地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)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(guān)鍵的設(shè)備就是地鐵車輛，其核心技術(shù)主要是控制技術(shù)，交流傳動技術(shù)、減輕車體質(zhì)量改進技術(shù)及轉(zhuǎn)向架不斷更新和改進技術(shù)。而車輛轉(zhuǎn)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(tǒng)的經(jīng)濟性有著重要作用。而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強度分析展開研究。

地鐵車輛；轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)；仿真和強度

1 引言

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量對于車輛在線路上的安全、平穩(wěn)及舒適方面起著關(guān)鍵的作用，對交通運輸系統(tǒng)的經(jīng)濟性有著重要作用。而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架為研究對象，對其進行結(jié)構(gòu)的三維仿真設(shè)計和關(guān)鍵零部件的強度分析。

2 地鐵車輛動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的特點

本文所研究的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為H型焊接型，主要有箱型側(cè)梁、圓柱橫梁及輔助箱梁構(gòu)成，軸箱為轉(zhuǎn)臂定位式。動力轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計保證了該構(gòu)架的良好的連接強度和工藝性。

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)研究分析

構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定著轉(zhuǎn)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(jié)合的方法，而國內(nèi)眾多學者也開始通過類似方法來對構(gòu)架結(jié)構(gòu)進行分析。國外轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)架結(jié)構(gòu)上的載荷、應(yīng)力和加速度等。(2)通過有限元軟件計算得出構(gòu)架應(yīng)力，得出關(guān)鍵點的計算數(shù)據(jù)與試驗點的數(shù)據(jù)相對比。(3)通過試驗和計算，再結(jié)合構(gòu)架材料屬性和加工工藝，得出轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的評定依據(jù)。(4)最后通過仿真驗證構(gòu)架的結(jié)構(gòu)合理與否。可見，國外對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)研究是注重理論與實踐的結(jié)合來解決問題。近年來我國引進了國外先進的轉(zhuǎn)向架技術(shù)，轉(zhuǎn)向架開發(fā)設(shè)計水平逐漸提高。其中四方車輛廠采用統(tǒng)計方法對某型轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架和搖枕結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架進行靜強度與疲勞壽命的分析，并與試驗數(shù)據(jù)對比具有很高的可信度；西南交通大學在轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強度分析

4.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型建立

三維模型是對實際構(gòu)架的虛擬仿真，是進行有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)相對簡單的模型，對于結(jié)構(gòu)相對復雜的結(jié)構(gòu)，該方法建模難度較大，效率較低。另外一種方法是通過專業(yè)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(fā)展，與三維軟件的接口技術(shù)已相當完善，可以實現(xiàn)與三維軟件的集成連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，極大地方便了設(shè)計者的仿真分析。此高速地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)非常復雜，完整三維模型零件總數(shù)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(shè)計軟件Pro/ENGINEERWildfire5.0建立了該轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(xiàn)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(yīng)力不超出材料的屈服強度極限。下面對規(guī)定的種超常載荷工況分別進行評定。超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為226.397MPa。從計算結(jié)果可以看出，超常載荷工況最大應(yīng)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(tài)下的應(yīng)力云圖

圖2 超常載荷工況狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為266.333MPa。從計算結(jié)果可以看出，超常載荷工況最大應(yīng)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(zhuǎn)向架構(gòu)架沒有永久變形危險。其中，超常載荷工況1的最大等效應(yīng)力在側(cè)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(yīng)力在側(cè)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(zhuǎn)向架構(gòu)架沒有永久變形危險。

5 結(jié)論

綜上所述，構(gòu)架是一個受力復雜、載荷很大的部件。因此，結(jié)構(gòu)安全是地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的首要目標。

[1]董金妹.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析[D].重慶交通大學，2012.