轉向架設計方法淺談

吳夢

摘 要：軌道交通在現代交通運輸中擔任重要角色，轉向架是軌道列車的關鍵部件，直接決定了列車的速度等級、安全性和舒適性。文章介紹了轉向架的一般設計流程，轉向架模塊化設計方法和基于CATIA的參數化設計方法，其中基于CATIA的參數化設計方法可以有效提高轉向架的設計效率。

關鍵詞：轉向架；模塊化；CATIA；參數化

中圖分類號：U270.331 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0014-02

高速動車組使人們能夠對千里之外的目的地朝發夕至，地鐵、輕軌車輛每天運輸數以萬計的人穿梭于城市各個角落，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，同時又經濟、便捷。大運量的城市軌道交通更是人們綠色出行的首選。

截至2014年底，全國鐵路運營總里程已突破11萬 km，其中高鐵運營總里程超過1.5萬 km。同時我國目前共有25個城市開通了地鐵，已有地鐵的城市還在繼續增加新的線路，其他一些城市的地鐵也在建設或規劃中。軌道交通車輛的需求規模空前巨大，而車輛的走行部分——轉向架是軌道車輛最關鍵的部件之一，它直接決定了列車的運行速度與品質。軌道交通快速發展的趨勢要求我們能夠快速開發出適應不同地域環境，不同速度等級、不同功能的轉向架。

1 轉向架的設計流程

轉向架設計的主流程為：設計策劃→方案設計→技術設計→施工設計→產品試制、驗證及確認。

1.1 設計策劃

設計策劃：客戶需求分析；轉向架載荷條件；線路參數分析；車輛重量計劃及分配；運行環境及維護水平分析；相關法律法規及標準分析；類似車型運用經驗分析。充分的設計策劃是后續設計的保障，是后續設計的輸入。

1.2 方案設計

方案設計是根據上述輸入開展以下工作：明確轉向架的功能，確定轉向架總體方案、組成部件、外部接口、內部接口，確定基本的結構參數，確定轉向架的性能參數，例如：臨界速度、最大軸重、運行安全性和平穩性指標、RAMS指標，另外還包括試驗驗證計劃。一般客戶要求在方案設計階段提供可視化的轉向架結構模型進行動態演示，介紹轉向架方案并進行客戶溝通。

1.3 技術設計

技術設計是對方案設計開展的一系列驗證工作，驗證方案的可行性。主要通過一系列先進的計算機仿真軟件進行各種仿真分析，同時聯系合作供應商開展外購零部件的功能、可靠性驗證。通過各種仿真軟件進行的仿真分析涵蓋臨界速度仿真、運行安全性仿真、運行平穩性仿真、振動舒適度仿真、側風穩定性仿真、輪軌接觸仿真等。對轉向架的各部件進行強度及疲勞壽命計算。對轉向架進行動力學計算，包括轉向架動態范圍、轉角、各部件的位移等以進行運動干涉校核和限界校核。另外還要確認制動是否符合要求，校核內部和外部接口關系，建立DFMEA分析表。通過一些列的仿真分析、強度校核與計算，改進和調整設計方案，最終獲得客戶的批準。

1.4 施工設計

在設計方案得到設計驗證并得到客戶的確認之后開展施工設計，包括轉向架各個子系統的施工圖紙設計、工藝方案設計與驗證。這一步是將設計轉化為現場工人方便閱讀與操作的方式，進行施工生產。

1.5 產品試制、驗證及確認

產品試制、驗證及確認，首先是構架的試制和驗證。構架是轉向架的骨架，其它子系統都在該骨架上進行裝配。構架的結構強度直接決定轉向架的安全可靠性。按照施工圖紙和工藝卡片試制出的構架要經過實驗室貼片試驗，看構架是否滿足靜強度、疲勞強度要求，如果不滿足則要改進，重新試制。最后將各子系統組裝到構架上，在滾動振動試驗臺上用實際的軌道譜作為激勵，驗證轉向架的各項性能。

在轉向架落車后，還要進行一系列例行試驗，并且在線路上進行各項型式試驗，對產品進行運營考核。綜合各項試驗結果，評價轉向架的性能，并且對產品做出改進，實現產品的定型，完成轉向架的整個設計流程。在后期同樣需要進行轉向架產品的服役狀態跟蹤監測，保障產品安全運營，同時為產品的檢修、后續產品的設計提供依據。

2 轉向架的模塊化設計方法

目前主流的電力動車組和地鐵都包含兩種轉向架，帶動力的動車轉向架和不帶動力的拖車轉向架，區別在于拖車轉向架上沒有驅動裝置。一列軌道列車上，一般來說動力轉向架布置的越多，速度等級越高。

轉向架的模塊化設計方法是轉向架目前的主要設計方法。轉向架通常按功能分為以下幾個子模塊：構架組成、輪對軸箱裝置、中央懸掛及牽引裝置、驅動裝置及聯軸節、基礎制動裝置、管路及配線、其它附件。不同系列的轉向架大體都包含這些模塊，只是在具體形狀尺寸和接口關系上有些差別。

基于模塊化設計方法，在設計策劃階段，根據客戶需求和功能分析，在以往的轉向架產品中尋找類似的結構，并在方案設計階段進行類比分析，確定變更點，著重對變更點進行分析驗證。在進行三維方案設計的時候，只需要找到相似的子模塊，在子模塊的基礎上進行修改。最后裝配子模塊按照新的接口關系。

以青島四方股份公司為例，目前完成了SDB-80型轉向架的模塊化設計。SDB-80型地鐵是公司B型地鐵車輛成熟穩定的定型轉向架。鑒于不同的轉向的子系統廠家不同、接口不同，因此對各子模塊設計了多個方案，例如構架模塊目前就因接口不同存在A～E五個類型。在滿足同樣設計需求的情況下，優先采用模塊化的方案，可以更好的對SDB-80型轉向架的設計、工藝、制造、生產及售后服務等工作進行管理，縮短設計周期、簡化制造過程、便于組織生產和生產管理、降低生產成本、提高產品質量。

3 轉向架的參數化設計方法

參數化設計的目的就是通過尺寸驅動方式在設計或繪圖狀態下靈活的修改圖形，方便設計過程，提高設計效率。參數化的產品設計在汽車領域有著廣泛的應用，通過改變幾個參數值，就可以形成新的結構，從而建立參數化的三維標準件庫，但一般也只是用在小部件的參數化上。也有一些CAD二次開發的構架參數化設計程序，但是使用較為復雜且不夠成熟。CATIA軟件自帶參數化設計模塊，領先世界產品設計與創新解決方案領域，基于CATIA的骨架和參數可以方便的實現參數化設計。下面介紹基于CATIA的轉向架的參數化設計方法。

轉向架的參數化設計步驟主要有以下幾點。

3.1 確定轉向架的各項參數

轉向架的各項參數可分為一級參數、二級參數和三級參數。一級參數包括：轉向架與車體、軌道的外部接口尺寸，轉向架子系統的接口尺寸，子系統公有的尺寸。例如：軸距、空氣彈簧安裝面高度、構架側梁中心距、空氣彈簧安裝孔中心距、車輪直徑、電機的橫向縱向安裝距離、橫梁和側梁的截面參數。二級參數包括各子系統的結構參數，子系統內部的接口尺寸。例如側梁的長度、橫梁的長度、橫梁和側梁上各個吊座的位置參數。子系統的組成模塊的結構參數可作為三級參數。例如電機吊座屬于構架子模塊，但是自身的結構尺寸值就作為三級參數。

下級參數可以從上級參數中借用，因為子系統的外部接口參數對上層系統來說是內部接口參數，并且上層參數中包含一些子系統中共有的參數，例如橫梁的截面參數作為一級參數，但是橫梁上的吊座設計時也要用到橫梁直徑這個參數，它同時是二級或三級參數，但是可以從一級參數里借用。

3.2 建立轉向架骨架

一級參數用來建立轉向架的骨架。骨架其實是基于基準平面建立一系列的接口平面，接口平面到基準面的距離可以通過一級參數改變。轉向架的基準平面推薦選軌面作為水平基準面，選轉向架的縱向中心面作為縱向基準面，選轉向架的橫向中心面作為橫向基準面。這樣，通過一級參數可以定義接口平面。

例如通過空氣彈簧安裝面高度參數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。子系統在裝配到骨架時，只需要將子系統自身的基準平面對齊接口平面便可以快速裝配。在調整一級接口參數時，轉向架子系統位置隨之改變，子系統自身結構不受影響。

3.3 建立參數化的子模塊

對轉向架的各子模塊進行結構參數化設計。子模塊的接口參數可以引用上級參數，子模塊的內部參數用來改變子模塊的結構，不受上級參數的影響。子系統設計師在共享上級參數的同時，對子系統進行分別開展參數化設計，互不影響。

3.4 將參數化的子模塊裝配到骨架上

子系統在裝配到骨架時，只需要對齊接口平面便可以快速裝配。在轉向架總系統中，可以根據需要增加和刪除子系統模塊，其他模塊不受影響。

基于CATIA的轉向架參數化設計方法以模塊化設計方法為基礎，不同之處在于，模塊化設計需要事先建立特定數量，特定尺寸的子模塊，并且需要重新裝配。當模塊化的類型中沒有所需的尺寸和結構類型時，需要重新建模，而參數化設計僅需根據需要改變一些參數就能完成設計。

4 結 語

本文介紹了轉向架的一般設計流程，介紹了轉向架的模塊化設計方法和參數化設計方法。轉向架的模塊化設計方法是目前主流的轉向架設計方法，參數化設計方法目前還處于研究階段。轉向架參數化設計的難點在于找到參數之間的關系和影響，這需要豐富的轉向架設計經驗。一旦建立起完善的參數體系，基于CATIA的轉向架參數化設計便可大大提高轉向架設計效率，尤其可以實現快速的方案設計。

參考文獻：

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