A型地鐵轉向架構架強度仿真分析及試驗驗證

李崇，梁樹林*,，陳曉燕，王巖，池茂儒，吳興文

A型地鐵轉向架構架強度仿真分析及試驗驗證

李崇1，梁樹林*,1，陳曉燕2，王巖2，池茂儒1，吳興文1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.北京地鐵車輛裝備有限公司，北京 100079）

日漸增多的客流量加大了運營公司的負擔，故基于模塊化生產的理念針對載客量大、速度快的特點進行A型地鐵轉向架開發設計。首先介紹了最高速度為120 km/h的A型地鐵動車轉向架構架的結構特點，然后根據構架強度試驗標準UIC 615-4及轉向架構架設計要求規范EN 13749，采用正向設計理念，先對構架靜強度和疲勞強度進行仿真分析，最后對構架進行靜強度和疲勞試驗驗證。結果表明，構架強度仿真分析和試驗結果均滿足要求。

A型地鐵；轉向架；構架；強度

隨著城市的發展，擁有快捷便利的地鐵成為了人們出行的重要交通工具，軸重大、速度高的A型地鐵車輛成為了市場和運營公司的需求目標。由于線路條件不同，運行的最高速度也不一樣，采用的制動方式也可能有所不同，導致不同線路上的列車可能采用不同的構架，加大了運營公司維修管理的難度，為了實現易生產、易維修、易管理的目標，西南交通大學金學松團隊和北京地鐵車輛裝備有限公司聯合設計，采用標準化、模塊化[1]的理念，設計生產了一種可以兼容踏面制動和輪盤制動的A型地鐵轉向架，在保證構架主體結構不變的情況下，可根據客戶需求更換制動結構，滿足最高速度120 km/h的夾鉗制動或最高速度80 km/h的踏面制動的目標。

轉向架是軌道交通車輛正常行駛的基石，構架是轉向架重要的承載部件[2]，它不僅起到支撐車體，使其在軌道上安全運行的作用，而且還是轉向架各零部件的安裝載體，在運行過程中承受并傳遞各方向的交變載荷[3]，因此它的設計合理性和可靠性就顯得尤為重要，直接關乎著地鐵的運行安全。本文以最高速度為120 km/h的A型地鐵動車轉向架構架為例，介紹其結構特點，基于構架設計要求標準EN 13749-2011和構架強度試驗標準UIC 615-4-2003，采用正向設計理念，首先設計出三維模型，并利用仿真進行強度分析，找出薄弱位置并優化，最后通過強度試驗對設計出來的構架進行校核驗證。

1 結構特點

構架采用整體焊接方式，由兩根側梁和兩根橫梁鋼管焊接而成，三維模型如圖1所示。該構架不僅有一系、二系懸掛部件的安裝接口，還有傳動系統部件的接口，而且總結以往橫梁開裂的經驗，加大了橫梁鋼管的直徑，降低橫梁疲勞失效的風險；側梁作為空簧的附加氣室，采用箱體結構；具有兩個橫向止擋接口，有效保證二系回轉阻尼的平衡；具有制動單元的安裝接口，有效保證行車制動的安全性。

構架作為承載結構，主體采用高強度合金板材S355J2W+N，各安裝座由于吊掛零部件，采用鍛件材料Q345D，結合車輛性能和工藝加工最終確定側梁上蓋板厚度為14 mm，下蓋板厚度12 mm，立板厚度10 mm，橫梁無縫鋼管壁厚20.5 mm，其材料特性如表1所示。

圖1 構架結構圖

2 構架強度仿真分析

2.1 載荷工況

本文根據軌道車輛構架常用標準UIC 615-4和EN 13749，結合運營公司的建議，對構架進行了超常載荷和運營載荷進計算，評估構架的靜強度采用超常載荷，評估構架的疲勞強度采用運營載荷[4-5]，如表2、表3所示。

2.2 建立有限元離散模型

對三維幾何構架模型采用HYPERMESH 12.0進行網格離散，如圖2所示，為模擬構架在一系鋼彈簧上的實際支撐情況，在構架與鋼彈簧的接口處，采用一維彈簧單元分別離散出垂向、橫向和縱向的網格單元。采用彈性的邊界約束條件，其中在構架側梁的一系簧座上施加縱向、橫向和垂向彈性邊界，在轉臂定位座處施加縱向和橫向定位約束；根據載荷的實際作用位置對網格單元節點進行載荷加載，構架有限元邊界條件如圖3所示。最后采用ANSYS 15.0進行強度工況計算，得到計算結果并評估。

表1 構架的材料特性

表2 模擬運營載荷工況

注：F為垂向載荷；F為橫向載荷；F為縱向載荷；＝0.1，考慮車輛側滾影響；＝0.2，考慮車輛沉浮影響；h為斜對稱載荷；F為抗側滾載荷；F為小曲線載荷；F、F分別為電機、齒輪箱懸掛點載荷；F、F分別未電機、齒輪箱懸掛點靜載荷；F、F分別為電機懸掛點不同受力方向的動載荷；F、F分別為齒輪箱懸掛點不同受力方向的動載荷。

表3 超常載荷工況

注：10為斜對稱載荷；FmaxFmaxFmax分別為垂向、橫向、縱向的最大載荷；3gcj為縱向3沖擊載荷。

圖2 構架整體有限元模型

圖3 構架約束及主要載荷示意圖

2.3 構架強度分析結果

2.3.1 靜強度分析結果

根據構架材料的成分組成可獲得屈服強度為355 MPa，根據UIC 615-4標準，對于超常載荷工況14～20，構架的最大等效應力值均小于材料的屈服強度值，計算結果如表4所示，可知，各個工況的安全系數均大于1，滿足靜強度設計要求。其中最大等效應力在工況14，值為325.80 MPa，位于側梁下蓋板與轉臂節點座連接處。圖4是工況14構架Von Mises等效應力云圖。

表4 超常工況計算結果

圖4 工況14構架Von Mises 等效應力云圖

2.3.2 疲勞強度分析結果

（1）評定方法

由于構架主體板材S355J2W+N的疲勞試驗數據缺乏，故借鑒德國工業標準DIN 17100的規定，鑒于鋼材料S355J2W+N與S355強度等級相當，因此根據S355鋼的Moore-Kommer- Japer形式疲勞曲線對構架母材及焊縫進行疲勞強度評價[6]。評估標準采用DVS 1612的規定[7-8]，將焊縫接頭處應力分為垂直于焊縫的正應力σ、平行于焊縫的正應力σ及平行于焊縫的切應力τ，不同形式應力對應高低不同的容許曲線，對于母材疲勞，同樣的不同形式應力對應高低不同的容許曲線。

在進行疲勞評估時，選取構架主體中應力較大各點，建立各點的局部坐標系，將全局坐標系應力轉換到局部坐標系，針對計算工況1～13，在影響疲勞壽命的各方向上計算出該方向各點最大應力值max及最小應力值min，進而根據＝min/max計算出應力比，通過Moore-Kommer-Japer形式的疲勞曲線對結構強度進行判定并計算出應力較大點各應力方向材料利用度，并求出各點的綜合材料利用。

（2）分析結果

本文采用Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖，將獲得的構架薄弱位置應力較大點的應力比及最大應力值放入圖中進行比較，各節點影響疲勞破壞方向的材料利用度均小于1，綜合材料利用度小于1，滿足母材疲勞強度要求，構架母材疲勞評估結果如圖5所示，其中母材材料利用度最大值為0.98，位置在上蓋板內側過渡處。表5是母材部分節點的單向材料利用度和多軸材料利用度。

對于構架各梁焊縫的疲勞評估，結果表明所有焊縫影響疲勞破壞的三方向材料利用度均小于1，綜合材料利用度均小于1，滿足焊縫疲勞強度設計要求。其中角焊縫多軸材料利用度最大值為0.79，對接焊縫多軸材料利用度最大值為0.34。角焊縫疲勞評估結果如圖6所示，角焊縫部分節點的疲勞數據及安全系數如表6所示。

表5 構架母材部分節點三方向及綜合材料利用度

表6 構架角焊縫部分節點三方向及綜合材料利用度

圖6 角焊縫三向應力及材料利用度評定

3 構架強度試驗

該構架生產制造后，在西南交通大學牽引動力國家重點實驗室進行靜強度和疲勞強度的試驗，根據靜強度計算結果，對構架薄弱位置布置測試設備，共95個測點，其中87個單向應變片、8個三向應變花，部分應變片位置如圖7所示。

3.1 靜強度試驗結果

根據靜強度實驗結果，每個測點在超常工況下的最大主應力均不超過相應標準要求，構架靜強度滿足試驗要求，單向應變片測點的最大應力如圖8所示，三向應變花測點的最大應力如圖9所示。

圖7 部分應變片位置

圖8 單向應變片測點最大應力

圖9 三向應變花測點最大應力

3.2 疲勞強度試驗結果

靜強度試驗后對構架進行疲勞試驗，累計1000萬次后，經磁粉探傷檢查，未發現細小裂紋，滿足疲勞試驗要求。圖10是各測點試驗處理數據在GOODMAN圖[9]中的疲勞評定結果。

4 結論

本文參照構架強度試驗標準UIC 615-4及轉向架構架要求規范EN 13749，采用正向設計理念，先后進行構架強度仿真計算分析和靜強度和疲勞強度試驗，結果表明：

（1）對構架進行仿真分析，在超常工況下，構架靜強度不超過材料的屈服極限，滿足靜強度要求；在模擬運營工況下，構架疲勞強度不超過材料的疲勞極限，滿足疲勞強度要求。

（2）進行構架強度試驗，在超常工況下，各測點最大應力均不超過材料的屈服極限，滿足靜強度試驗要求；在模擬運營工況下，構架進行1000萬次疲勞試驗，各階段試驗完成后均對構架進行磁粉探傷檢查，未發現細小裂紋，滿足疲勞試驗要求。同時，試驗結果也充分驗證了仿真的正確性與可靠性。

圖10 Goodman疲勞極限評定曲線圖

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Simulation Analysis and Test Verification of Strength of Type A Subway Bogie Frame

LI Chong1，LIANG Shulin1，CHEN Xiaoyan2，WANG Yan2，CHI Maoru1，WU Xingwen1

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co., Ltd., Beijing 100079, China )

The increasing passenger flow has increased the burden of the operating company. Therefore, based on the concept of modular production, the development and design of type A subway bogie is carried out according to the characteristics of large passenger load and fast speed. Based on the design of the bogie as the research object, this paper first introduces the maximum speed of 120 km/h of the structure characteristics of type A metro train bogie frame, then according to the structure strength test standard UIC615-4 and EN - 13749 truck frame design requirement specification, using top-down design ideas, to frame for the calculation of the static strength and fatigue strength analysis, the static strength and fatigue test was carried out on the frame. The results show that both the simulation analysis and the test results meet the requirements.

type A subway；bogie；frame；strength

U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.006

1006－0316 (2020) 11－0036－07

2020－05－27

國家重點研發計劃（2018YFE0201401-01）；中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃（P2019J002）

李崇（1995－），男，河南長垣人，碩士研究生，主要研究方向為轉向架振動疲勞。*通訊作者：梁樹林（1967－），男，山西盂縣人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為軌道車輛工程結構可靠性及動力學、車輛系統故障診斷及智能運維，E-mail：a_slliang@163.com。