B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對(duì)比分析

楊立舉 崔林格 許子佳 胡森

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130000

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得我國道路建設(shè)有了新的發(fā)展方向，為我國人們的出行更加便捷奠定基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向架是鐵路車輛的一個(gè)重要組成部分，而構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的主要組成部件，不僅是其余零部件的安裝基礎(chǔ)，而且承受及傳遞各種作用力和載荷，其可靠性將直接影響車輛的運(yùn)行安全，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理可靠需要通過有限元仿真分析或試驗(yàn)等手段進(jìn)行檢驗(yàn)[1]。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架技術(shù)發(fā)展路線分析

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架按承載軸數(shù)可分為單軸、兩軸和多軸轉(zhuǎn)向架，當(dāng)前鐵路技術(shù)中多采用兩軸轉(zhuǎn)向架，因此針對(duì)兩軸轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展路線進(jìn)行分析及簡述。在2006年以前，中國鐵路技術(shù)還未開始高速發(fā)展，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架技術(shù)主要由美國、德國、法國、日本等工業(yè)大國引領(lǐng)。2006年以前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主流結(jié)構(gòu)為：中間為一根橫梁，橫梁上端承載枕梁，橫梁兩端插入兩側(cè)側(cè)架，并且輪對(duì)在兩側(cè)架的內(nèi)側(cè)，本領(lǐng)域通常稱之為三件式構(gòu)架。如美國安施德工業(yè)集團(tuán)（AMSTEDINDINC）于1993年申請的專利US5410968A。同時(shí)期也存在中間兩根橫梁連接兩側(cè)側(cè)梁的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)，雖然并不多見，但也為隨后的技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如阿爾斯通運(yùn)輸公司（GECALSTHOMTRANS-PORTSA）于1994年申請的專利FR9406535A。自2006年起，世界鐵路技術(shù)開始快速發(fā)展，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架領(lǐng)域的專利申請數(shù)量明顯增長，并且其中已經(jīng)有一部分屬于我國的自主創(chuàng)新技術(shù)。日本川崎重工集團(tuán)于2006年申請的專利JP2008162455A，提出了低地板轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的概念，采用中間下凹型的橫梁實(shí)現(xiàn)低地板[2-3]。

2 構(gòu)架既有結(jié)構(gòu)

既有B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁通常采用無縫鋼管結(jié)構(gòu)型式，在橫梁上根據(jù)功能需要焊接有電機(jī)吊座、齒輪箱吊座及牽引拉桿座；小縱梁采用4塊板焊接箱型結(jié)構(gòu)，幾何中心與橫梁中心平齊，實(shí)現(xiàn)無縫鋼管的聯(lián)接，在某B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力測試過程中，發(fā)現(xiàn)構(gòu)架上部分測點(diǎn)等效應(yīng)力幅值超過標(biāo)準(zhǔn)限度70MPa，且均位于吊座與橫梁聯(lián)接處。其中，最大等效應(yīng)力為132.7MPa，位于電機(jī)吊座中部立板與橫梁連接燕尾處（測點(diǎn)44）[4]。需要說明的是，標(biāo)準(zhǔn)限度70MPa沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，此數(shù)值源于試驗(yàn)單位結(jié)合Miners線性累積損傷法則和JISE4208標(biāo)準(zhǔn)推算出來的經(jīng)驗(yàn)值，適用于焊縫接頭疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

3 構(gòu)架受力特點(diǎn)

構(gòu)架要承受來自車體的重量，車體的垂向（Z向）載荷通過二系懸掛裝置傳遞給構(gòu)架，橫向（Y向）載荷通過橫向止擋傳遞到構(gòu)架橫向止擋座，縱向（X向）載荷則通過牽引拉桿傳遞到構(gòu)架牽引拉桿座；同時(shí)還要承受線路扭曲及電機(jī)、齒輪箱等懸掛部件產(chǎn)生的各向載荷。

4 計(jì)算模型和載荷工況

采用有限元分析軟件Ansys12.0建立構(gòu)架模型，構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元，電機(jī)安裝座等離散成三維實(shí)體單元。計(jì)算模型整體坐標(biāo)原點(diǎn)位于軌面上，轉(zhuǎn)向架中心，x軸的正方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架的前進(jìn)方向，y軸為轉(zhuǎn)向架的橫向，z軸垂直向上。

5 構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了緩解構(gòu)架彈性共振，改善構(gòu)架承受輪軌振動(dòng)沖擊的能力，亟待優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)型式，提高橫梁強(qiáng)度和剛度裕量，以實(shí)現(xiàn)橫梁部位應(yīng)力的降低。優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)型式，須充分考慮整車系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)的接口需要。受到接口尺寸限制，只能通過增大橫梁無縫鋼管規(guī)格來實(shí)現(xiàn)其抗彎剛度的增加，無法采用4塊板焊接箱型結(jié)構(gòu)型式。按照環(huán)形截面慣性矩材料力學(xué)公式可知，剛度的增加可通過增大橫梁管直徑或者管截面積來實(shí)現(xiàn)，通過系統(tǒng)接口尺寸以及環(huán)形內(nèi)孔容積兼容性考慮，將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)橫梁鋼管直徑由185mm增加到193.7mm，壁厚由15.15mm增大到30mm。另外，將連接橫梁的小縱梁騎跨在了橫梁上方，加大了橫梁抗彎剛度。

6 結(jié)果

在滿足既有系統(tǒng)接口的前提下，通過增大構(gòu)架橫梁管截面面積，可以有效增加橫梁剛度，降低自振頻率，緩減橫梁垂彎彈性振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)降低橫梁上電機(jī)吊座、齒輪箱吊座等部位的應(yīng)力水平，提高地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架使用壽命。主要結(jié)論如下：①由于運(yùn)營線路條件惡劣，輪軌振動(dòng)沖擊加大，激起了構(gòu)架橫梁垂彎方向固有頻率，引起構(gòu)架橫梁高頻往復(fù)振動(dòng)，致使構(gòu)架橫梁部位應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)限度。②通過增大橫梁抗彎剛度和優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效地緩減垂彎彈性振動(dòng)，減小了橫梁上各類吊座的應(yīng)力水平，滿足了構(gòu)架使用壽命要求。③受到外部系統(tǒng)接口和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架空間限制，通過增大橫梁無縫鋼管規(guī)格提高強(qiáng)度和剛度，勢必會(huì)引起構(gòu)架重量的增加。雖然構(gòu)架增重對(duì)整車性能影響較小，但不利于節(jié)約能耗和輕量化設(shè)計(jì)理念，建議從改善輪軌沖擊振動(dòng)方面著手解決此類問題。

7 結(jié)語

通過上述的理論及數(shù)據(jù)分析可知，世界的鐵路技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展當(dāng)中，而中國的鐵路技術(shù)在其中占有舉足輕重的地位，并且日漸上升，已經(jīng)從一個(gè)技術(shù)小國成功躋身世界前列。通過以上專利數(shù)據(jù)分析可以清楚了解到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的發(fā)展過程以及現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)，通過對(duì)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)的了解能夠?qū)ψ约簩彶榈膶＠兄鼮槿娴恼J(rèn)識(shí)。