某型動車組動力轉向架構架優化設計

何 宇，曾 飛，王安斌，陳思成

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620；2.中船重工第七二五研究所洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南洛陽 471023）

0 引言

轉向架作為動車組中的關鍵部件之一，是支承軌道交通車輛車體的重要部件，不僅承擔了車輛安全、穩定運行的責任，還傳遞了各類復雜的載荷，其性能決定軌道交通車輛的運營質量。在對轉向架構架進行研究設計過程中，構架的強度試驗是不可或缺的研究內容。其中，強度試驗包含了靜強度試驗和疲勞強度試驗，前者的強度試驗是判斷構架是否會有永久變形的危險，后者是判斷構架是否會發生疲勞裂紋。RK Luo、B V Briekle、B L Gabbitas和WX Wu等[1-3]，通過使用有限元法估算了一輛軌道交通車輛轉向架構架的疲勞壽命。有相關學者和文獻采用有限元方法和多體仿真技術，并選取了鐵路擺式車輛的轉向架構架作為研究對象，并分析和判定了構架的強度[4-6]。方孝鐘、劉曉靜[7-8]通過使用有限元分析方法、三維建模和多體仿真技術，估算了鐵路貨車車輛的構架疲勞壽命，并且在結構上對轉向架構架進行了優化設計，達到了輕量化的目的。這是一個新的估算構架疲勞壽命的方式，允許構架承受隨機動態載荷，使用該方法可以節約有限元分析計算的時間。

1 轉向架構架強度分析

構架作為轉向架的安裝基礎，用來安裝轉向架的相關部件，并傳遞及承受載荷，如垂向載荷（即重力）、橫向載荷（如離心力）、縱向載荷（如牽引力、制動力）。本文的構架選自某型轉向架，整體結構的組成如圖1所示。某轉向架構架的材質為SMA490BW，完成簡化處理后的模型導入Workbench后，首先需要定義模型的材料屬性，如表1所示。某轉向架構架的模型最小厚度處在15 mm左右，所以本文設置最大網格單元尺寸為15 mm。約束的主要施加部位是一系彈簧和轉臂定位座處。構架一系彈簧的彈性支承用垂向約束來模擬，構架的垂向約束施加在一系彈簧處，構架的橫向約束和縱向約束施加在轉臂定位座處。

圖1 動力轉向架構架結構

表1 SMA490BW材料屬性

1.1 構架靜強度

對某型轉向架根據JISE 4207進行計算，轉向架構架材料為SMA490BW時，材料的具體屬性如表2所示。

表2 SMA490BW材料力學屬性MPa

根據某型轉向架構架的技術參數，使用JISE 4207標準對轉向架構架進行靜強度進行分析[9-10]。由表2可知構架材料SMA490BW的屈服許用應力為305 MPa，轉向架構架前3種工況下的應力云圖如圖2所示。

圖2 3種工況下的應力云圖

根據JISE 4207標準，在各種載荷的單獨作用下時，轉向架構架出現最大應力的位置主要有轉臂座和側梁的連接處、橫向止擋座和縱向連接梁的連接區域、制動吊座和橫梁的連接處。其中，出現的最大應力值為126.66 MPa，發生在轉臂定位座區域，該值小于材料的屈服許用應力，所以在參考JISE 4207標準下，構架滿足靜強度的要求。

1.2 轉向架構架疲勞強度

驅動工況時，在載荷的單獨作用下的工況中，提取這5個關鍵區域的應力值，關鍵區域的應力結果如表3所示。

表3 關鍵區域點的應力結果

將表3中的應力計算的結果放入Haigh疲勞極限圖中，具體位置如圖3所示。從圖中可見，選取的5個關鍵點均落在疲勞極限圖的規定范圍內，所以該軌道交通車輛在驅動的時候，轉向架的構架符合疲勞強度的要求[11-12]。

圖3 JIS標準的Haigh疲勞極限

2 轉向架構架優化設計

從2.1節的靜強度分析中可以知道構架在超常載荷的工況下，其最大應力離屈服許用應力還有一定余量。因此，對構架進行適當的優化設計，不僅增強轉向架構架強度，而且可以達到輕量化的目的，從而節約構架的制造成本。本文的優化采用了ANSYSWorkbench中的Design Explorer模塊。

2.1 轉臂定位座區域的優化設計

從第1節的靜強度分析的結果中，可以發現轉臂定位座區域是出現最大應力次數最多的位置，并且也是疲勞強度分析中相對較為危險的區域。出現這樣的情況主要是由于某型動力轉向架構架的特殊結構導致的，車輛在行駛過程中，垂向力、橫向力、縱向力都會經過轉臂定位座，實現車體和車輪之間力的傳遞。

選擇轉臂定位座的厚度作為設計變量，參數如表4所示。分析該設計變量在超常工況時，能否對構架起到優化的作用。如圖4所示。

表4 設計變量的參數

圖4 設計變量的區域

本次優化設計中，Workbench自動給出了6個設計點，如圖5所示，并且計算出了該設計點的最大應力，迭代如圖6所示。

圖5 設計點的數值

圖6 設計變量和目標函數的迭代

通過迭代圖可以看見當轉臂定位座厚度在36.9 mm左右時，其應力達到了波谷，且Workbench給到的推薦設計點如圖7所示，所以根據迭代圖和推薦設計點選取36.869 mm為最優設計點，該值圓整為36.9 mm。

圖7 推薦的設計點1

選取最優設計點36.9 mm作為轉臂定位座的厚度，重新建模，導入ANSYSWorkbench中建立靜強度分析，選取超常工況4的載荷加載和約束方式。最終，設計點1的校核應力云圖如圖8所示。從圖中可以看見，在該工況下最大等效應力值為238.82 MPa，小于材料的屈服許用應力322 MPa，滿足構架的靜強度要求，而且和優化前的252.78 MPa相比，確實對構架的強度起到優化的作用。

圖8 最優設計點的校核應力云圖

2.2 側梁的尺寸優化設計

從2.1節的優化可以發現，優化后的構架其最大應力距離屈服許用應力還有一定余量，所以選擇側梁的上蓋板、下蓋板作為設計變量，對構架進行輕量化的設計。仍然是選擇超常工況作為極端工況，構架的變量參數如表5所示。

表5 設計變量參數

本次優化設計中，Workbench自動給出了10個設計點，如圖9所示，并且計算出了該設計點構架側梁的質量。

圖9 設計點的數值

通過分析最終給到了3個推薦設計點，如圖10所示，從圖中可知最優的優化設計結果是上蓋板16.7 mm和下蓋板7.07 mm。從數據中可以知道，構架的側梁質量減少了86.5 kg，構架的總體質量減少了4.4%，達到了構架輕量化的目的。

圖10 推薦的設計點

對構架側梁重新建模，導入ANSYSWorkbench中建立靜強度分析，選取超常工況4的載荷加載和約束方式。最終，優化后的的校核應力云圖如圖11所示。從圖中可以看見，在該工況下，優化后的構架最大應力值為253.41 MPa，低于材料的屈服許用應力322 MPa，所以滿足構架的靜強度要求。

圖11 最優設計點的校核應力云圖

3 結束語

本文參照JISE 4207標準對轉向架構架進行強度評價時，根據應力云圖可以得知，制動工況產生的應力最大，其值為152.38 MPa，出現于側梁上的轉臂定位座區域。因為其最大等效應力小于構架材料SMA490BW的屈服許用應力305 MPa，所以構架的靜強度合格。

根據靜強度的分析結果按照驅動工況提取關鍵區域的應力，計算平均應力和應力幅值，結合疲勞極限圖評價構架的疲勞強度，選取的關鍵區域的點均落在疲勞極限圖的規定范圍內。結果表明，參照JISE 4207標準時，構架疲勞強度都滿足要求。

優化設計部分，選取了轉臂定位座厚度和側梁的上、下蓋板厚度作為設計變量，來達到提高構架結構剛度和構架輕量化的目的。最終結果表明，該設計保證了構架強度合格的同時，使構架的整體質量減少了4.4%，節約了生產的成本。