高速动车组牵引装置可靠性灵敏度分析及稳健设计

高速动车组牵引装置可靠性灵敏度分析及稳健设计

蔡国强

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：牵引装置是高速动车的重要组成零部件，传递着转向架和车体间的制动力和牵引力，由于牵引装置的构成尺寸、载重及产品的数据随机发生着变化的特点，在牵引装置生产制造、组装使用的过程中，分散着牵引装置的寿命，因此研究机车牵引装置的可靠性灵敏度是非常重要和有意义的。本文根据高速动车牵引装置的定义、组成展开分析，各部件对牵引装置的灵敏度分析可靠性的实际影响程度。同时对动车组的牵引装置的可靠性和灵敏度问题进行了深入研究。建立了专门的有限元分析的分析模型，应力和疲劳寿命的响应值得到了呼应，可靠性分析中的隐式极限状态方程问题叶子啊使用实验设计的方法中得到解决，服从分布数据的牵引装置的可靠性和灵敏度也通过一次二阶矩法得到论述，分布参数的牵引装置被引入的摄动法的级数进行了可靠性的分析。在这些完成的基础上，对牵引装置进行了可靠性优化设计和稳健设计的预想。

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1. 高速动车牵引装置特征及组成

1. 牵引装置的定义

这是一个机械工程名词，在2013年公布在《机械工程名词 第五分册》第一版中，是起重机被牵引或者进行牵引作业的装置。动车组转向架的牵引装置则是通过牵引梁、牵引梁底端压盖、中央牵引节点组成、拉杆、拉杆节点部件的传递牵引力和制动力。其特点为组成的牵引梁是铸造结构式，拉杆节点按压配合装在拉杆两端的孔中。

2、动车组的牵引装置的组成

一种高速动车组转向架的牵引装置是由牵引销，中心销座、与中心销座过盈配合压装的为楔形结构形状的中心销，中心销的顶端的直径尺寸大于中心销座中心孔的端面凸台，中心销的底端设有内螺纹孔，中心销穿过中心销座，同时与中心销座进行过盈配合压装，中心销端面凸台卡在中心销座上表面。还包括牵引梁、中央牵引节点组成、牵引梁底部压盖、拉杆和拉杆节点组成。牵引梁和压在牵引梁内部的中心销套，中心销外表面是由压装配合的牵引梁和中心销套一起套接的，同时还包括设有中心孔的压盖，压盖中心孔外侧设有环形凹槽止动垫片插在凹槽里面，紧固件从压盖中心孔、止动垫片的中心孔和中心销底部的内螺纹孔配合依次穿过，紧固了中心销、中小销座和压装后的牵引梁及中心销套，紧贴紧固件测表面的止动垫片自由端被折弯，起到了防松的作用。中心销座和车体的固定连接优化了牵引装置的结构，合理分配了部件在生产时候的强度，对紧固件送松脱起到了防止的作用，牵引装置的运行安全也得到了保证。

3、牵引装置的作用

高速动车转向架与轮对是组成机车牵引装置的非常关键的部件,是牵引装置的主要组成基础,而转向架所承载的车体、乘客重量、其他组成的配件柜的载重都是不可估量的，随机性很强，时一个非常复杂难计算的机械结构。动车组的动力转向架与轮对本身具有重量、而车身、电机等部件也存有重量，再加之车体与轮对之间还存在各种载重，转向架与轮对的可靠性直接影响着机车的安全性和运行性能，在高速动车轮对研究的方面，随着高速铁路的可持续发展战略的影响，越来越高帝要求轮对的稳定性和磨损的综合性，十分有必要地对机车组轮对的磨损进行了可靠性地评估。对国内外铁路动车组车辆的可靠性进行了整理分析其现实状况。

4. 牵引装置的背景技术及现用技术

目前的机车上多为焊接结构式的牵引装置，就会出现抗疲劳强度的性能弱、制造工艺较差的情况，橡胶三部分、节点处芯轴金属和拉杆硫化为一体，而其中一个部位出现了问题，结果只能进行整体更换，不仅增加了工作量，更给维修带来了极大的不便。而高速动车转向架的牵引装置具有足够的疲劳强度，工艺性能良好，通过拉杆及节点装置合理的搭配，确保了转向架的运行安全，由于拉杆与节点通过冷配合技术实现各自独立，某个部件坏了就只需更换那一个配件本身，无需整体全部更换，大大降低了维修劳动强度，节省了维修的成本。

二、灵敏性分析方法的发展及应用

1、灵敏度分析的发展

可靠性灵敏度是一个概念很广泛的词语，在结构优化设计过程中，我们经常会遇到计算与分析等相关问题。在不同的研究领域中可靠性灵敏度的分析也包含着不同的内涵。近年来，可靠性灵敏度分析法不断地得到推崇，在各个实际工程中应用的作用是越来越重要的了，在产品的动态优化、结构、形状、可靠性设计上使用的更灵活些。

2、灵敏度分析方法的运用

2.1灵敏度分析方法在优化模型改进中的运用

在进行优化设计工程实际问题时，首先就是要将实际问题转化成计算机能够识别计算的一种模式，要求我们要从本质上理解和把握需要优化的所有问题，更重要的时我们要准确地用简单的实体表达式表达一个抽象化、实际化地的难题，在建模的过程中，由于经验的缺乏、疏忽、对问题的理解不够深刻的这些原因，建模者的设计模型会出现不合理的成份或者错误，因此我们在实体模型建好后，要对进一步分研究和分析，找出问题进行再次优化，使实体模式更加合理准确，灵敏度分析方法将起着非常重要的作用。

2.2灵敏度分析方法在动车组牵引装置中运用

在动车设计领域，“秦代成”把可靠性灵敏度分析延伸在高速动车的结构优化设计中，对CRH2动车组牵引装置的强度及可靠性问题进行了灵敏性分析，从而为该种动车的牵引装置优化设计提供了指导和帮助，。

2.2.1首先，高速动车组的牵引装置的三维实体模型建立，牵引装置的有限元模型在HYPERMESH软件的指导下被进行了建立了，牵引支座的混合单元有限元模型在壳单元和实体单元的配合下进行了建立。

2.2.2、高速动车组的牵引装置通过了Goodman曲线的方法和基于名义应力法进行了疲劳评价，在UIC615-1标准之，牵引装置的结构强度也通过有限元方法进行了分析。

2.2.3根据动车组牵引装置空间容量大的特点进行了优化，也根据牵引装置的结构特点，优化了牵引座的尺寸，拓扑优化了牵引拉杆，根据优化分析结果，设计了减轻牵引装置结构重量的方案。

2.2.4在试验设计中，得到了相应和随机变量的样本值，样本也根据Kriging模型得到了拟合，随机变量的函数得到了响应，牵引装置的可靠性灵敏度也通过一次二阶矩法和四阶矩法进行了分析。

2.2.5用体积最小牵引支座的目标函数为基准，利用了可靠性优化设立的理论和可靠稳健设计方法，可靠性优化设计了牵引支座。在此基础之上，可靠性优化模型中增加了可靠性灵敏度，可靠性稳健对牵引支座进行了设计，可靠性灵敏度得到降低，牵引支座的体积得到减少。

三、提高可靠性灵敏度分析及稳健设计对高速动车组的影响

机械优化设计的实体模型的一般形式，针对其存在的问题和不足，运用可靠性灵敏度分析放大进行改进和完善，设计模型得到简化和优化，优化设计的使用效率得到提升，将可靠性灵敏度分析方法应用稳健优化设计当中，通过灵敏度分析产生动车牵引装置的方法，将对优化结果的稳定性、可靠性要求直接转化为动车组牵引装置的结构优化，这样就求得牵引装置性能的稳定性，可靠的优化了存在的问题，使动车组的牵引装置得到最大的改善和优化，可靠性灵敏度分析方法在科学技术和计算机技术的发展推动下创新发展，可靠性灵敏度分析方法在制造业中已经推广及普及，更渗透地深入各个行业，应用的领域更加广泛，带来的经济效益和社会价值业无法估量。而在铁路运输行业中不断地研究和发展动车可靠性灵敏度分析方法，提高了高速列车的载重、运行速度、空间舒适性能，推动了铁路区域地区运输行业的快速发展，满足人们空间地域高效率出行，推动着国家地区的经济发展、减少环境能源消耗和不必要的浪费。

参考文献

[1] 尚伟. 高速列车牵引部件可靠性灵敏度研究[D]. 东北大学, 2019.

[2]秦代成. 高速动车组牵引装置可靠性灵敏度分析及稳健设计[D]. 东北大学.

[3]高升辉, 黄明高, 李冠军,等. 一种动车组转向架牵引装置:, CN204506906U[P]. 2015.