市域快軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)

付嘉慶，姜明昊，朱 戡，張 麗，劉東坡

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

0 引言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是列車的重要組成結(jié)構(gòu)，是其他零部件安裝的基礎(chǔ)。它不僅需要強(qiáng)度滿足要求，而且尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足各個(gè)零部件的組裝要求，保證各個(gè)部件在安裝過程中有足夠多的安裝空間[1]。構(gòu)架設(shè)計(jì)的安全性、可靠性必須滿足要求，以確保列車在行駛過程中的安全性。市域快軌車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用于城際市域動(dòng)車組列車，該列車既要滿足在大鐵路線路上運(yùn)行，又要滿足地鐵線路上運(yùn)行，所以對(duì)市域快軌車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)的設(shè)計(jì)也提出了較高的要求[2]。

1 構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工藝

該動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用的是傳統(tǒng)的二軸“H”形焊接鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，由箱型焊結(jié)構(gòu)的橫梁和2 根側(cè)梁組成，輪對(duì)與構(gòu)架采用轉(zhuǎn)臂軸箱和一系剛簧及橡膠簧相連，構(gòu)架與構(gòu)架通過空氣彈簧相連。除橫梁上個(gè)別安裝座之外，整個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本上是對(duì)稱結(jié)構(gòu)。構(gòu)架的橫梁和側(cè)梁通過上下蓋板對(duì)接焊接和橫梁外腹板與側(cè)梁內(nèi)立板垂直焊接相連。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架側(cè)梁為箱型焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)側(cè)梁各截面的應(yīng)力情況在側(cè)梁內(nèi)部不同位置添加筋板，使側(cè)梁各個(gè)截面的應(yīng)力更加良好，提高側(cè)梁的強(qiáng)度。該動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁為“弓”字形箱型梁體。側(cè)梁的上蓋板大體上分為三段，使得側(cè)梁焊接更加簡(jiǎn)單的同時(shí)能夠加強(qiáng)冒筒與側(cè)梁上下蓋板連接處的強(qiáng)度。側(cè)梁上安裝了抗蛇行減振器座和抗側(cè)滾扭桿座等，可保證列車在高速運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生蛇行失穩(wěn)，降低列車車廂的側(cè)滾量，防止列車超出設(shè)定限界，提高列車動(dòng)力學(xué)性能。

橫梁采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，為安放牽引梁和減輕整個(gè)構(gòu)架的重量，橫梁為“口”型。橫梁上蓋板留有較大的空間，方便布置轉(zhuǎn)向架制動(dòng)管路。橫梁上布有牽引電機(jī)上下支架、齒輪箱座和牽引拉桿座等。橫梁整體由上下蓋板、內(nèi)外腹板、內(nèi)部筋板以及各種安裝座組成。通過在內(nèi)部合理位置布置盡可能少的筋板來提高橫梁的強(qiáng)度，保證橫梁達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)的工藝性

構(gòu)架橫側(cè)梁采用鋼板件組焊而成，采用板材壓形件以減少焊縫。在布置構(gòu)架焊縫時(shí)，應(yīng)注意的事項(xiàng)：①每條焊縫都應(yīng)布置在便于焊接的位置；②焊縫之間應(yīng)留有較大的間隙，防止熱影響區(qū)相互影響，使得構(gòu)架發(fā)生較大變形，降低構(gòu)架強(qiáng)度；③焊縫應(yīng)盡量避開應(yīng)力較大的地方；④多條焊縫應(yīng)避免布置在同一截面；⑤盡量減少多條焊縫交叉布置，來降低交叉焊縫處的應(yīng)力；⑥焊縫的布置應(yīng)盡可能對(duì)稱于截面的重心。

側(cè)梁一系簧上方上蓋板加厚，因此在與中部上蓋板對(duì)接焊縫處設(shè)置斜坡，使得該處圓滑過渡，保證了合理的力流分布。對(duì)接處焊縫采用V 形焊縫，使得鋼板得以焊透，并要求磁粉和超聲波探傷來保證該處焊縫的質(zhì)量。為保證一系彈簧套筒與下蓋板連接處可以承受較強(qiáng)的載荷，套筒與下蓋板雙面均進(jìn)行焊接，使得該處焊縫可以成受較強(qiáng)的交變載荷。構(gòu)架上的安裝座基本采用質(zhì)密度高質(zhì)量可靠的鍛件加工而成，所有安裝座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易焊接。

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架其他零部件安裝的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)過程中需合理分布各個(gè)零部件的安裝位置，保證轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行過程中時(shí)，構(gòu)架上各個(gè)部件之間以及部件與構(gòu)架之間不會(huì)發(fā)生干涉，造成安全隱患。在滿足構(gòu)架上焊縫具有可焊性的同時(shí)應(yīng)該合理分布焊縫的位置，使得焊縫以較低的質(zhì)量等級(jí)就可以滿足所需的疲勞強(qiáng)度和安全性，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。對(duì)構(gòu)架關(guān)鍵焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)，來保證構(gòu)架的質(zhì)量。

2 靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析

該構(gòu)架計(jì)算載荷和強(qiáng)度評(píng)估方法依據(jù)“DVS1612”和“EN13749”標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算采用Hyperworks 軟件完成[3]。

2.1 有限元模型

取整個(gè)構(gòu)架進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型包含以下單元：①4 節(jié)點(diǎn)六面體；②10 節(jié)點(diǎn)四面體；③2節(jié)點(diǎn)梁；④2 節(jié)點(diǎn)套管元件；⑤2 節(jié)點(diǎn)1 維間隙；⑥2節(jié)點(diǎn)單元。構(gòu)架有限元模型大約包含0.98M 個(gè)單元和1.6M 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在構(gòu)架有限元計(jì)算中，構(gòu)架結(jié)構(gòu)自重、牽引電機(jī)重量和齒輪箱分配到構(gòu)架上的重量以質(zhì)量形式在計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算，其他載荷根據(jù)作用方式分別以面載荷和節(jié)點(diǎn)載荷的形式作用于相應(yīng)位置。

構(gòu)架所用材料主要參數(shù)和主要性能參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)（單位：MPa）

構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算載荷和載荷工況主要依據(jù)DVS 1612《軌道車輛用鋼焊接接頭的設(shè)計(jì)和疲勞等級(jí)》和EN 13749《鐵路應(yīng)用一轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》。

2.2 構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算及模態(tài)分析

2.2.1 超常載荷工況下構(gòu)架計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

在超常載荷工況下構(gòu)架Von Mises 應(yīng)力較大位置見表2。

表2 超常載荷工況下較大應(yīng)力發(fā)生位置

由表2 可知，在超常載荷工況下構(gòu)架最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱支架彎弧處，值為301 MPa，如圖2 所示。

圖2 超常載荷工況下構(gòu)架Von Mises 應(yīng)力最大處

計(jì)算結(jié)果表明，在超常載荷工況下構(gòu)架最大應(yīng)力值小于構(gòu)架所用材料屈服許用應(yīng)力（355 MPa），因此該構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2 運(yùn)營(yíng)載荷下構(gòu)架計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

（1）構(gòu)架基材分析

在疲勞荷載下，根據(jù)DVS1612 進(jìn)行基材安全系數(shù)的評(píng)估。運(yùn)營(yíng)載荷情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基材安全系數(shù)較小的位置見表3。

表3 運(yùn)營(yíng)載荷情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基材安全系數(shù)

由表3 可知，在運(yùn)營(yíng)載荷工況下構(gòu)架基材最小安全系數(shù)出現(xiàn)在電機(jī)上支架內(nèi)側(cè)彎弧處，值為1.11，如圖3 所示。

圖3 運(yùn)營(yíng)載荷工況下構(gòu)架基材安全系數(shù)最小處

（2）構(gòu)架焊縫分析

在疲勞荷載下，根據(jù)DVS1612 進(jìn)行焊縫安全系數(shù)的評(píng)估。運(yùn)營(yíng)載荷情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫安全系數(shù)較小的位置見表4。

表4 運(yùn)營(yíng)載荷情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫安全系數(shù)

由表4 可知，在運(yùn)營(yíng)載荷工況下構(gòu)架焊縫最小安全系數(shù)出現(xiàn)在制動(dòng)吊座與側(cè)梁連接處焊縫，值為1.01，如圖4 所示。

運(yùn)營(yíng)載荷工況下構(gòu)架焊縫安全系數(shù)最小處，構(gòu)架最小安全系數(shù)為1.01，出現(xiàn)在制動(dòng)吊座與側(cè)梁連接處焊縫，其余位置最小安全系數(shù)均大于1，其中基材最小安全系數(shù)為1.11。構(gòu)架基材和焊縫強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 構(gòu)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證構(gòu)架的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，對(duì)構(gòu)架按照UIC615-4-2003《動(dòng)車轉(zhuǎn)向架—走行機(jī)構(gòu)—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》和BSEN13749-2011《鐵路設(shè)施-轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞極限圖考核構(gòu)架的疲勞壽命能否滿足使用要求[4-5]。同時(shí)按照UIC615-4-2003《動(dòng)車轉(zhuǎn)向架—走行機(jī)構(gòu)—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》執(zhí)行1000 萬次疲勞試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)加載設(shè)備、測(cè)試儀器和環(huán)境條件

試驗(yàn)加載設(shè)備為MTS-16 疲勞試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集采用TDS-530 靜態(tài)應(yīng)變儀。試驗(yàn)場(chǎng)地附近無影響測(cè)試精度的強(qiáng)磁場(chǎng)、噪聲、振動(dòng)干擾；試驗(yàn)室溫度在15 ～25 ℃、空氣相對(duì)濕度不大于60%。所用載荷傳感器及測(cè)試設(shè)備均經(jīng)過有資質(zhì)單位的檢定校準(zhǔn)，并在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 構(gòu)架靜強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試一個(gè)構(gòu)架在靜態(tài)最大載荷下的應(yīng)力，判斷其靜強(qiáng)度是否滿足要求；檢驗(yàn)構(gòu)架在最大載荷作用下是否產(chǎn)生永久變形（屈服）。

3.2.2 構(gòu)架疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試一個(gè)構(gòu)架在各營(yíng)運(yùn)工況下載荷下的應(yīng)力變化值，檢驗(yàn)構(gòu)架能否滿足1000 萬次疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求。

3.3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布

根據(jù)構(gòu)架仿真計(jì)算結(jié)果，在應(yīng)力較大和關(guān)鍵部位進(jìn)行貼片。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)UIC615-4 和EN13749 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，靜態(tài)載荷下，最大應(yīng)力值為338.7 MPa，所有測(cè)點(diǎn)都在靜強(qiáng)度許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)試數(shù)據(jù)均在UIC615-4 和EN13749 規(guī)定的疲勞極限范圍內(nèi)，如圖5 所示；同時(shí)進(jìn)行1000 萬次疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后無裂紋產(chǎn)生。

圖5 UIC615-4 標(biāo)準(zhǔn)下構(gòu)架各測(cè)試數(shù)據(jù)在疲勞極限圖的位置

4 結(jié)論

市域快軌車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用經(jīng)典的“H”焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過焊縫合理的布局、先進(jìn)的焊接技術(shù)和工藝以及焊后打磨等方法，使得構(gòu)架具有焊后殘余應(yīng)力分布均勻、變形量小和機(jī)加工之前不需要退火等特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行仿真計(jì)算來分析構(gòu)架的應(yīng)力分布，并通過試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)證明，該構(gòu)架滿足市域快軌車輛對(duì)構(gòu)架的要求。