電力蓄電池工程車轉向架部件建模與分析

歐陽斌

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510380）

0 引言

工程車輛作為地鐵運營中的重要車輛，很少被人們所熟知。在地鐵運營中，有電客車的地方必然有工程車的存在，工程車的作用絲毫不亞于客車。工程車承擔著在運送大量的材料、設備、物資[1]；配合段場內的作業；車輛進行冷、熱滑；運送維修設備和進行事故救援等等。因此，每一條地鐵線路都需要配備一定數量的地鐵工程車。隨著機車使用年限增加，逐漸出現集電靴斷裂，轉向架一系彈簧斷裂等機械故障，嚴重影響行車安全。本文通過探索一種可以提前預知機車機械故障，或者機械薄弱之處的研究方法，以便軌道車輛日常維修保養。

1 構架載荷計算及工況組合

1.1 轉向架構架模型的建立

如圖1 所示，構架的整體由兩條橫梁、兩條側梁、兩個電機安裝座以及兩個齒輪箱吊桿座相互焊接而成，構架是由低合金高強度結構鋼板和型鋼組成的全焊接封閉結構，由兩根側梁和兩根橫梁組成，兩根橫梁之間有鋼板焊接連接，整體呈中心對稱[2]。

圖1 構架整體三維模型

1.2 各部件載荷計算

1.2.1 強度分析標準介紹

ZER-4 電力蓄電池工程車運行速度等級低，構架形式與動車組等客運車輛有較大的差別，對動力學性能和乘坐舒適度要求與客運車輛有所不同，轉向架構架參照TB∕T 2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[3]，采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對ZER-4 電力蓄電池工程車轉向架構架進行靜強度和疲勞強度評估計算。構架約束條件及載荷形式如圖2所示。

圖2 構架約束條件及載荷形式

因此，本文選用TB∕T 2368-2005 標準進行靜強度及疲勞強度分析。按標準中規定，機車轉向架載荷類型有：超常載荷、模擬主要運營載荷和模擬特殊運營載荷，本文只研究構架由超常載荷類型組合的4種工況[4]。

1.2.2 超常載荷計算

本轉向架采用抱軸式齒輪箱，齒輪箱吊座只承受其慣性載荷，牽引裝置安裝在車體與轉向架之間傳遞牽引力和制動力，輪緣潤滑裝置主要安裝在車體上，基礎制動裝置安裝在側梁上，構架上安裝有兩個牽引電機和兩個集電靴，基礎制動裝置和集電靴的質量較小相比于整備質量而言可以忽略不計，后文不計此載荷。所以超常載荷只包括垂向載荷、橫向載荷和扭曲載荷[5]。

（1）垂向載荷

垂向載荷[6]主要為轉向架所承受的機車質量，作用在旁承座處，其大小為：

式中：Fz1max為轉向架左側的垂向載荷，kN；Fz2max為轉向架右側的垂向載荷，kN；g為重力加速度，取9.81 m∕s2;nb為整車轉向架數，取2；mv為整備質量，取56 t；m+為轉向架質量，取7.5 t。

（2）橫向載荷

橫向載荷[7]作用于橫向止擋和二系橡膠堆的位置，其大小為：

式中：Fymax為橫向載荷，kN；ne為每個轉向架上的輪對數，取2。

（3）扭曲載荷

扭曲載荷[8]以位移形式作用在斜對稱的車輪上，超常載荷工況下扭曲載荷取10‰軸距，其大小為：

式中：Smax為對應扭曲載荷下車輪位移，mm；D為轉向架軸距，取2 200 mm。

該扭曲位移通過壓縮一系懸掛裝置實現，其等效載荷大小為：

式中：Ft為一系懸掛裝置等效載荷；Smax為對應扭曲載荷下車輪位移，mm；T1為一系彈簧剛度，取361.5 N∕m；T2為一系減振器剛度，取500 N∕m。

1.3 工況組合的確定

按照我國鐵路標準TB∕T 2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》中對載荷工況組合的方法，同時參考類似型號工程車轉向架靜強度及疲勞強度試驗資料，超常載荷、模擬主要運營載荷和模擬特殊運營載荷的工況組成，本文選取超常載荷組合的4種工況進行分析[9]。機車在運營時可能出現的最大載荷作用下，共有4 個超常載荷工況，分析轉向架構架是否會發生永久變形。組合工況的載荷如表1所示。

表1 超常載荷工況組合及載荷值

2 轉向架構架強度計算與分析

2.1 網格劃分的要求及選取

為節省計算成本，將構架模型進行了一些優化，把一些不影響分析結果的小部件省略。

2.1.1 車架的縱梁和橫梁的連接模擬

本構架的側、橫梁均是通過焊接連接的。焊接點處的強度及剛度一般都會較大，因此縱、橫梁在焊接處是滿足變形協調關系的。在仿真平臺Workbench 中，通過接觸（Connections）建立縱、橫梁的綁定（Bonded）關系，以此實現縱橫梁之間的焊接處變形一致。

2.1.2 網格劃分

遵照劃分原則與方法，全面兼顧計算精度∕成本與構架特性，提出如下劃分方案。

（1）網格大小設定成20 mm。通過這種設定，能夠讓電機安裝座、縱橫梁的截面、長度獲得必須的網格數。

（2）由于構架縱橫梁呈相對規則幾何體，所以選擇Sweep 劃分法，可以獲得四邊形網格，從而避免計算占用過多時間。

綜合以上策略，構架、電機安裝座網格劃分完成，如圖3 所示，構架網格的總數量為269 554，節點總數量為108 192；網格劃分是科學合理的。

圖3 構架離散模型

2.1.3 材料屬性

構架主體由Q345B 低合金高強度鋼板焊接而成，其材料特性參數[10]：彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg∕m3。

2.2 構架在不同工況下的負載及約束條件

各種工況下的載荷值大小，已于前文中詳細計算得出，按照計算結果逐一進行靜力學計算分析。構架在實際狀態下通過一系懸掛與軸箱連接，軸箱與輪對裝配一體，模擬構架施加固定約束時，在側梁上安裝一系懸掛裝置處設置固定約束模擬支撐；為了模擬橫向止擋作用，在側梁上的橫梁圓柱面上施加固定約束[11]。

2.3 構架靜強度計算及結果分析

根據材料力學中的4 種強度理論，本文采用第四強度理論作為結構發生塑性失效的依據，即受力后結構中任意一點的形狀改變超過了該材料的屈服應力，則會產生結構嚴重變形并且失去原有的功效。若計算得到的數值小于Q345B 的屈服應力即為可靠。構架靜強度評定標準參數[12]：許用應力為314 MPa，安全系數為1.1。

2.3.1 超常載荷工況組合靜力學分析

超常載荷工況共4 個，考察在可能出現的最大載荷作用下，轉向架構架最大應力是否小于該處材料許用應力。由表1 中計算得到的構架超常載荷工況載荷種類和大小數據進行加載計算超常載荷工況狀態下構架的等效應力分布如圖4～9所示。其中工況2與工況3分析情況結果一樣，作用在左、右側梁。

圖4 工況1應力云圖

圖5 工況1變形云圖

圖6 工況2應力云圖

圖7 工況2變形云圖

圖8 工況4應力云圖

圖9 工況4變形云圖

2.3.2 構架靜力學結果分析

由上述4 個超常載荷工況下的構架靜強度計算結果（表2）可知，構架在第4 個工況下應力值最大且最大值為201.97 MPa，最大應力發生在側梁一系懸掛裝置安裝處。該處材料為Q345B，材料許用應力為314 MPa，故該構架在超常載荷工況下滿足靜強度要求。同時可以看出，4 個工況下構架最大應力位置發生在兩個位置，分別為側梁一系懸掛裝置安裝處和橫梁與側梁連接部位下方，說明該兩處局部強度相對較薄弱；前3 個工況下構架的形變量較小，第4 個工況下構架的最大變形量為15.23 mm，位置在側梁一系懸掛安裝處上半部分，該位置安裝著一系彈簧及一系減振器。

表2 超常載荷工況強度計算結果

3 現場應用情況

綜合4 個工況的靜力學分析，得知橫梁與側梁連接部位和側梁端部即一系懸掛安裝位置是構架剛度及強度最為薄弱之處。基于行車安全的考慮，應結合現有的技術規定及作業工藝流程進行優化，不斷提高機車安全性。

3.1 優化整備作業工藝流程

目前電力工程車日常整備作業流程中已經包含轉向架部件檢查內容，但未有針對轉向架構架薄弱之處的檢查，故在流程中加入橫梁與側梁連接部位和構架上一系懸掛安裝座位置的檢查項目。每次作業前整備機車都能夠檢查確認構架薄弱之處的狀態，以確保行車安全。

3.2 開展構架專項隱患排查

組織開展電力蓄電池工程車轉向架構架專項隱患排查工作，針對整個構架都進行機械裂紋、變形等異常情況排查，重點檢查構架的橫梁與側梁連接部位和構架上一系懸掛安裝座位置，確保目前在用的機車構架狀態良好。

3.3 定期檢測構架薄弱位置

電力蓄電池工程車全年維修保養劃分為系統修一、二、三、四，共計4 個季度維修，在維修保養技術文件中，走行部系統加入轉向架構架檢修保養內容，同時注明構架的橫梁與側梁連接部位和構架上一系懸掛安裝座位置進行重點檢修，每年全面檢修一次。

4 結束語

轉向架是電力蓄電池工程車的重要部件，構架則是轉向架組成中的主要承載件。本文通過三維軟件Solidworks 對電力蓄電池工程車轉向架構架進行建模，參照TB∕T 2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》，以及相關文獻，采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對轉向架構架進行靜強度和疲勞強度評估計算，選取超常載荷模式共4 個組合工況，計算相應的載荷數值及模擬條件，構架進行靜力學分析，校核構架的安全可靠性，同時獲得各工況下構架應力應變值最大的部件位置，分析得知構架剛度及強度薄弱位置是側梁端部即一系懸掛安裝座位置；利用該分析結果，通過技術文件優化、作業流程優化等形式應用于實際作業中，多維度確保機車轉向架構架狀態良好。