基于振動場的轉向架懸掛件強度設計

吳凱樺 詹慶濤

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

基于振動場的轉向架懸掛件強度設計

吳凱樺 詹慶濤

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

以振動場下轉向架懸掛件強度設計為研究對象，分析了靜強度方法的不足?；谵D向架端部懸掛件真實受力情況，提出了一種更符合實際的動強度設計方法，并以轉向架端部懸掛支座為實例，具體闡述轉向架懸掛件強度設計新方法。實例分析表明，采用動強度方法所得應力超出靜強度方法67.6%，更符合懸掛件的真實應力情況。

地鐵車輛；轉向架懸掛件；強度設計

列車運行過程中，轉向架懸掛件受到結構自身的靜態(tài)重力和轉向架較大的動態(tài)沖擊載荷的共同作用，當懸掛件受到載荷作用而產生裂紋甚至導致結構斷裂失效時，將產生災難性的后果。因此，研究轉向架懸掛件的強度設計方法，對于懸掛件使用持久性和行車安全性具有重大意義。

1　基于振動場受力分析

為了更好地從原理上分析傳統(tǒng)的懸掛件強度設計方法，闡述轉向架懸掛件強度設計新方法，本文以簡支梁為例，對其處于振動場中的情況進行受力分析。

設有一自重為M、跨度為L的簡支梁（見圖1），1/2梁處懸掛—質量為m的重物。該模型處于加速度為a的振動場中。靜強度方法忽略梁的自重，將載荷簡化為F=m（a+g）的集中力作用在1/2梁處（見圖2）。但當該結構位于振動場中時，梁自身具有內部慣性力。該慣性力可簡化為q=Ma/ L的均布載荷（見圖3）。靜強度方法所得應力與真實應力結果如表1所示。

圖1　簡支梁模型

圖2　靜強度方法-原理圖

圖3　梁自重所具慣性力簡化模型

傳統(tǒng)的靜強度法將結構受到的荷載轉化為靜載荷，以靜載荷作用下懸掛件的應力為設計指標。這種基于靜力學的設計方法在荷載不大、結構所處振動場的加速度不大的情況下基本合理。隨著列車運行速度不斷提高，振動場加速度不斷增大，無法忽略結構件本身具有的慣性力，采用傳統(tǒng)的強度設計方法會導致設計結構滿足強度要求和疲勞要求的錯誤結果，造成該結構投入使用一段時間后出現(xiàn)開裂等強度不足現(xiàn)象，降低了其可靠性。故本文提出新的強度設計方法：動強度設計方法。

表1　靜強度法所得應力與真實應力的比較

2　動強度設計思路

轉向架懸掛件強度設計新方法首先考慮列車運行過程中受到的激勵頻率，避免有害的共振；其次對結構的動應力進行計算分析，確保其小于結構的許用應力。

實際運用中，動強度設計方法采用瞬時動態(tài)分析（Transit）。其主要涵蓋以下要素：

（1）建立結構有限元模型：根據(jù)所需分析的轉向架懸掛件結構構型，建立有限元模型，賦予其材料、屬性。

（2）模態(tài)分析：若懸掛件結構的固有模態(tài)處于激勵的頻率范圍之內，需改變結構的振動特性，防止懸掛件共振。

（3）動力響應分析：分析懸掛件在振動場中的響應是否滿足設計要求。

3　工程實例分析

轉向架作為車輛走行部的主要部件，往往設置有不同的懸掛件。以安裝于司機室端轉向架端部的列車自動控制（ATC）天線支座為例，說明動強度設計法，并與靜強度法進行對比。

簡化的ATC系統(tǒng)安裝結構主要由水平橫梁管、安裝座、ATC信號收集裝置等組成。水平橫梁管和安裝座間用橡膠件連接，防止水平橫梁管因構架變形產生的應力。ATC結構的有限元模型如圖4所示。

（1）動力響應分析：約束后的模型受到加速度為a、頻率為f的振動激勵。采用ANSYS解算器得到ATC信號收集裝置端的加速度響應（見圖5）和結構的應力響應（見圖6）。對水平橫梁管中間處應力進行動響應分析，結果為32.4 MPa。

圖4　ATC結構有限元模型

圖5　加速度響應圖

圖6　動強度法的結構應力響應

（2）靜強度方法：相同的有限元模型和相同的沖擊加速度下，采用靜強度方法的結構應力圖如圖7所示，水平橫梁管中間處應力為10.5 MPa。

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)的靜強度法，水平橫梁管中間處應力為10.5 MPa；根據(jù)動強度設計方法可得ATC支座應力的動態(tài)變化，水平橫梁管中間處的應力為32.4 MPa。采用強度設計新方法所得的結構應力較傳統(tǒng)方法超出67.6%。傳統(tǒng)的靜強度設計方法忽視了結構處于動態(tài)作用力下產生的應力效果，給產品的投入使用埋下了巨大的安全隱患。

圖7　靜強度法的結構應力響應

4　結語

采用傳統(tǒng)的靜強度設計方法所得的地鐵車輛轉向架懸掛件結構應力遠小于結構的真實應力，由此會導致設計結構滿足強度要求和疲勞要求的錯誤結果，造成該結構投入使用一段時間后出現(xiàn)開裂等強度不足現(xiàn)象，降低了其可靠性。動強度方法考慮了結構處于振動場中所受的慣性力，更符合應力分布的真實情況。基于此方法的懸掛件結構設計將更加可靠，且能在一定程度上保障轉向架懸掛件的使用持久性和安全性，具有極大的推廣意義。

［1］ 張弛.深圳地鐵1號線ATC支座裂紋原因分析及改造方案［R］.株洲：南車株洲電力機車有限公司，2009.

［2］ 梁波.高速鐵路振動荷載的模擬研究［J］.鐵道學報，2006，28（4）：90.

［3］ 何景武.飛機結構的動強度問題研究與分析［J］.飛機設計，2009，29（2）：28.

［4］ 張凱函，李強，楊廣雪.西安地鐵車輛轉向架構架靜強度與疲勞強度分析［J］.城市軌道交通研究，2013（9）：79.

Strength Design for Bogie Suspension Parts Base on the Vibration Field

Wu Kaihua，Zhan Qingtao

Aiming at the strength design for bogie suspension parts based on the vibration field，shortcomings of the static strength method are analyzed.According to the real stress status of bogie suspension parts，a more realistic strength design method is proposed.With example of ATC（automatic train control）support suspending at the end of bogie，the new strength design method is concretely expounded.The result analysis indicates that the stress obtained by dynamic method is 67.6 percent higher than the static stress obtained by the traditional method，which is more conform to the reality.

metro train；bogie suspension parts；strength design Author's address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

U 270.331+.7

10.16037/j.1007-869x.2015.07.035

2013-12-21）