PW70L型低地板車輛動車轉向架構架強度分析

■ 陳德強 馮遵委

陳德強：南車南京浦鎮車輛有限公司轉向架設計部，工程師，江蘇南京，210031

馮遵委：南車南京浦鎮車輛有限公司轉向架設計部，高級工程師，江蘇 南京，210031

低地板車輛是城市軌道交通的重要工具之一，以其低地板方便旅客乘坐，編組多樣、運行靈活，投資少、建設速度快，與現有公交站臺、路面資源共享等特點深受各大城市歡迎。PW70L型轉向架是地板面高度為70%的低地板車輛轉向架，該型動車轉向架仍采用傳統動力轉向架，牽引電機、齒輪箱的安裝都是常規模式。

PW70L型低地板車輛動車轉向架結構與傳統地鐵轉向架結構相似，但工作環境有很大區別：低地板車輛線路具有小半徑曲線，啟動加速、制動減速更加頻繁，為了提高制動能力還增加了磁軌制動。采用有限元分析法，遵照VDV152和EN 13749標準，分析PW70L型低地板車輛動車轉向架構架在超常工況和模擬運營工況下的載荷，計算動車構架靜強度和疲勞強度，計算載荷涵蓋了動車轉向架和拖車轉向架的最大載荷。

1 構架結構及有限元模型

1.1 構架結構

PW70L型低地板車輛動車轉向架采用傳統有軸轉向架（見圖1），構架主體框架在水平面內呈日字形，橫梁為箱形結構，端梁上設有軸盤制動吊座，橫梁上設有電機和齒輪箱吊座；一系懸掛采用橡膠彈簧結構；二系懸掛采用橡膠簧承載、牽引拉桿牽引；基礎制動采用軸盤制動和磁軌制動組合的方式。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件HyperMesh對模型進行離散，采取殼單元與實體單元相結合的分析模式，對于構架側梁等薄板形固體采取抽中面方式，以具備相同厚度的殼單元進行替代；對于電機吊座等鍛造件采用實體單元進行劃分；實體單元和殼單元之間的連接采取在實體單元表面布一層質量很小的殼單元，通過共用節點達到連接的目的。模型中，實體單元采用四面體單元，殼單元采用四邊形和三角形單元，共計128 403個節點，341 070個單元。構架有限元模型見圖2。模型約束條件采用彈性邊界元，在構架側梁彈簧座上建立垂向、橫向、縱向彈簧單元，并在軸箱位置建立與車軸直徑一致的梁單元模擬車軸[1]。

圖1 動車構架結構

1.3 構架材料

構架強度應滿足：在超常載荷各載荷單獨或組合作用下，轉向架構架任何各點的Von Mises應力均不得超過材料的屈服許用應力；在模擬運營載荷工況下，轉向架構架的任意兩種載荷工況所產生的應力幅值及平均應力應在相應材料或接頭的Haigh疲勞極限圖的界限之內。構架材料及許用應力見表1[2]。

2 主要載荷

2.1 超常工況主要載荷

（1）垂向載荷。

根據EN 13749標準，轉向架設計軸重為12.5 t，為了更好地考察構架強度，超常載荷計算均采用軸重為12.5 t。計算載荷為144.2 kN。垂向載荷為：

式中：m+為轉向架質量。

（2）橫向載荷。

圖2 構架有限元模型

表1 構架材料及許用應力

根據EN 13749標準，橫向載荷為：

橫向載荷由二系橡膠簧和橫向止擋共同承擔，分別作用在橡膠簧座和橫向止擋處。每個空簧座的計算載荷為10.5 kN，一個橫向止擋處的計算載荷為80.8 kN。

（3）扭曲載荷。

根據EN 13749標準，超常工況軌道扭曲量等于轉向架軸距e的1%，則：

Twz=0.01e=0.01×1 900=19 mm。

該載荷作用在兩對角輪軸配合點上，上下方向相反，位移為：

Dpz= Twz/2=9.5 mm。

（4）縱向沖擊載荷。

根據EN 13749：2011標準C.5.3.3：

FXB=m+·3g。

（5）緊急制動載荷。

該型轉向架采用軸盤制動和磁軌制動相結合的形式，根據VDV152標準4.2.1：

Fx_brk_p1=1.3Max_p1，

Fx_brk_c1=1.3Max_c1，

式中：Fx_brk_p1為軸盤制動引起的超常縱向載荷；Fx_brk_c1為磁軌制動引起的超?？v向載荷；M為滿員時車輛質量，按滿軸重計算；ax_p1為盤形緊急制動減速度，3.0 m/s2；ax_c1為磁軌緊急制動減速度，1.0 m/s2。

（6）電機、齒輪箱慣性超常載荷。

按照EN 13749：2011規范D.2.2，電機、齒輪箱超常慣性加速度分別為：垂向±20 g，橫向±10 g，縱向±5 g。

2.2 模擬運營工況主要載荷

（1）垂向載荷為：

式中：m1為轉向架承受車體的載荷；Mv為空車車輛質量；P2為乘員質量；c為計算轉向架分配的載荷比，%；nb為每節車的轉向架數；azc為垂向振動加速度。

（2）橫向載荷為：

Fy= m1（ayc+aycc），

式中：ayc為橫向加速度（動態）；aycc為離心橫向加速度（準靜態）。

（3）縱向載荷為：

Fx=m1axc，

式中：axc為縱向加速度。

（4）扭曲載荷。

根據EN 13749標準，超常工況軌道扭曲量等于轉向架軸距e的0.5%，則：

Twz=0.01e=0.005×1 900=9.5 mm。

該載荷作用在兩對角輪軸配合點上，上下方向相反，位移為：

Dpz=Twz/2=4.75 mm。

（5）常用制動載荷。

根據VDV152標準4.2.1：

式中：Fx_brk_p2為軸盤制動引起的運營縱向載荷；Fx_brk_c2為磁軌制動引起的運營縱向載荷；ax_p2為盤形緊急制動減速度，1.0 m/s2；ax_c2為磁軌緊急制動減速度，0.5 m/s2。

（6）電機、齒輪箱慣性運營載荷。

按照EN 13749：2011規范D.2.2，電機、齒輪箱超常慣性加速度分別為：垂向±6 g，橫向±5 g，縱向±2.5 g。

3 計算結果

3.1 靜強度計算結果及評估

超常工況靜強度分別計算了垂向單獨、垂向+橫向、垂向+橫向+扭曲、縱向調車沖擊、垂向+橫向+制動載荷、垂向+電機齒輪箱慣性載荷等工況，其中在組合工況垂向+橫向+扭曲中的應力最大，位于側梁上蓋板圓弧處，最大應力307 MPa，滿足許用應力要求，應力云圖見圖3—圖5。

3.2 疲勞強度計算結果及評估

通過對模擬運營工況的組合，計算了各工況下構架關鍵部位的最大主應力及最小主應力，并計算出各關鍵部位的平均應力及應力幅，各部位計算結果見表2[3]。

4 結論

圖3 構架整體應力云圖（垂向+橫向+扭曲）

圖4 制動吊座應力云圖（垂向+橫向+制動載荷）

圖5 電機齒輪箱應力云圖（垂向+電機齒輪箱慣性載荷）

表2 構架大應力區平均應力和動應力幅值合成計算結果 MPa

圖6 P355NL1鋼構架疲勞強度評估

圖7 G20Mn5鑄件疲勞強度評估

通過對PW70L型低地板車輛動車轉向架構架的有限元強度計算及疲勞強度的評估，得出如下結論：

（1）在超常載荷工況下，最大應力為307 MPa，發生在垂向+橫向+扭曲工況，最大應力位于側梁上蓋板圓弧處，最大應力小于屈服強度（355 MPa）。

（2）在模擬運營工況組合作用下，最大應力幅為125.4 MPa，位于側梁上蓋板外側圓弧彎角處，各評估點的平均應力和應力幅值均在Haigh曲線包絡之內。

（3）通過轉向架構架靜強度和疲勞強度的計算與評估分析，表明PW70L型低地板車輛轉向架滿足VDV152、EN 13749和ERRI B12/RP60等標準的要求。

[1]李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等．Hyper Works分析應用實例[M]．北京：機械工業出版社，2008．

[2]王文靜，劉志明，李強，等．CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析[J]．北京交通大學學報，2009，33(1)：5-9．

[3]馮遵委，陳德強，楚永萍．基于Hyper Works的PW80E-Ⅳ型地鐵動車轉向架構架強度計算與分析[J]．鐵道車輛，2013(3)：6-9．