1、科技論文寫作與文獻檢索題目： 高速動車組轉向架的發展與研究方法綜述 學 生 姓 名： XXX學 生 學 號： XXXXX專 業 名 稱： 車輛工程（學）所 屬 學 院： XXXXX學院 201X年 X月高速動車組轉向架的發展與研究方法綜述XXX，XXXX，XXXX學院摘 要：本文主要介紹了國內高速動車組轉向架的發展歷程及其結構組成，從多個層面論述了轉向架的研究方法和內容。探討了有限元法在高速動車組轉向架的研究領域的應用。關鍵詞：高速動車組；轉向架；發展歷程；研究方法；綜述 1 緒論20世紀60年代，日本開發了第1代0系新干線動車組用DT200型動力轉向架，其一系懸掛采用IS拉板雙圓簧模式，中央

2、懸掛由空氣彈簧、液壓減振器等組成1。隨著研究的不斷深入，又先后開發了300系動車組用DT203型、500系用WDT9101/9102/9103型等20余種轉向架2-3。這些轉向架結構不斷簡化，通過采用輕量化焊接構架、鋁合金軸箱、鑄鋁齒輪箱和空心車軸等技術使轉向架質量和簧下質量得到降低；驅動單元除采用常規的牽引電機架懸、通過齒式聯軸節補償相對位移的模式外，還在試驗轉向架上對牽引電機半體懸、平行萬向軸驅動和牽引電機體懸、縱向萬向軸-錐齒輪傳動等模式進行了試驗；對于軸箱定位方式，新干線動車組則通過多方案對比確定最優模式4；500系、N700系等動車組分別采用了半主動控制橫向減振器、主動控制空氣彈簧等

3、新技術，以改善車輛動力學性能，提高車輛運行速度。 隨著鐵路運行速度的不斷提高，我國在設計動力分散型動車組時先后設計了多種動力和非動力轉向架，其中較具代表性的有“春城”號動車組用CWD/T型，“長白山”號動車組用CW200D型，“中原之星”動車組用DDB1型、DTB2型，“中華之星”動車組用SW300型、CW300型和“先鋒”號動車組用PW250M/ T型轉向架5-7。近年來，為了滿足我國高速動車組發展需求，我國通過以高速動車組技術換取中國市場的政策，引進國外先進技術，與其共同設計研發了高速動車組CRH系列8。CRH1型是與加拿大共同開發的200公里級別（營運時速200 km，最高時速250 k

4、m）高速動車組，其轉向架采用了無搖枕空氣彈簧結構，一系懸掛和二系懸掛分別為單組鋼簧加單側拉板定位及空氣彈簧和橡膠堆，基礎制動裝置為直通式電控制動等技術9。CRH2型是與日本共同開發的200公里級別高速動車組。其轉向架為無搖枕式，H型構架，一系懸掛為轉臂式定位結構，軸箱彈簧為雙圈鋼圓簧，并采用了空心車軸和小輪徑車輪；二系懸掛為高度可自動調節的空氣彈簧，并且由橫梁內腔承擔輔助風缸；基礎制動裝置為卡鉗式盤型制動，該車具有非常好的高速性能及曲線通過能力10。CRH3型是與德國共同開發的300公里級別（營運時速350 km，最高時度394 km）的高速動車組。該車轉向架采用兩軸無搖枕式，H型焊接結構構架

5、，一系懸掛和二系懸掛分別采用螺旋鋼彈簧加減振器，轉臂式定位結構、空氣彈簧及抗側滾裝置和抗蛇行減振器等，采用輪盤式制動。CRH5型是與法國聯合開發的200公里級別的高速動車組。該車構架為H型焊接結構，電機采用了體懸方式，有著優良的動力學性能和曲線通過能力11。 2 轉向架的研究內容轉向架是高速動車組的走行裝置，它相當于汽車的底盤和車輪，具有導向、承載、減振、牽引、制動等作用，是負責完成整個車輛走行任務的部件12。其動車轉向架結構展示如下圖2.1所示，本文以轉向架構架及齒輪傳動系統兩個部分為例做簡要介紹。圖2.1 動車轉向架結構圖2.1 以轉向架構架為研究對象首先通過建模軟件PROE建立起轉向架構

6、架三維模型，導入有限元分析軟件WORKBENCH中建立該構架的有限元模型，后利用WORKBENCH對該構架進行各個工況的靜力學計算和模態分析計算，再利用動力學仿真軟件SIMPACK得到該動力轉向架的動態載荷譜，導入WORKBENCH對構架進行振動分析，最后對構架的結構進行優化13。具體研究內容如下： (1)首先介紹其課題研究的應用背景與意義，了解客車轉向架的國內外發展概況，研究了有限元分析的理論，為后續的分析計算奠定理論基礎；(2)參考國際鐵路聯盟的UIC規程和我國動力轉向架構架強度試驗方法中的規定，計算構架的主要載荷，主要包括構架的垂向力、橫向力及縱向力等。選取需要分析的轉向架構架組合工況，

7、分別計算各個工況所需要的載荷；(3)建立三維模型，導入有限元軟件WORKBENCH中劃分網格，建立有限元模型，對轉向架構架進行靜力學分析，得知該構架在各個工況下應力分布、最大等效應力值、最大應力點等數據情況，校核是否滿足材料的強度屬性； (4)進行模態分析，通過模態截斷法截取前六階模態，分析固有頻率和振動振型，進而判斷其是否會在外界激勵下發生共振及滿足材料的剛度要求；(5)運用多體系統動力學軟件SIMPACK建立高速動車組動力車系統動力學分析模型并計算獲得構架在轉向架支撐處的動載荷，將所得動載荷施加于構架相應位置，在ANSYS WORKBENCH平臺中進行構架振動特性分析，計算構架在軌道不平順

8、激勵下的振動響應，分析在一定振動頻率下的應力情況；(6)選取轉向架構架所受到等效應力最大的工況，對轉向架構架進行輕量化設計，選取構成構架的板厚度作為優化設計變量，構架的質量作為目標函數，建立優化分析的數學模型進行優化，對優化后的構架進行校核，確定構架的最終形式14-16。2.2 以轉向架齒輪傳動系統為研究對象隨著動車組向高速、重載方向的發展，其對齒輪箱的安全性和可靠性提出了越來越高的要求。采用輕型結構及降低噪聲對高速動車組來說具有重大的意義，是未來齒輪箱的發展方向17。為研制出更安全、更可靠、壽命更長的齒輪箱，并為將來齒輪箱的國產化提供技術參考，對時速 350km/h 高速動車組轉向架齒輪傳動

9、系統進行了仿真分析與試驗研究的具體研究內容如下：（1）對高速動車組轉向架齒輪傳動系統進行了靜態仿真分析。在 Pro/E 中建立了關鍵零部件的三維模型，利用 ANSYS 軟件對吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體進行了靜強度分析，得出了不同工況下的應力云圖，研究結果表明：吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體的強度滿足設計要求，主動齒輪軸、箱體的變形很小，滿足設計要求，為吊桿、主動齒輪軸以及齒輪箱箱體的結構優化提供指導；（2）對高速動車組轉向架齒輪傳動系統進行了動態仿真分析。利用ANSYS軟件對齒輪箱箱體進行了模態分析；為了更精確地模擬實際情況，利用 Romax軟件對齒輪箱系統進行了模態分析，仿真研究結果表明

10、：齒輪箱系統的主動軸、被動軸旋轉頻率和齒輪嚙合頻率都不與箱體和系統的固有頻率重合和接近，因此不會發生共振現象，且軸承和箱體的位移振動量都很小，不會產生較大的噪聲；同時研究了齒輪箱箱體在額定工況與啟動工況下的疲勞強度，其疲勞安全系數分別為2.52 和1.4，因此，齒輪箱箱體的疲勞強度能滿足使用要求；（3）對齒輪箱箱體進行了靜強度試驗，為齒輪箱的仿真靜強度結果提供了試驗驗證；同時對齒輪箱進行了噪聲測定試驗、加載試驗，對高速傳動齒輪箱進行了振動、噪聲、溫度的測量，測量結果表明：齒輪箱的性能良好，達到了評判標準18-19。3 主要研究方法3.1有限元法的應用隨著現代工業設計的發展，產品的研發周期要求越

11、來越短，很多產品在設計研發階段就需要對其應力、疲勞、壽命、振動、噪聲等性能作出準確預測20。但是隨著產品結構的越發復雜，傳統的經驗類比設計方法已不能滿足實際需求。而伴隨著計算機技術進步而快速發展的有限元分析方法，逐漸成為一種產品設計質量高，開發周期短，研發費用低的高效方法21-22。有限元法在解決結構、流體、傳熱、電磁等各種不同物理環境中的工程問題上有著其他方法無法比擬的優越性，逐漸成為解決復雜工程問題最常用和有效的方法。當前，比較熱門的有限元分析軟件有很多種，主要有 ANSYS、IDEAS、ABAQUS、WORKBENCH 等23。3.2有限元法的發展趨勢 隨著有限元技術的不斷普及應用，可以

12、看出其大致發展趨勢為： (1)與 CAD/CAE 軟件的無縫連接。即在 CAD/CAE 軟件中完成結構造型設計之后，可以直接將模型無損傳遞給有限元分析軟件進行分析計算，達到滿意的結構之后，再傳遞數控加工環節直接生產。對于解決復雜結構造型問題，此法有著無法比擬的快捷性，極大的提高了設計水平和效率24。 (2)網格處理能力不斷增強。網格在離散后，其質量高低直接關系到計算結果的效率和正確性，隨著各有限元軟件的網格處理能力不斷增強，劃分網格的效率和質量有了很大的提高。但是在解決實際工程問題中，特別是在復雜產品結構的分析中，還是有諸多的問題。實現自動六面體網格功能是實現自動循環的自適應性網格劃分的有效途

13、徑。 (3)研究問題由線性到非線性。隨著研究的不斷深入，普通的線性理論已無法解決設計中遇到的問題，此時需要引入非線性理論來求解。非線性問題的求解是復雜的，涉及專業領域較多，而個別有限元分析軟件已經開發出非常高效快捷的非線性求解器，極大方便了設計研究人員，提高了分析效率25。 (4)成為解決耦合場問題的利器。有限元分析方法最開始是用來求解線性結構問題，而隨著應用范圍不斷擴大，實際問題越來越復雜，求解耦合場成為不可避免的問題，因此有限元軟件必將成為解決耦合場問題的有效手段。 (5)程序面向用戶的開放性。有限元法的應用十分廣泛，但是任何一個軟件都有其局限性，因此軟件的開放性是至關重要的，允許用戶根據

14、自身情況對軟件進行自定義，從而提高分析設計的效率。4 結束語高速動車組轉向架不同于以往的軌道車輛轉向架，動車組轉向架主要由輪對、構架、一系彈簧懸掛裝置、二系彈簧裝置懸掛和驅動裝置、基礎制動裝置、安全監測系統等七部分組成。隨著動車組運行速度的不斷提高，對動車組轉向架的綜合性能要求也越高，高速動車組轉向架的設計通過不斷比選、優化論證，其綜合性能也得到提升。轉向架的各個部分均可作為獨立的研究對象，以使其達到最為理想的性能滿足不同車輛的需求。在轉向架的研究中CAD/CAE系統及應用都占較大篇幅， 絕大多數設計研發的產品都是先通過有限元分析方法求解，然后根據分析結果再進行改進和優化，可以大大減少產品的開

15、發周期，提高產品的品質和可靠性，因此有限元分析方法是應用十分廣泛的分析手段。參考文獻1劉建鑫.關于高速動車組轉向架的發展及其動力學特性探討J.中國戰略新興產業，2018(08)：142.2劉建亮. 高速動車組齒輪驅動裝置設計與仿真分析D.機械科學研究總院，2017.3李眾. 高速動車組轉向架齒輪箱安裝方式研究D.西南交通大學，2017.4馮永華，崔志國，周平宇，池茂儒.高速動車組轉向架聯系枕梁研究J.機車車輛工藝，2017(02)：5-7.5孔維鋼，郭志瑞，董詩玉.高速動車組轉向架焊接構架可靠性技術的探討J.中國戰略新興產業，2017(12)：138.6韓慶利.高寒高速動車組轉向架耐低溫防冰雪

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