陳喜紅 王生華 羅華軍 陶功安 彭福盈

(1.南車株洲電力機車有限公司,412001,株洲;2.上海軌道交通維護保障中心,200070,上?！蔚谝蛔髡?教授級高級工程師)

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的結構特點和試驗

陳喜紅1王生華2羅華軍1陶功安1彭福盈1

(1.南車株洲電力機車有限公司,412001,株洲;2.上海軌道交通維護保障中心,200070,上海∥第一作者,教授級高級工程師)

主要介紹了ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架與上海軌道交通1、2號線原 SF2100型轉(zhuǎn)向架構架的主要結構區(qū)別,介紹了ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的強度計算結果、疲勞強度試驗結果和線路動應力試驗結果。計算結果和試驗結果均表明ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架均滿足有關標準要求和國內(nèi)地鐵A型車的運營要求。

地鐵車輛;轉(zhuǎn)向架;構架;試驗

First-author's addressCSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

上海軌道交通3號線二期車輛采用引進德國西門子技術并由南車株洲電力機車有限公司生產(chǎn)的SF2100改進型轉(zhuǎn)向架。而在原上海軌道交通1、2號線的車輛采用了從國外進口的原SF2100型轉(zhuǎn)向架。SF2100改進型轉(zhuǎn)向架構架是在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架的基礎上改進開發(fā)而設計的,其構架主體結構型式基本相同,但針對原SF2100轉(zhuǎn)向架構架在運營過程中發(fā)生的裂紋部位進行了重點研究和改進設計。

ZMA080型轉(zhuǎn)向架,是南車株洲電力機車有限公司在上海軌道交通3號線二期地鐵車輛項目引進SF2100改進型轉(zhuǎn)向架的基礎上,通過系統(tǒng)地消化吸收國外的設計、工藝、制造、質(zhì)量檢驗等成熟技術和國際先進標準,進行系統(tǒng)集成創(chuàng)新設計與制造的轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架適用于國內(nèi)A型地鐵車輛,最大軸重為16 t,最高運營速度為80 km/h,最高運行速度為90 km/h。

ZMA080型(SF2100改進型)構架如圖1所示。構架由低合金高強度的鋼板通過焊接而形成H形中空梁結構,鋼板經(jīng)表面處理后具有極強的耐腐蝕性,設計壽命為35年。

構架由兩根側梁和中間橫梁組成,兩根側梁由中間橫梁連接。構架的側梁在中間降低以便安裝空氣彈簧,側梁上有制動單元的安裝座。中間橫梁上有支撐電機和齒輪箱的托架。轉(zhuǎn)向架構架被支撐在一系人字橡膠彈簧上。

構架的設計和焊接按照德國標準DIN6700焊接體系的要求進行,并進行了焊接工藝評定。

圖1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架

1 ZMA080型與原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架的主要結構區(qū)別

原SF2100轉(zhuǎn)向架構架發(fā)生裂紋部位主要集中在(按發(fā)生頻次的高低排序):電機安裝座,齒輪箱吊掛座,橫向止擋安裝座等處。以下針對這三個部位發(fā)生裂紋的原因及在ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架上的改進設計進行重點介紹。

1.1 電機安裝座

在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架電機安裝座上蓋板的圓弧折彎區(qū)及兩側隔板,發(fā)現(xiàn)大面積貫穿型裂紋。電機安裝座結構如圖2、圖3所示,系由上下蓋板及4塊8 mm厚的垂直隔板組成箱形結構;其中間兩塊隔板被1塊橫向隔板隔斷,與構架橫梁并不連接。因此,在電機安裝座的橫向隔板與構架橫梁箱形梁的外部立板之間,電機安裝座的抗彎截面系數(shù)變化太大,造成了應力突變。

圖2 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架電機安裝座側視圖

圖3 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架電機安裝座俯視圖

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架電機安裝座相對原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架有較大的設計改進,其結構見圖4、圖5。雖然中間隔板由原來的2塊改為1塊,但是中間隔板直接與橫梁立板連接,同時將兩側的隔板由8 mm分別增加到14 mm和18 mm;另外,改進了電機下座的結構,使整個電機懸掛部位結構更趨于合理,不僅隔板加強了力的傳遞能力,而且橫梁上蓋板與電機安裝座過渡結構沒有截面突變。經(jīng)強度計算結果顯示,在承受電機豎向10 g、橫向5 g以及縱向5 g動載荷的超常載荷工況下,其應力分布見圖6所示。從圖6中可以看出,最大應力出現(xiàn)在橫梁下蓋板的圓弧過渡處,其應力值為131.901 MPa,小于16MnDR材料的屈服強度值345 MPa。

圖4 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架電機安裝座側視圖

圖5 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架電機懸掛座俯視圖

圖6 ZMA080型轉(zhuǎn)向架電機安裝座在超常載荷工況下的應力云圖

1.2 齒輪箱吊掛梁

在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架齒輪箱吊掛箱的上蓋板對接焊縫部位及兩側立板,發(fā)現(xiàn)大面積貫穿型裂紋。齒輪箱吊掛梁的結構見圖7。齒輪箱吊掛梁也是箱形結構,其上下蓋板以及兩側腹板都是 8 mm鋼板。由于牽引拉桿座的影響,齒輪箱吊掛梁箱形結構存在偏轉(zhuǎn),同時存在截面突變。由于齒輪箱吊掛座的上下蓋板在同一截面位置均存在對接焊縫,所以運營中經(jīng)常在上蓋板對接焊縫處及兩側立板處發(fā)生裂紋。

圖7 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架齒輪箱吊掛座

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架齒輪箱吊掛梁相對于原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架已有很大的改進,如圖8所示。一是延長了構架橫向止擋橫梁至齒輪箱吊掛座,消除齒輪箱吊掛梁的截面突變,增加了抗彎截面系數(shù);二是將齒輪箱吊掛座承載的箱形結構向外平移,使吊掛梁結構不再存在偏轉(zhuǎn)。在垂向50 kN的超常載荷工況下,其強度計算結果顯示的齒輪箱吊掛梁應力分布如圖9所示。從圖9中可以看出,最大應力出現(xiàn)在齒輪箱吊掛座座體的一塊筋板上,其應力值為116.593 MPa,小于ZG20SiMn材料的屈服強度值295 MPa。

1.3 橫向止擋安裝座

原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架橫向止擋安裝座的結構見圖10。橫向止擋安裝座由6塊厚度為8 mm的鋼板拼焊而成,在前面加焊左、右定位塊,在后面焊有橫向止擋座用的緊固螺栓的長方形擋塊。

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架橫向止擋安裝座與上海軌道交通1號線車輛轉(zhuǎn)向架的橫向止擋安裝座相比有了很大的改進,其結構見圖11。首先是將中間拼焊而成的主要承載部分改為整體鍛造成形經(jīng)機械加工而成的橫向止擋座體;橫向止擋座除2塊小筋板厚度為8 mm,其余部分的厚度都超過10 mm。在承受124.6 kN的超常載荷工況下,其強度計算結果顯示的應力分布如圖12所示。從圖12中可以看出,最大應力出現(xiàn)在橫向止擋座體中間孔的頂部,其應力值為179.671 MPa,小于16MnDR材料的屈服強度值345 MPa。

圖8 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架齒輪箱吊掛座

圖9 ZMA080型轉(zhuǎn)向架齒輪箱吊掛座在超常載荷工況下的應力云圖

圖10 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架橫向止擋安裝座

圖11 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架橫向止擋橫梁及座體

圖12 橫向止擋座安裝座應力云圖

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架相對于上海軌道交通1、2號線原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架在電機安裝座、齒輪箱吊掛座和橫向止擋安裝座都進行了改進。從目前的ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架計算結果來看,這三者在超常載荷工況下的靜強度是安全的,其疲勞強度也是安全的。

2 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的強度計算

在ANSYS有限元分析軟件中,針對構架基本由鋼板組焊而成的結構特點,構架的主要板件離散成為三維殼單元,部分安裝座離散成三維實體單元,一系簧安裝座根據(jù)實際受力情況離散成縱向、橫向和豎向彈簧單元,以便較好地模擬實際情況。ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架有限元計算模型見圖13。

2.1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架載荷組合工況

在參照西門子的構架強度計算報告和國內(nèi)相關院校計算報告的基礎上,對ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架按照UIC 615-4《動力車-轉(zhuǎn)向架和走行部-轉(zhuǎn)向架構架強度試驗》和《上海軌道交通4號線二期工程地鐵車輛技術規(guī)格書》的要求,對豎向載荷、橫向載荷、縱向載荷以及軌道扭曲進行組合,組合了15種工況,詳見表1。現(xiàn)對表1說明如下:

圖13 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架有限元模型圖

1)α為側滾系數(shù),β為浮沉系數(shù),Fz和 Fze為構架每側所受豎向載荷,Fy和Fye為構架所受橫向載荷,Fx為構架所受縱向載荷,F5g為構架所受沖擊載荷;

2)工況1模擬動車靜載工況,疊加了電機自重載荷;

3)工況2～13模擬主要運營載荷工況,疊加了特殊載荷,包括電機、減振器、制動器等產(chǎn)生的載荷;

4)工況14模擬超常載荷組合工況,疊加了電機扭矩載荷以及電機動載荷;

5)工況15模擬5g沖擊載荷工況,疊加了左右側梁靜載荷以及電機自重載荷。

表1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架計算工況表

2.2 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架強度計算的邊界條件

計算模型的邊界條件見圖14。

2.3 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架強度計算的結果

構架在所有工況下的靜強度能滿足要求。圖15為動車構架在工況14(模擬超常載荷組合工況)下的Top面應力云圖。

構架在模擬主要運營載荷工況2～13下的疲勞強度滿足要求。圖16為動車構架在工況2～13(模擬主要運營載荷工況)下的Top面節(jié)點疲勞強度評定Goodman圖。

圖14 計算模型邊界條件簡圖

圖15 在工況14(模擬超常載荷組合工況)下的構架Top面Von Mises應力云圖

圖16 在工況2～13(模擬主要運營載荷工況)下的構架Top面節(jié)點疲勞強度評定Goodman圖

3 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的疲勞強度試驗

對ZMA080型(SF2100改進型)轉(zhuǎn)向架構架進行了靜強度和疲勞強度試驗。疲勞強度試驗的加載圖如圖17所示。

圖17 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的疲勞試驗加載圖

在疲勞強度試驗的第一階段,動載荷的循環(huán)次數(shù)為600萬次,沒有出現(xiàn)裂紋;在第二階段,動載荷的循環(huán)次數(shù)為200萬次,試驗載荷的靜力部分不變,準靜態(tài)部分和動態(tài)部分為第一階段的1.2倍,沒有出現(xiàn)裂紋;在第三階段,動載荷的循環(huán)次數(shù)為200萬次,試驗載荷的靜力部分不變,準靜態(tài)部分和動態(tài)部分為第一階段的1.4倍。試驗結果符合UIC標準的要求。

4 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架的線路動應力測試

委托西南交通大學于2007年9月在上海軌道交通4號線418號列車的一個ZMA080型(SF2100改進型)動車轉(zhuǎn)向架上進行了動應力測試試驗。在構架上計算應力較大的部位,貼了39個單向應變片和11個三向應變片。

動應力測試參照TB/T 2368—2005《動力轉(zhuǎn)向架構架強度試驗方法》執(zhí)行。對應力較大、應力梯度也較大的動應力測點,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后給出關鍵危險測點的應變和應力譜,進行疲勞可靠性評估。

最大主應力測試結果:經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在所有測點中,應力較大的地方集中在齒輪箱支座處。從運營工況下測得的動應力結果來看,構架的最大主應力均未超過相應材料在運用工況下的許用應力標準。

疲勞強度評定結果:對各測點測試結果的二維應力譜統(tǒng)計結果進行分析,所有測點的測試應力值均在材料和焊縫的Goodman圖內(nèi),且有比較大的安全裕量,所有測點部位的疲勞壽命均是無限長。

最大主應力和應力幅值均較大的3個測點的結果如表2所示。

5 結語

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構架針對上海軌道交通1、2號線原SF2100型轉(zhuǎn)向架構架大批量長期運營過程中發(fā)生的裂紋部位進行了重點研究和改進設計,其可靠性已達到穩(wěn)定;采用了不需要整體退火的焊接工藝,嚴格按照國際標準,對構架進行了板材的疲勞強度試驗、耐低溫沖擊試驗、各種焊接接頭的焊接工藝試驗,并對整個構架進行了DIN6700的焊接工藝評定;對整個構架進行了靜強度計算、疲勞強度校核、疲勞強度試驗、線路動應力測試和評估。試驗結果均表明,該構架符合標準和技術規(guī)范的要求,滿足國內(nèi)地鐵A型車的運營需求。

表2 構架動應力測試中應力最大的測點試驗結果

[1]陳喜紅,王生華,陶功安,等.地鐵A型車輛ZM A080型轉(zhuǎn)向架的技術特征[J].城市軌道交通研究,2009(11):8.

[2]彭福盈.SP L2地鐵轉(zhuǎn)向架構架靜強度和疲勞強度計算報告[R].株機技轉(zhuǎn)(計)第200606號.株洲:南車株洲電力機車有限公司,2006.

[3]西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.上海明珠線地鐵車輛動應力測試報告[R].成都:西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,2007.

[4]陳喜紅.國內(nèi)外地鐵車輛技術的發(fā)展趨勢[J].電力機車技術,2002,25(6):1.

[5]胡哲夫,羅湘萍.A型地鐵車輛新型轉(zhuǎn)向架的研制[J].城市軌道交通研究,2009(3):34.

[6]嚴雋耄.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

Structural Characteristic and Test of Type ZMA080 Bogie Frame for Metro A-type Vehicle

Chen Xihong,Wang Shenghua,Luo Huajun,Tao Gong'an,Peng Fuying

This paperpresents the results of strength calculation,fatigue test and on-line dynamic stress test of ZMA080 bogie frame for metro A-type vehicle,in which the structural differences between the bogie frame of ZMA080 and SF2100 used in Shanghai Metro Line 1&Line 2 are analyzed.The calculation and test results show that ZMA080 bogie frame could meet the requirements of the related standards and the operation in A-type vehicle used in metro lines of China.

metro vehicle;bogie;bogie frame;test

U 270.331

2009-06-18)