貨車轉(zhuǎn)向架徑向技術(shù)與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)FEM強(qiáng)度分析

賀文錦 龍慶文 熊律 揭薇

摘 ?要：為緊隨新時(shí)代鐵路運(yùn)輸快捷、重載貨運(yùn)趨勢(shì)，該文面向針對(duì)貨運(yùn)低動(dòng)力、低磨耗需求的徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，主要分析徑向轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)，梳理、總結(jié)徑向技術(shù)主流類型，并選取貨車轉(zhuǎn)向架中代表性副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架進(jìn)行研究。該文針對(duì)副構(gòu)架式徑向機(jī)構(gòu)，解構(gòu)其結(jié)構(gòu)組成，運(yùn)用有限元仿真分析方法對(duì)副構(gòu)架靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究。仿真結(jié)果顯示，徑向裝置整體強(qiáng)度滿足要求，局部區(qū)域應(yīng)力需引起關(guān)注，可為后續(xù)徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)、制造與研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：徑向轉(zhuǎn)向架；副構(gòu)架；有限元；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U270.1+2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）14-0013-06

Abstract： In order to follow the trend of fast and heavy-haul freight transportation in the new era， this paper mainly analyzes the characteristics of radial bogies， summarizes the mainstream types of radial technology， aiming at the radial bogie technology with low power and low wear demand. and select the representative sub-frame radial bogie in the freight car bogie to study. In this paper， aiming at the sub-frame radial mechanism， its structural composition is deconstructed， and the finite element simulation analysis method is used to study the static strength and fatigue strength of the sub-frame. The simulation results show that the overall strength of the radial device meets the requirements. Local stress needs attention， which can provide some reference for the design， manufacture and research of subsequent radial bogies.

Keywords： radial bogie; subframe; finite element; static strength; fatigue strength

“十三五”期間，中國(guó)社會(huì)物流總費(fèi)用超過(guò)11萬(wàn)億元，市場(chǎng)規(guī)模超越美國(guó)成為全球第一大物流國(guó)?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)將致力于從“物流大國(guó)”進(jìn)階為“物流強(qiáng)國(guó)”。2022年12月15日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了我國(guó)現(xiàn)代物流領(lǐng)域第一份國(guó)家級(jí)五年規(guī)劃《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》。其中，“鐵路物流升級(jí)改造工程”屬于11項(xiàng)重點(diǎn)物流及供應(yīng)鏈工程之一。對(duì)于鐵路貨物運(yùn)輸，高速、重載是發(fā)展過(guò)程中始終追尋的兩大目標(biāo)，也是順應(yīng)我國(guó)社會(huì)發(fā)展需求的貨運(yùn)升級(jí)必由之路。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)貨物運(yùn)輸需求發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，相較于傳統(tǒng)運(yùn)載清單，近年來(lái)，貨物形式呈現(xiàn)出百花齊放特點(diǎn)。其中代表性物流產(chǎn)品包括電子電器類、美妝護(hù)膚類、醫(yī)藥食品類等日用消費(fèi)品，且其運(yùn)載需求隨著線上購(gòu)物的繁榮發(fā)展而呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增量。此類運(yùn)輸業(yè)務(wù)由于附加值高、時(shí)效性敏感，對(duì)鐵路運(yùn)輸提出了持續(xù)性“快捷”要求。

鐵路貨物運(yùn)輸運(yùn)量大、運(yùn)輸成本低、綠色環(huán)保，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)，在和公路、水路、管道等運(yùn)載方式的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，不斷提升運(yùn)輸效率和質(zhì)量是鐵路貨運(yùn)發(fā)展的制勝法寶。發(fā)展重載運(yùn)輸是世界公認(rèn)的提升鐵路貨物運(yùn)輸效率的有效方法之一。

鐵路快捷貨運(yùn)、重載貨運(yùn)是解決線路運(yùn)輸效率不足問(wèn)題的有效手段，但隨著車輛速度的提高或軸重的增加，一方面能耗會(huì)進(jìn)一步增加，另一方面輪軌間作用力也會(huì)顯著提升，從而影響其動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及輪軌磨耗程度。特別是通過(guò)曲線段時(shí)，若曲線半徑小，會(huì)有顯著的輪軌磨耗現(xiàn)象甚至加劇輪軌損傷。在這樣的實(shí)際情況下，新時(shí)代貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架在提速、增重的同時(shí)提出了低損傷性、節(jié)能環(huán)保“綠色”性等關(guān)鍵要求。低動(dòng)力、低磨耗以及低噪音將是未來(lái)鐵路貨運(yùn)車輛發(fā)展的主要趨勢(shì)。

采用徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述需求的核心解決方案之一，裝載徑向轉(zhuǎn)向架的貨運(yùn)車輛具有良好的曲線通過(guò)能力、低動(dòng)作用力、低輪軌磨耗、低能耗、更長(zhǎng)的使用壽命與更低的全周期運(yùn)維成本。軌道車輛轉(zhuǎn)向架由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，2個(gè)同型車輪通過(guò)車軸相連組成輪對(duì)結(jié)構(gòu)，在通過(guò)曲線時(shí)兩車軸趨于平行位置，造成車輪與鋼軌間摩擦加劇，動(dòng)作用力增大。徑向轉(zhuǎn)向架是指曲線通過(guò)時(shí)，輪對(duì)繞軌道車輛坐標(biāo)系Z軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，車軸朝向曲線中心呈徑向位置的轉(zhuǎn)向架。徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)可減小輪軌之間作用力，改善輪緣與外軌內(nèi)側(cè)的磨耗，并可提高輪軌的黏著系數(shù)。研究表明，采用徑向轉(zhuǎn)向架可使輪軌橫向力降低10%～30%，輪軌垂向力降低約3%～5%；輪對(duì)沖角減小60%～80%，車輪壽命增加500%，鋼軌壽命增加25倍，輪軌維修減少70%；曲線通過(guò)阻力降至傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架的30%～50%，能耗降低5%，小半徑曲線上約可提高黏著系數(shù)20%。

1 ?徑向技術(shù)分類

當(dāng)前，徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)主要分為主動(dòng)導(dǎo)向、迫導(dǎo)向和自導(dǎo)向3類。

1.1 ?主動(dòng)導(dǎo)向

主動(dòng)導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是隨著列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而順應(yīng)而生的徑向轉(zhuǎn)向架類型，通過(guò)主動(dòng)產(chǎn)生適配曲線特點(diǎn)的外力從而使輪對(duì)處于徑向位置。其中關(guān)鍵技術(shù)為根據(jù)線路狀態(tài)判斷、確定外力大小與傳遞方法。主動(dòng)導(dǎo)向徑向系統(tǒng)通過(guò)智能化線路狀態(tài)探測(cè)裝置確定線路情況，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與預(yù)置算法分析計(jì)算確定外力大小，通過(guò)控制系統(tǒng)與具體驅(qū)動(dòng)單元輸出與線路半徑相適應(yīng)的作動(dòng)器行程，從而實(shí)現(xiàn)輪對(duì)徑向狀態(tài)。主動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)由于實(shí)時(shí)計(jì)算、執(zhí)行，對(duì)任意半徑曲線徑向狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)均表現(xiàn)良好，但該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件類型多，制造與運(yùn)用維護(hù)成本較高，同時(shí)由于實(shí)時(shí)算法與控制邏輯可靠性差異，實(shí)際線路表現(xiàn)仍有欠缺，有產(chǎn)生過(guò)導(dǎo)向現(xiàn)象的可能性。

1.2 ?迫導(dǎo)向

迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是利用車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)例如連接車體與軸箱或副構(gòu)架的杠桿系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)使輪對(duì)偏轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫輪對(duì)處于曲線徑向位置的轉(zhuǎn)向架類型。迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架對(duì)小半徑曲線適應(yīng)性良好，同時(shí)其實(shí)現(xiàn)輪對(duì)徑向的機(jī)構(gòu)相比主動(dòng)導(dǎo)向徑向系統(tǒng)有所簡(jiǎn)化，重量較輕，運(yùn)維成本相應(yīng)降低。但由于其需要實(shí)現(xiàn)車體與轉(zhuǎn)向架之間的聯(lián)動(dòng)與傳導(dǎo)，設(shè)置有例如杠桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)仍具有一定復(fù)雜度，且迫導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)制造與組裝精度要求較高。此外，迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)基于車體與轉(zhuǎn)向架間運(yùn)動(dòng)差異，在較大半徑曲線段徑向表現(xiàn)一般，且其機(jī)構(gòu)配合精度可能會(huì)對(duì)輪對(duì)偏磨造成一定影響。

1.3 ?自導(dǎo)向

自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是通過(guò)直接在轉(zhuǎn)向架上增設(shè)徑向調(diào)節(jié)裝置或采用差異化一系定位剛度設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)曲線時(shí)輪對(duì)自行趨向徑向位置的轉(zhuǎn)向架類型。自導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，是通過(guò)輪軌關(guān)系固有屬性實(shí)現(xiàn)輪對(duì)徑向、導(dǎo)向力來(lái)源為蠕滑力，因此不會(huì)出現(xiàn)過(guò)導(dǎo)向情況，但由于徑向驅(qū)動(dòng)來(lái)自于輪軌本身，因此徑向能力受限，特別在小半徑曲線上徑向程度不足。

對(duì)于軌道貨運(yùn)車輛轉(zhuǎn)向架，綜合考慮貨運(yùn)線路特點(diǎn)、徑向結(jié)構(gòu)成本、徑向能力需求三維度影響因素，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架能夠良好滿足要求。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架兼具曲線通過(guò)性能與直線運(yùn)行穩(wěn)定性，該轉(zhuǎn)向架一方面能夠一定程度實(shí)現(xiàn)過(guò)曲線徑向狀態(tài)（輪對(duì)“八”字排列），減小輪對(duì)沖角、輪軌作用力及輪軌磨耗（特別是針對(duì)快捷、重載貨運(yùn)車輛的輪緣側(cè)面磨耗問(wèn)題）；另一方面能夠通過(guò)輪對(duì)徑向裝置（如副構(gòu)架+拉桿形式）耦合輪對(duì)運(yùn)動(dòng)，增大輪對(duì)剪切剛度，從而提高蛇形失穩(wěn)臨界速度。因此，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架對(duì)于快捷貨運(yùn)與重載貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架均具有突出優(yōu)點(diǎn)。徑向貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架發(fā)展歷程中，成熟的典型貨運(yùn)轉(zhuǎn)向架多為自導(dǎo)向形式（如圖1所示）。

2 ?自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

我國(guó)貨車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架主要采用軸箱直連交叉桿徑向機(jī)構(gòu)模式與帶有副構(gòu)架結(jié)構(gòu)的徑向機(jī)構(gòu)模式。其中前者交叉桿通過(guò)彈性橡膠節(jié)點(diǎn)與軸箱相連，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。后者對(duì)既有三大件式（2個(gè)側(cè)架+1個(gè)搖枕）貨車轉(zhuǎn)向架中適用程度高，在重載貨運(yùn)車輛中使用較為廣泛，其具體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度是影響徑向機(jī)構(gòu)功能的關(guān)鍵因素。

副構(gòu)架式徑向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，2對(duì)U形副構(gòu)架分別與前、后輪對(duì)相連，將輪對(duì)左右端部相連，由于貨車三大件轉(zhuǎn)向架通常采用無(wú)軸箱形式，所以實(shí)際副構(gòu)架連接端為軸承上方承載鞍處，此連接機(jī)構(gòu)可以進(jìn)一步消除承載鞍擋肩與軸承間間隙，保障徑向能力。2副構(gòu)架中間通過(guò)連接桿交叉相連，耦合前后輪對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)曲線時(shí)，副構(gòu)架徑向機(jī)構(gòu)并未約束轉(zhuǎn)向架搖頭自由度，斜交叉桿作用力使得前后輪對(duì)均向沖角大小減小的方向旋轉(zhuǎn)，降低輪軌間動(dòng)作用力。

圖2 ?副構(gòu)架式徑向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

常見(jiàn)的副構(gòu)架式徑向機(jī)構(gòu)有以下3種類型（如圖3所示）副構(gòu)架位于搖枕兩側(cè)通常為鑄造件，呈U形框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)承載鞍特點(diǎn)采用不同端部設(shè)計(jì)，設(shè)有鉚釘孔、鉚釘座、凸臺(tái)和出砂孔等結(jié)構(gòu)，整體具有較高強(qiáng)度。副構(gòu)架和承載鞍之間可采用不同厚度的鋼質(zhì)墊板調(diào)整鞍面中心與副構(gòu)架銷孔間的縱向尺寸，保證輪對(duì)徑向機(jī)構(gòu)前后承載鞍間的距離與轉(zhuǎn)向架固定軸距相匹配。兩交叉桿斜置，于副構(gòu)架U形臂底端中部相連，兩端銷孔內(nèi)設(shè)有彈性橡膠節(jié)點(diǎn)。

3 ?輪對(duì)徑向裝置強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)向架徑向機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)徑向功能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其靜強(qiáng)度、剛度與疲勞強(qiáng)度是保證轉(zhuǎn)向架正常功能的關(guān)鍵指標(biāo)，由于斜置交叉桿結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且材料、結(jié)構(gòu)工藝易于滿足強(qiáng)度需求，在此選取徑向機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——副構(gòu)架輪對(duì)徑向裝置進(jìn)行基于有限元方法的強(qiáng)度分析。

3.1 ?有限元分析模型

輪對(duì)徑向裝置分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。結(jié)構(gòu)實(shí)體模型如圖4所示。徑向裝置整體為厚壁鑄鋼件，采用20節(jié)點(diǎn)高階四面體單元Solid 95進(jìn)行離散。結(jié)構(gòu)共離散為859 766個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成3-D實(shí)體單元548 142個(gè)，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

3.2材料力學(xué)性能

輪對(duì)徑向裝置采用B+級(jí)鑄鋼制造，該材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

3.3輪對(duì)徑向裝置靜強(qiáng)度分析

3.3.1計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

輪對(duì)徑向裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參考標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路貨車U形副構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《副構(gòu)架規(guī)范》）的要求。

輪對(duì)徑向裝置每側(cè)所承受的垂向靜載荷根據(jù)式（1）計(jì)算

F=（G-T）g ， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：G-車輛軸重；g-重力加速度；T-一條輪對(duì)重量。其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度工況見(jiàn)表2。

3.3.2計(jì)算結(jié)果

在表2的各計(jì)算載荷作用下，輪對(duì)徑向裝置各部件的應(yīng)力分布如圖6至圖11所示。圖示分析結(jié)果表明，輪對(duì)徑向裝置各部件在各計(jì)算載荷下的最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足車輛運(yùn)行要求。

3.4輪對(duì)徑向裝置疲勞強(qiáng)度分析

3.4.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《副構(gòu)架規(guī)范》的要求，輪對(duì)徑向裝置在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)承受的載荷主要是縱向推拉載荷和橫向推拉載荷。對(duì)于軸重為25 t的轉(zhuǎn)向架，縱向推拉載荷的范圍為-22.5～+45 kN，循環(huán)次數(shù)為2.6×105次；橫向推拉載荷的范圍為±45 kN，循環(huán)次數(shù)為5×105次。

在上述疲勞載荷的作用下，輪對(duì)徑向裝置結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的多軸應(yīng)力特征，如果根據(jù)主應(yīng)力范圍的最大值進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果將偏于危險(xiǎn)?；诖?，評(píng)估輪對(duì)徑向裝置的疲勞強(qiáng)度時(shí)采用德國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)FKM Guidelines：Analytical Strength Assessment （6th Edition）提供的方法，即將循環(huán)載荷作用下各主應(yīng)力的幅值與根據(jù)S-N曲線確定的，相應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的許用應(yīng)力幅值之比定義為材料利用度a，再根據(jù)式（2）由各主應(yīng)力材料利用度a計(jì)算綜合材料利用度a，當(dāng)a≤1時(shí)認(rèn)為結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度合格。

3.4.2 ?計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述輪對(duì)徑向裝置疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法，考察循環(huán)載荷下應(yīng)力幅值超過(guò)110 MPa的區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

發(fā)展快捷貨運(yùn)與重載貨運(yùn)是提升軌道運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)力并提升經(jīng)濟(jì)效益的2條路徑，然而高速、重載列車都伴隨著輪軌動(dòng)作用力增加、磨耗加劇、能耗上升等問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上貨車徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)主要分為主動(dòng)導(dǎo)向、迫導(dǎo)向和自導(dǎo)向3類。對(duì)于軌道貨運(yùn)車輛轉(zhuǎn)向架，綜合考慮貨運(yùn)線路特點(diǎn)、徑向結(jié)構(gòu)成本、徑向能力需求等影響因素，自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架具有顯著優(yōu)勢(shì)。我國(guó)大軸重貨車多采用帶有副構(gòu)架結(jié)構(gòu)的徑向機(jī)構(gòu)模式，其靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度是保證轉(zhuǎn)向架正常功能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)基于FEM的仿真分析顯示，徑向裝置整體強(qiáng)度性能表現(xiàn)良好，副構(gòu)架鉚釘孔間出砂孔拐角處、臂部出砂孔拐角處、內(nèi)鉚釘孔下凸臺(tái)邊緣等區(qū)域的應(yīng)力水平較高，可在后續(xù)設(shè)計(jì)、制造與研究過(guò)程中對(duì)這些部位予以關(guān)注。

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