地鐵車輛轉向架結構仿真和強度分析

孫博飛

中車長春軌道客車股份有限公司

地鐵車輛轉向架結構仿真和強度分析

孫博飛

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地鐵交通中極為重要和關鍵的設備就是地鐵車輛，其核心技術主要是控制技術，交流傳動技術、減輕車體質量改進技術及轉向架不斷更新和改進技術。而車輛轉向架是地鐵的重要組成部件，極大地影響著地鐵車輛在線路上行進的安全性、性能可靠程度和乘客的乘坐車輛的舒適程度，對交通運輸系統的經濟性有著重要作用。而轉向架的性能可靠則是車輛運行安全的有力保障。本文就地鐵車輛轉向架結構仿真和強度分析展開研究。

地鐵車輛；轉向架結構；仿真和強度

1 引言

轉向架的質量對于車輛在線路上的安全、平穩及舒適方面起著關鍵的作用，對交通運輸系統的經濟性有著重要作用。而轉向架的性能可靠則是車輛運行安全的有力保障。本文以某型地鐵車輛拖車轉向架為研究對象，對其進行結構的三維仿真設計和關鍵零部件的強度分析。

2 地鐵車輛動力轉向架構架的特點

本文所研究的地鐵車輛轉向架構架為H型焊接型，主要有箱型側梁、圓柱橫梁及輔助箱梁構成，軸箱為轉臂定位式。動力轉向架和拖車轉向架不可互換，縱向輔助箱端部有牽引電機和齒輪箱吊桿的安裝板。這些獨特結構設計保證了該構架的良好的連接強度和工藝性。

3 轉向架構架結構研究分析

構架的結構設計決定著轉向架的性能。對這方面的研究，國外專家多采用動力學仿真，有限元法和實際試驗相結合的方法，而國內眾多學者也開始通過類似方法來對構架結構進行分析。國外轉向架構架的結構設計分析的方法比較成熟，其研究過程可分為四個步驟：(1)選取典型線路作為實驗線路，通過若干次模擬列車各種不同的工況條件的試驗，采集到構架結構上的載荷、應力和加速度等。(2)通過有限元軟件計算得出構架應力，得出關鍵點的計算數據與試驗點的數據相對比。(3)通過試驗和計算，再結合構架材料屬性和加工工藝，得出轉向架構架結構的評定依據。(4)最后通過仿真驗證構架的結構合理與否。可見，國外對轉向架構架結構研究是注重理論與實踐的結合來解決問題。近年來我國引進了國外先進的轉向架技術，轉向架開發設計水平逐漸提高。其中四方車輛廠采用統計方法對某型轉向架的構架和搖枕結構進行了靜強度分析，非常具有代表性；北京交通大學對某型地鐵車輛的動力轉向架和非動力轉向架進行靜強度與疲勞壽命的分析，并與試驗數據對比具有很高的可信度；西南交通大學在轉向架構架輕量化和振動特性方面的研究具有較高的水平。

4 地鐵車輛轉向架結構仿真和強度分析

4.1 轉向架構架有限元模型建立

三維模型是對實際構架的虛擬仿真，是進行有限元結構分析和優化的基礎。在有限元分析中，模型來源一般有兩種，一種是在有限元軟件中，直接建立實體幾何模型，此方法適用結構相對簡單的模型，對于結構相對復雜的結構，該方法建模難度較大，效率較低。另外一種方法是通過專業三維繪圖軟件，建立實體幾何模型，然后簡化處理之后導入有限元軟件中進行分析。隨著有限元軟件的發展，與三維軟件的接口技術已相當完善，可以實現與三維軟件的集成連接，實現數據共享和交換，極大地方便了設計者的仿真分析。此高速地鐵轉向架構架結構非常復雜，完整三維模型零件總數達上百個，通過有限元軟件直接建模將是異常困難的，因此本文采用功能強大的三維設計軟件Pro/ENGINEERWildfire5.0建立了該轉向架構架的三維模型，并通過與有限元前處理軟件Hypermesh及分析軟件ANSYS建立雙向連接，在三維軟件修改幾何模型之后，在有限元軟件中實現更新，可以快速高效的對模型進行處理。

4.2 超常載荷工況靜強度分析

超常載荷強度判斷條件為各個超常載荷工況下的各點應力不超出材料的屈服強度極限。下面對規定的種超常載荷工況分別進行評定。超常載荷工況狀態下構架的應力分布見圖1。該工況為組合工況，主要用于模擬車輛的起動工況，考慮的載荷有超常垂向載荷、超常扭曲載荷、超常電機座載荷和超常齒輪箱吊座載荷，最高應力出現在側梁下蓋板與托板連接處，其值為226.397MPa。從計算結果可以看出，超常載荷工況最大應力沒有超過鋼板屈服極限345MPa，滿足強度要求。

圖1 超常載荷工況狀態下的應力云圖

圖2 超常載荷工況狀態下的應力云圖

超常載荷工況狀態下構架的應力分布見圖2。該工況也為上述工況的組合工況，主要用于模擬車輛的緊急制動工況，考慮的載荷有附加垂向載荷、附加橫向載荷、附加縱向載荷和附加制動載荷，最高應力出現在側梁下蓋板與托板連接處，其值為266.333MPa。從計算結果可以看出，超常載荷工況最大應力沒有超過鋼板屈服極限345MPa，滿足強度要求。

通過超常載荷工況靜強度分析，動車轉向架構架沒有永久變形危險。其中，超常載荷工況1的最大等效應力在側梁下蓋板與托板連接處，其值為226.397MPa。超常載荷工況2的最大等效應力在側梁下蓋板與托板連接處，其值為266.333?MPa。綜上所述，通過以上種超常載荷工況的靜強度分析，地鐵轉向架構架沒有永久變形危險。

5 結論

綜上所述，構架是一個受力復雜、載荷很大的部件。因此，結構安全是地鐵車輛轉向架構架結構強度設計的首要目標。

[1]董金妹.地鐵車輛轉向架結構仿真和強度分析[D].蘭州交通大學，2015.

[2]徐道雷.某型地鐵車輛轉向架構架結構分析[D].重慶交通大學，2012.