CRH5A 型动车组转向架结构优化与动力学性能仿真分析

一、转向架结构优化设计

1.1 优化设计原则与方法

在 CRH5A 型动车组转向架结构优化设计过程中，遵循的优化设计原则及方法如下：首先优化设计原则包含轻量化与强度的均衡，要缩减整车质量，增进运行效能，举例来说，采用高强度材料并改进结构设计，就可以达成重量下降10% 的目的，而且要保证结构强度符合安全标准。其次在设计方法方面，应用多目标优化策略，融合有限元分析（FEA）和多体动力学仿真（MBS），对转向架关键部件，像轮轴，悬挂系统等展开精确建模和分析，通过这些办法，可以预估并评判优化之后的结构性能，包含疲劳寿命、振动特性、热效应等等。

1.2 关键部件的结构优化方案

CRH5A 型动车组转向架结构优化设计当中，关键部件的结构优化方案是动力学性能提升的关键部分，拿轮对和轴箱来说，借助有限元分析（FEA）模型，能够精准模拟并评判不同设计方案对轮轨接触应力的影响。在优化期间，选用先进的材料和制造技术，采用高强度轻质合金材料，可以减轻轮对的质量，减小轮轨间的动态负载，提升运行平稳度。改变轴箱轴承的预紧力，可以改进轴承的承载能力及其耐用性，进而改良转向架的整体性能。

1.3 优化后的结构性能预测

在 CRH5A 型动车组转向架结构优化设计过程中，预测优化后的结构性能是非常关键的一环，借助先进的有限元分析手段，针对转向架的重要部件展开细致的模拟与计算。拿轮对和轴箱的结构优化来说，估计能削减起码10% 的重量，而且还能维持或者改进它的承载能力。利用多体动力学仿真技术，可以模仿车辆在各种运行状况下的动态反应，以此来预估转向架在高速运行时的稳定性以及舒适度。按照仿真的结果，经过优化之后的转向架，在高速过弯的时候，侧向加速度会下降15%，乘车的舒服程度得到了明显改善。

二、动力学性能仿真分析过程

2.1 载荷与约束条件的设定

要精确地模仿动车组在实际运行过程中所受的载荷，这些载荷包含静态载荷，也就是车辆自身重量、乘客和货物的重量，还要包含动态载荷，即加速、刹车以及在曲线上行驶时所产生的惯性力。拿 CRH5A 型动车组来说，按照有关的研究成果，当它处于满载状态时，转向架所承受的垂直载荷大概在 15 吨，而横向载荷或许能达到 2 吨。约束条件的设定则需考量动车组在实际运行过程中所面临的限制，比如轨道的几何特性、车辆的限界尺寸以及运行速度限制等，以CRH5A 型动车组为例，在高速行驶时，其转向架的侧向位移不能超过150 毫米，这乃是车辆限界和安全运行需求所限定的，而在仿真模型当中，这些约束条件被准确地加以设定，从而保证仿真得到的结果能够如实反映车辆在实际运行情况下的表现。通过设置恰当的载荷及约束条件，就能塑造起一个精确的动力学仿真模型，在这个模型之上，借助多体动力学仿真软件展开分析，可以预估转向架在各种工况之下的反应情况。拿 ADAMS/Rail 软件来说，通过仿真，可以细致地剖析转向架在曲线通过，紧急制动这些特定工况下的动力学性能，进而评判结构改良方案给车辆稳定性和舒适性带来的影响。

2.2 动力学仿真分析步骤

动力学仿真分析步骤如下：首先要精准设定载荷与约束条件，这样才能保证仿真模型能如实表现动车组在实际运行中的受力情形，拿动车组在不同速度下的运行数据来说，可设定相应的载荷谱，从而模仿车辆加速、刹车、走曲线的时候的动态反应。借助前沿的多体动力学仿真软件，像 ADAMS/Rail，对转向架展开动力学仿真分析。在仿真过程里，能提取出像轮轨接触力、悬挂系统动态反应、车辆横向及垂向稳定度这类关键性能指标，这些指标对评判动车组运行安全性和乘坐舒适性很关键。通过比较结构改良前后仿真的成果，可直接显示转向架结构改良给动力学性能带来的具体改变，提升车辆的稳定性和乘坐舒适性。

2.3 关键性能指标的提取与解析

在 CRH5A 型动车组转向架结构优化及动力学性能仿真分析研究当中，关键性能指标的提取与分析成为重要环节，通过准确的仿真模型，可以针对转向架的动态反应展开细致探究，进而提取出诸如振动频率、加速度反应、轮轨接触力等关键性能指标。拿轮轨接触力来说，经过结构优化之后的转向架构型，可以有效地削减接触力峰值，从而减少轮轨磨损，延长维护周期。按照仿真的结果，优化过的转向架在高速行驶的时候，振动加速度比起优化之前下降了 15% ，极大地改善了乘坐的舒适度。通过比较结构优化前后动力学性能，车辆的横向稳定度有了明显的改进，这也是高速过弯时候非常关键的地方。

三、结构优化对动力学性能的影响

3.1 结构优化前后动力学性能比较

通过比较优化前后动力学仿真分析的结果，转向架临界速度有了明显的提升，以动车组在某个载荷和速度条件下为例，优化之前临界速度是 200 公里每小时，优化之后提升到 250 公里每小时，提升了 25% ，这不但表明动车组在高速行驶的时候安全性有所加强，而且给优化运行效率带来了可能。运行效率上结构优化对动力学性能的正面效果也十分明显，优化过的转向架结构减轻了车辆的自重，而且牵引力的传递效率也得到了提升，这直接就使车辆的加速性能变好，能耗下降。拿同一种加速条件来说，优化过的动车组跑出 160 公里 / 小时所需的时间缩减了 10% ，每公里的能耗减少了 5‰ 。这些数据表明，结构优化不但改善了动车组的动力学性能，还给铁路运输的节能减排给予了有力的技术支持。

3.2 结构优化对车辆稳定性与舒适性的影响

通过运用先进的仿真分析技术，对转向架的关键部件执行结构改良，就能明显改善车辆的动态反应性能，拿轮对和轴箱的结构改良来讲，借助动力学仿真分析，发现车辆高速行驶时横向震动幅度下降了 15% ，这就提升了车辆的稳定性。改良过的转向架结构经过曲线轨道的时候，轮轨接触力度的波动程度缩减了 20% ，进而减小了轮轨磨耗，改善了乘坐舒适度。按照牛顿第二定律，物体的质量同加速度的乘积就是力的大小，改良过的结构减轻了车辆的质量，进而削减了惯性力，使得车辆加速和刹车的时候更为平滑。

3.3 结构优化对车辆运行效率的影响

采用先进的仿真分析技术对转向架结构实施细致调整之后，能够明显改善车辆运行时的能量消耗情况，以 CRH5A 型动车组转向架结构优化为例，通过缩减轮轨接触应力与摩擦系数，可以有效地减小滚动阻力，进而改善车辆的运行效率，依照仿真分析结果可知，经过优化处理的转向架结构在高速运行状态下，滚动阻力系数可缩减 5%-10% ，这种改善直接提升了车辆的运行效率。结构优化还包含减轻转向架自重，采用高强度轻质材料，比如铝合金或者碳纤维复合材料，这样能够进一步改善车辆的加速性能以及制动效果。

参考文献

[1] 徐祥书 , 李广军 , 钱佳林 .CRH2 型动车组转向架构架结构仿真分析及优化 [J]. 台州学院学报 ,2022,44(6): 44-49+84 .

[2] 赵翔彦 , 郝磊 , 闫树军 , 校艳 . 基于 Simpack 车辆 - 道岔耦合动力学性能研究 [J]. 内燃机与配件 ,2022(18):66-68.