轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方法淺談

吳夢(mèng)

摘 要：軌道交通在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中擔(dān)任重要角色，轉(zhuǎn)向架是軌道列車的關(guān)鍵部件，直接決定了列車的速度等級(jí)、安全性和舒適性。文章介紹了轉(zhuǎn)向架的一般設(shè)計(jì)流程，轉(zhuǎn)向架模塊化設(shè)計(jì)方法和基于CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其中基于CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以有效提高轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；模塊化；CATIA；參數(shù)化

中圖分類號(hào)：U270.331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）09-0014-02

高速動(dòng)車組使人們能夠?qū)ηЮ镏獾哪康牡爻l(fā)夕至，地鐵、輕軌車輛每天運(yùn)輸數(shù)以萬計(jì)的人穿梭于城市各個(gè)角落，城際列車使人們生活在A城市，工作在B城市成為可能。軌道列車給人們的生活帶來巨大的變化，它舒適、安全、可靠，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)、便捷。大運(yùn)量的城市軌道交通更是人們綠色出行的首選。

截至2014年底，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已突破11萬 km，其中高鐵運(yùn)營(yíng)總里程超過1.5萬 km。同時(shí)我國(guó)目前共有25個(gè)城市開通了地鐵，已有地鐵的城市還在繼續(xù)增加新的線路，其他一些城市的地鐵也在建設(shè)或規(guī)劃中。軌道交通車輛的需求規(guī)?？涨熬薮?，而車輛的走行部分——轉(zhuǎn)向架是軌道車輛最關(guān)鍵的部件之一，它直接決定了列車的運(yùn)行速度與品質(zhì)。軌道交通快速發(fā)展的趨勢(shì)要求我們能夠快速開發(fā)出適應(yīng)不同地域環(huán)境，不同速度等級(jí)、不同功能的轉(zhuǎn)向架。

1 轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)流程

轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的主流程為：設(shè)計(jì)策劃→方案設(shè)計(jì)→技術(shù)設(shè)計(jì)→施工設(shè)計(jì)→產(chǎn)品試制、驗(yàn)證及確認(rèn)。

1.1 設(shè)計(jì)策劃

設(shè)計(jì)策劃：客戶需求分析；轉(zhuǎn)向架載荷條件；線路參數(shù)分析；車輛重量計(jì)劃及分配；運(yùn)行環(huán)境及維護(hù)水平分析；相關(guān)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)分析；類似車型運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)分析。充分的設(shè)計(jì)策劃是后續(xù)設(shè)計(jì)的保障，是后續(xù)設(shè)計(jì)的輸入。

1.2 方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)是根據(jù)上述輸入開展以下工作：明確轉(zhuǎn)向架的功能，確定轉(zhuǎn)向架總體方案、組成部件、外部接口、內(nèi)部接口，確定基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定轉(zhuǎn)向架的性能參數(shù)，例如：臨界速度、最大軸重、運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)、RAMS指標(biāo)，另外還包括試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃。一般客戶要求在方案設(shè)計(jì)階段提供可視化的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，介紹轉(zhuǎn)向架方案并進(jìn)行客戶溝通。

1.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)設(shè)計(jì)是對(duì)方案設(shè)計(jì)開展的一系列驗(yàn)證工作，驗(yàn)證方案的可行性。主要通過一系列先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行各種仿真分析，同時(shí)聯(lián)系合作供應(yīng)商開展外購零部件的功能、可靠性驗(yàn)證。通過各種仿真軟件進(jìn)行的仿真分析涵蓋臨界速度仿真、運(yùn)行安全性仿真、運(yùn)行平穩(wěn)性仿真、振動(dòng)舒適度仿真、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性仿真、輪軌接觸仿真等。對(duì)轉(zhuǎn)向架的各部件進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞壽命計(jì)算。對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，包括轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)范圍、轉(zhuǎn)角、各部件的位移等以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉校核和限界校核。另外還要確認(rèn)制動(dòng)是否符合要求，校核內(nèi)部和外部接口關(guān)系，建立DFMEA分析表。通過一些列的仿真分析、強(qiáng)度校核與計(jì)算，改進(jìn)和調(diào)整設(shè)計(jì)方案，最終獲得客戶的批準(zhǔn)。

1.4 施工設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)方案得到設(shè)計(jì)驗(yàn)證并得到客戶的確認(rèn)之后開展施工設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)向架各個(gè)子系統(tǒng)的施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。這一步是將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)工人方便閱讀與操作的方式，進(jìn)行施工生產(chǎn)。

1.5 產(chǎn)品試制、驗(yàn)證及確認(rèn)

產(chǎn)品試制、驗(yàn)證及確認(rèn)，首先是構(gòu)架的試制和驗(yàn)證。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架，其它子系統(tǒng)都在該骨架上進(jìn)行裝配。構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接決定轉(zhuǎn)向架的安全可靠性。按照施工圖紙和工藝卡片試制出的構(gòu)架要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室貼片試驗(yàn)，看構(gòu)架是否滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度要求，如果不滿足則要改進(jìn)，重新試制。最后將各子系統(tǒng)組裝到構(gòu)架上，在滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上用實(shí)際的軌道譜作為激勵(lì)，驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)性能。

在轉(zhuǎn)向架落車后，還要進(jìn)行一系列例行試驗(yàn)，并且在線路上進(jìn)行各項(xiàng)型式試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)營(yíng)考核。綜合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架的性能，并且對(duì)產(chǎn)品做出改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定型，完成轉(zhuǎn)向架的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。在后期同樣需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的服役狀態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)，保障產(chǎn)品安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)為產(chǎn)品的檢修、后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計(jì)方法

目前主流的電力動(dòng)車組和地鐵都包含兩種轉(zhuǎn)向架，帶動(dòng)力的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和不帶動(dòng)力的拖車轉(zhuǎn)向架，區(qū)別在于拖車轉(zhuǎn)向架上沒有驅(qū)動(dòng)裝置。一列軌道列車上，一般來說動(dòng)力轉(zhuǎn)向架布置的越多，速度等級(jí)越高。

轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計(jì)方法是轉(zhuǎn)向架目前的主要設(shè)計(jì)方法。轉(zhuǎn)向架通常按功能分為以下幾個(gè)子模塊：構(gòu)架組成、輪對(duì)軸箱裝置、中央懸掛及牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及聯(lián)軸節(jié)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、管路及配線、其它附件。不同系列的轉(zhuǎn)向架大體都包含這些模塊，只是在具體形狀尺寸和接口關(guān)系上有些差別。

基于模塊化設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)策劃階段，根據(jù)客戶需求和功能分析，在以往的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品中尋找類似的結(jié)構(gòu)，并在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行類比分析，確定變更點(diǎn)，著重對(duì)變更點(diǎn)進(jìn)行分析驗(yàn)證。在進(jìn)行三維方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，只需要找到相似的子模塊，在子模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。最后裝配子模塊按照新的接口關(guān)系。

以青島四方股份公司為例，目前完成了SDB-80型轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計(jì)。SDB-80型地鐵是公司B型地鐵車輛成熟穩(wěn)定的定型轉(zhuǎn)向架。鑒于不同的轉(zhuǎn)向的子系統(tǒng)廠家不同、接口不同，因此對(duì)各子模塊設(shè)計(jì)了多個(gè)方案，例如構(gòu)架模塊目前就因接口不同存在A～E五個(gè)類型。在滿足同樣設(shè)計(jì)需求的情況下，優(yōu)先采用模塊化的方案，可以更好的對(duì)SDB-80型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)、工藝、制造、生產(chǎn)及售后服務(wù)等工作進(jìn)行管理，縮短設(shè)計(jì)周期、簡(jiǎn)化制造過程、便于組織生產(chǎn)和生產(chǎn)管理、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)向架的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的就是通過尺寸驅(qū)動(dòng)方式在設(shè)計(jì)或繪圖狀態(tài)下靈活的修改圖形，方便設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)效率。參數(shù)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通過改變幾個(gè)參數(shù)值，就可以形成新的結(jié)構(gòu)，從而建立參數(shù)化的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，但一般也只是用在小部件的參數(shù)化上。也有一些CAD二次開發(fā)的構(gòu)架參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，但是使用較為復(fù)雜且不夠成熟。CATIA軟件自帶參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，領(lǐng)先世界產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新解決方案領(lǐng)域，基于CATIA的骨架和參數(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。下面介紹基于CATIA的轉(zhuǎn)向架的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

轉(zhuǎn)向架的參數(shù)化設(shè)計(jì)步驟主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 確定轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)參數(shù)可分為一級(jí)參數(shù)、二級(jí)參數(shù)和三級(jí)參數(shù)。一級(jí)參數(shù)包括：轉(zhuǎn)向架與車體、軌道的外部接口尺寸，轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)的接口尺寸，子系統(tǒng)公有的尺寸。例如：軸距、空氣彈簧安裝面高度、構(gòu)架側(cè)梁中心距、空氣彈簧安裝孔中心距、車輪直徑、電機(jī)的橫向縱向安裝距離、橫梁和側(cè)梁的截面參數(shù)。二級(jí)參數(shù)包括各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，子系統(tǒng)內(nèi)部的接口尺寸。例如側(cè)梁的長(zhǎng)度、橫梁的長(zhǎng)度、橫梁和側(cè)梁上各個(gè)吊座的位置參數(shù)。子系統(tǒng)的組成模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)可作為三級(jí)參數(shù)。例如電機(jī)吊座屬于構(gòu)架子模塊，但是自身的結(jié)構(gòu)尺寸值就作為三級(jí)參數(shù)。

下級(jí)參數(shù)可以從上級(jí)參數(shù)中借用，因?yàn)樽酉到y(tǒng)的外部接口參數(shù)對(duì)上層系統(tǒng)來說是內(nèi)部接口參數(shù)，并且上層參數(shù)中包含一些子系統(tǒng)中共有的參數(shù)，例如橫梁的截面參數(shù)作為一級(jí)參數(shù)，但是橫梁上的吊座設(shè)計(jì)時(shí)也要用到橫梁直徑這個(gè)參數(shù)，它同時(shí)是二級(jí)或三級(jí)參數(shù)，但是可以從一級(jí)參數(shù)里借用。

3.2 建立轉(zhuǎn)向架骨架

一級(jí)參數(shù)用來建立轉(zhuǎn)向架的骨架。骨架其實(shí)是基于基準(zhǔn)平面建立一系列的接口平面，接口平面到基準(zhǔn)面的距離可以通過一級(jí)參數(shù)改變。轉(zhuǎn)向架的基準(zhǔn)平面推薦選軌面作為水平基準(zhǔn)面，選轉(zhuǎn)向架的縱向中心面作為縱向基準(zhǔn)面，選轉(zhuǎn)向架的橫向中心面作為橫向基準(zhǔn)面。這樣，通過一級(jí)參數(shù)可以定義接口平面。

例如通過空氣彈簧安裝面高度參數(shù)建立空氣彈簧水平安裝平面，通過空氣彈簧安裝孔中心距建立空氣彈簧的橫向的安裝平面，這樣就形成了空氣彈簧的安裝接口平面。子系統(tǒng)在裝配到骨架時(shí)，只需要將子系統(tǒng)自身的基準(zhǔn)平面對(duì)齊接口平面便可以快速裝配。在調(diào)整一級(jí)接口參數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)位置隨之改變，子系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)不受影響。

3.3 建立參數(shù)化的子模塊

對(duì)轉(zhuǎn)向架的各子模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。子模塊的接口參數(shù)可以引用上級(jí)參數(shù)，子模塊的內(nèi)部參數(shù)用來改變子模塊的結(jié)構(gòu)，不受上級(jí)參數(shù)的影響。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在共享上級(jí)參數(shù)的同時(shí)，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行分別開展參數(shù)化設(shè)計(jì)，互不影響。

3.4 將參數(shù)化的子模塊裝配到骨架上

子系統(tǒng)在裝配到骨架時(shí)，只需要對(duì)齊接口平面便可以快速裝配。在轉(zhuǎn)向架總系統(tǒng)中，可以根據(jù)需要增加和刪除子系統(tǒng)模塊，其他模塊不受影響。

基于CATIA的轉(zhuǎn)向架參數(shù)化設(shè)計(jì)方法以模塊化設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，不同之處在于，模塊化設(shè)計(jì)需要事先建立特定數(shù)量，特定尺寸的子模塊，并且需要重新裝配。當(dāng)模塊化的類型中沒有所需的尺寸和結(jié)構(gòu)類型時(shí)，需要重新建模，而參數(shù)化設(shè)計(jì)僅需根據(jù)需要改變一些參數(shù)就能完成設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

本文介紹了轉(zhuǎn)向架的一般設(shè)計(jì)流程，介紹了轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計(jì)方法和參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。轉(zhuǎn)向架的模塊化設(shè)計(jì)方法是目前主流的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方法，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法目前還處于研究階段。轉(zhuǎn)向架參數(shù)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于找到參數(shù)之間的關(guān)系和影響，這需要豐富的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。一旦建立起完善的參數(shù)體系，基于CATIA的轉(zhuǎn)向架參數(shù)化設(shè)計(jì)便可大大提高轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)效率，尤其可以實(shí)現(xiàn)快速的方案設(shè)計(jì)。

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