李臣偉

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的高速鐵路也得以快速發(fā)展，客運(yùn)專線不斷建成通車，目前，國產(chǎn)的CRH3、CRH5型動車已經(jīng)投入運(yùn)營。作為鐵路車輛，尤其是動車組中最為關(guān)鍵性的部件，轉(zhuǎn)向架是減緩車輛和線路間相互作用、確保動車組行車安全和車體支撐，其設(shè)計(jì)的合理直接影響著動車組的可靠、平穩(wěn)和安全運(yùn)行。該文就動車組及其轉(zhuǎn)向部件性能分析作為切入點(diǎn)，淺要分析了動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)疲勞性能，并就動車組的構(gòu)架疲勞荷載進(jìn)行解析，以期促進(jìn)我國動車組動車轉(zhuǎn)向架的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：動車組 CRH2 轉(zhuǎn)向架 關(guān)鍵部件 性能分析

中圖分類號：U270.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0037-01

由于我國人口基數(shù)龐大，經(jīng)濟(jì)也正處于上升發(fā)展期，因此人們的生活水平與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。而鐵路客運(yùn)的載客能力大、價格相對低廉，故而成為我國大陸地區(qū)最主要的旅客運(yùn)輸方式之一。其中，動車組轉(zhuǎn)向架部件的性能在很大程度上決定了動車組運(yùn)行的安穩(wěn)性，所以關(guān)于動車組轉(zhuǎn)向架的性能分析尤為重要。

1 動車組及其轉(zhuǎn)向架部件性能分析

1.1 動車組的轉(zhuǎn)向架部件發(fā)展分析

20世紀(jì)50年代中期，我國針對火車的轉(zhuǎn)向架開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要型號設(shè)計(jì)到了101、102以及103型等。其大部分構(gòu)架速度設(shè)計(jì)為100KM/H。其主要運(yùn)用于21型火車客車中。但是，由于當(dāng)時的技術(shù)條件落后，轉(zhuǎn)向架也呈現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行能力較差和笨重的缺點(diǎn)。20世紀(jì)50年代末期，四方廠設(shè)計(jì)出了120KM/H速度的202型號轉(zhuǎn)向架。這種轉(zhuǎn)向架區(qū)別于之前的結(jié)構(gòu)，采取鑄鋼H型的構(gòu)架設(shè)計(jì)。這種轉(zhuǎn)向架同時也采用了閘瓦制動、兩系螺旋彈簧懸掛、二系油壓減震器以導(dǎo)柱式軸箱定位裝置等。隨著我國高速列車?yán)砟畹奶岢鲆约岸啻蔚幕疖囂崴?，一大批高速客車轉(zhuǎn)向架應(yīng)運(yùn)而生。我國引入了動車組技術(shù)，開發(fā)除了CRH系列的動車組的非動力轉(zhuǎn)向架和動力轉(zhuǎn)向架等。其中，CRH1A動車組采取了真空期彈簧轉(zhuǎn)向架，懸掛采用的是單組鋼簧加單側(cè)拉板定位，基礎(chǔ)自動采用了直通式電空自動。最為重要的是，CRH1型的中央懸掛采用了橡膠堆和空氣彈簧。隨著時代的發(fā)展，CRH1、CRH2、CRH3等動車組的轉(zhuǎn)向部架愈發(fā)先進(jìn)，為我國動車組的技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 CRH2動車組的簡介及其轉(zhuǎn)向架部件性能分析

同樣，CRH2動車組的高速轉(zhuǎn)向架亦是四方股份公司進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)的。總的來說，CRH2的高速轉(zhuǎn)向架運(yùn)用的是無搖枕式的轉(zhuǎn)向架，呈現(xiàn)出H型的構(gòu)架。其中，二系采取了現(xiàn)階段最具高度自動調(diào)節(jié)裝置的空氣彈簧懸掛系統(tǒng)。而且，CRH2的轉(zhuǎn)向架部件中橫梁承擔(dān)了輔助風(fēng)缸。究其本質(zhì)而言，CHR2動車組的轉(zhuǎn)向架部件傳遞縱向力主要由單拉桿式中央牽引裝置輔助，其運(yùn)用的抗蛇行減震器不僅可以滿足高速穩(wěn)定性，亦能滿足其曲線通過性能。

另一方面，CRH2一系采取的是轉(zhuǎn)臂式定位，雙圈鋼圓簧是軸箱彈簧采用的。而車輪采用的是小輪徑，規(guī)格為860mm，內(nèi)孔設(shè)置為60mm，其對于簧下重量的減少具有重要作用。而就CRH2型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)來說，全部車輪都有相應(yīng)的制動輪盤，拖車轉(zhuǎn)向架車軸上方還設(shè)置了專門的制動軸盤。就基礎(chǔ)制動裝置而言，其采用的是特殊液壓油缸卡鉗式盤制動，且體積較小。相較之其他車系而言，CRH2型轉(zhuǎn)向架還設(shè)置了專門的踏面清掃裝置，以確保能夠?qū)⒄程っ嫔袭愇锴宄瓦\(yùn)行噪聲改善。

2 動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)疲勞性能分析

2.1 ASME標(biāo)準(zhǔn)

ASME標(biāo)準(zhǔn)指的是《網(wǎng)絡(luò)不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法及主S-N曲線法》，由于這種方法主要采用網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法以及其S-N曲線模型，故而能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出空間任意走向的焊縫的疲勞壽命。從焊縫的應(yīng)力來看，可以將其分解成兩個部分，一是由焊接工藝過程造成的非線性自平衡應(yīng)力，這種應(yīng)力與外力沒有關(guān)系；二是由外力引起且同外力平衡的應(yīng)力，也就是結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

關(guān)于對疲勞壽命的計(jì)算，則需要用到斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行。由于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋是客觀存在的，而從力學(xué)的觀點(diǎn)來看，其裂紋的擴(kuò)展過程僅僅是一個純力學(xué)的行為，故而，可以運(yùn)用斷裂力學(xué)理論進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的求解。

2.2 JIS標(biāo)準(zhǔn)

JIS標(biāo)準(zhǔn)是日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會頒布的有關(guān)車輛轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。這種準(zhǔn)則建立在名義應(yīng)力的基礎(chǔ)上，由于其主要針對焊接構(gòu)架，故而只提供了兩種母材的性能措施。此外，這種準(zhǔn)則明確了重要焊接接頭的疲勞強(qiáng)度極限，并對輔助焊接接頭給出了分級的S-N曲線用于其有限壽命的設(shè)計(jì)。

JIS標(biāo)準(zhǔn)是一個基于大量疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)而得到的專用的抗疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然這種標(biāo)準(zhǔn)只涉及了兩種材料的焊接結(jié)構(gòu)，但該標(biāo)準(zhǔn)中的抗疲勞設(shè)計(jì)原則具有普遍性，能夠清楚地看出，在焊縫被打磨以后，其疲勞壽命將得到顯著提高。

2.3 二者分析比較

就ASME標(biāo)準(zhǔn)來看，其揭示了焊縫的焊根以及焊址上的應(yīng)力集中，并據(jù)此來定義抗疲勞能力，進(jìn)而給出對所有焊縫的焊根、焊址全都成立的廣義數(shù)學(xué)公式，因此其計(jì)算結(jié)果具有唯一性。

JIS標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于疲勞估標(biāo)中，雖然其在預(yù)測焊縫的疲勞壽命中得到了普遍的認(rèn)可，但是這個的標(biāo)準(zhǔn)選取的是靠近焊縫某一位置的名義應(yīng)力來評估疲勞使用壽命。而這就造成JIS標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性。

3 動車組的構(gòu)架疲勞荷載解析

動車組疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的載荷與靜強(qiáng)度載荷是一致的，且載荷信號通?？紤]的是模擬運(yùn)行于S彎道上向前、向后的加減速過程。

通常來說，載荷序列是以塊譜的形式表現(xiàn)出來的，而其他諸如均值、幅值以及相位轉(zhuǎn)換與平常相同。在幅值前的符號-、±表示的是π或180°的相位轉(zhuǎn)換，其中每一個塊譜的載荷循環(huán)數(shù)以及振動時間也都定義了每一個塊譜的長度。

假如作動器在所有的載荷循環(huán)中都未起到作用，那么其振動的時間就是由每個塊譜的載荷循環(huán)給出的。故而當(dāng)振動從第一個幅值位置開始時，其信號中的載荷循環(huán)應(yīng)當(dāng)從此通道的基級，并在這個位置進(jìn)行施加循環(huán)數(shù)。

4 結(jié)語

該文就動車組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架作為研究對象，在深刻闡述動車組轉(zhuǎn)向架性能和研發(fā)歷史的基礎(chǔ)上，論述了動車組的轉(zhuǎn)向架疲勞性能等。同時也提出了一些可供參考的疲勞強(qiáng)度和性能分析方法。隨著時代的發(fā)展和鐵路提速，只有確保了動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件性能得到優(yōu)化和提升才能為動車組的安穩(wěn)運(yùn)行保駕護(hù)航。

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