆稳定性的影响，结果表明牵引电机悬挂刚度、阻尼和质量特性对分岔速度有着显著影响；指出电机悬挂存在最佳固有频率，并分析了转向架参数对最佳固有频率的影响。以上研究只是分析了弹性架悬参数对单转向架或整车动力学性能的影响，并未对其作用机理进行解释。姚远等89建立10自由度的电机弹性架悬机车单转向架横向动力学模型，比较不同驱动系统的悬挂参数对机车横向动力学性能的影响情况，并从动力吸振的角度对驱动系统弹性架悬作用机理进行理论解释。徐442第 2 期李广，等：电机弹性架悬对高速列车的适应性研究坤等10建立了驱动系统弹性架悬的8自由度CRH3型动车组单转向架横向动力学模型，分析电机架悬参数对转向架稳定性的影响，同样从动力吸振的角度对其进行解释，认为电机将构架振动转移到电机上从而增强转向架稳定性，但没有对弹性架悬适用范围进行深入研究。目前，针对电机弹性悬挂的技术应用与理论研究较为成熟，但有关电机弹性架悬对高速列车的适用性研究仍然较少。本文通过SIMPACK软件建立2种典型高速列车的动力学模型，分析其对应横向蛇行失稳特点，并分别研究电机弹性架悬对其横向动力学性能的影响效果，为电机弹性架悬应用于高速列车动力转向架提供一定的理论依据。1 整车动力学建模1.1车辆动力学模型根据国内 2 种典型高速列车的结构和悬挂参数，采用多体动力学软件SIMPACK建立单节整车动力学模型，并分别称为Type A和Type B。图1为2种高速列车动力学模型的拓扑图，该动力学模型均由车体、构架、轮对、转臂轴箱和驱动装置共19个刚体组成，共54个自由度。其中，轮对、构