（長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130062）

1 德黑蘭地鐵轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)概況

2007年7月17日伊朗合資企業(yè)TWM公司和北方公司正式簽署了455輛地鐵整車合同。根據(jù)合同要求，研發(fā)了該轉(zhuǎn)向架，并完成了轉(zhuǎn)向架零部件的結(jié)構(gòu)設計、優(yōu)化及施工設計。該轉(zhuǎn)向架采用模塊化設計理念，是一種新型轉(zhuǎn)向架，也是最早開始研制并出口伊朗德黑蘭的軸盤制動轉(zhuǎn)向架。

德黑蘭地鐵轉(zhuǎn)向架的最大運營速度80 km/h。轉(zhuǎn)向架主要組成部分有構(gòu)架、輪對軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、基礎制動裝置、驅(qū)動裝置和天線梁等。德黑蘭地鐵轉(zhuǎn)向架采用軸裝式盤型制動、圓錐疊層橡膠彈簧定位、緊湊式結(jié)構(gòu)設計的驅(qū)動裝置。轉(zhuǎn)向架分為兩種結(jié)構(gòu)相似的動車轉(zhuǎn)向架（見圖1）和拖車轉(zhuǎn)向架（見圖 2）。

圖1動車轉(zhuǎn)向架

圖2拖車轉(zhuǎn)向架

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由側(cè)梁、橫梁、端梁以及各種吊座組成。側(cè)梁采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，橫梁、端梁采用無縫鋼管結(jié)構(gòu)。動車構(gòu)架和拖車構(gòu)架都屬于H型構(gòu)架，其主體結(jié)構(gòu)完全相同，如側(cè)梁和橫梁無縫鋼管的尺寸是相同的，主要區(qū)別是根據(jù)各自所安裝的設備的不同而有所差別，如動車構(gòu)架設有電機、齒輪箱吊座。動車構(gòu)架和拖車構(gòu)架組成見圖示。

構(gòu)架側(cè)梁由上蓋板、下蓋板和立板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要焊接了空氣彈簧座板、一系簧座等?？諝鈴椈勺迕嫦陆盗?5mm，使轉(zhuǎn)向架具有更強的適應性。橫梁主要由無縫鋼管、縱向梁、牽引拉桿座等零部件組成，動車構(gòu)架上的電機、齒輪箱吊座都采用了新型結(jié)構(gòu)。

新型結(jié)構(gòu)增加了焊接型構(gòu)架端梁，提高了構(gòu)架的整體剛度，將一階點頭頻率由35 Hz提升到44.8 Hz.構(gòu)架的強度設計和試驗參照JISE 4207-2004鐵路車輛轉(zhuǎn)向架設計方法、JISE 4208-2004鐵路車輛轉(zhuǎn)向架載荷試驗方法、UIC515-41987鐵路客車非動力轉(zhuǎn)向架滾動軸承構(gòu)架強度試驗規(guī)范、UIC615-41994鐵路客車動力轉(zhuǎn)向架滾動軸承構(gòu)架強度試驗規(guī)范。同時參照BS7608標準對焊縫強度進行評估。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1主要技術(shù)參數(shù)

1.3 與國內(nèi)外同類技術(shù)綜合比較

運行速度達到80 km/h，德黑蘭地鐵轉(zhuǎn)向架在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。與目前國內(nèi)的同類產(chǎn)品比較，本次設計中焊接結(jié)構(gòu)按照EN15085標準執(zhí)行，提高了結(jié)構(gòu)強度。增加了停放制動和防滑器，為車輛的安全使用提供了更高的可靠性。采用新型空氣彈簧，提高了車輛的舒適性。

與國外產(chǎn)品相比較，本次設計的根據(jù)是原有伊朗地鐵轉(zhuǎn)向架平臺及國內(nèi)B型地鐵轉(zhuǎn)向架平臺的優(yōu)化，新型轉(zhuǎn)向架性能優(yōu)越,非常適合時速100 km以下軌道車輛的運用，對國內(nèi)城鐵盤型制動轉(zhuǎn)向架新產(chǎn)品的研制起到了積極的作用，具有較強的市場競爭力。

2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強度對比分析

2.1 動車構(gòu)架

根據(jù)對伊朗地鐵車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在線路上進行動應力測試的結(jié)果，拖車構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足安全運用450萬公里要求，動車構(gòu)架的側(cè)梁下蓋板與端梁連接部（M6）、天線座與端梁連接部（M5，M13）、制動吊座與端梁連接部（M14）不能滿足安全運行450萬km要求，動車構(gòu)架其余部位可滿足要求。貼片位置情況見圖3動車構(gòu)架仰視圖。

圖3動車構(gòu)架仰視圖⑴

2.2 載荷工況⑵

利用FEA模擬仿真進行計算，使用ANSYS軟件，根據(jù)JISE 4207標準，經(jīng)初步計算發(fā)現(xiàn)端梁結(jié)構(gòu)確實存在應力集中點和高應力區(qū)，各個位置的計算載荷大致如下：

（1）垂向載荷

空簧座處的垂向靜載荷=（空車重量+最大載重-2×簧下質(zhì)量）g/4

經(jīng)計算每空氣彈簧座上的垂向載荷為115.15 kN。

（2）制動載荷

由制動產(chǎn)生的切向摩擦力f=FN×0.3

F為常用制動閘片夾緊力，每個制動盤的夾緊力為24kN；

經(jīng)過計算，制動載荷為14.4 kN。

（3）制動缸慣性載荷=制動缸質(zhì)量×a

制動缸質(zhì)量為74 kg，垂向加速度10g，橫向加速度5g，縱向加速度5g.

所以制動缸的慣性載荷分別是：

垂向慣性載荷（垂向向下）為：74×10g=7.25 kN

橫向慣性載荷（坐標軸正向）為：74×5g=3.63 kN

縱向慣性載荷（坐標軸正向）為：4×5g=3.63 kN

（4）構(gòu)架自身的慣性載荷 =構(gòu)架質(zhì)量 ×5g(垂向向下)。

（5）天線部件慣性載荷=天線部件質(zhì)量×a

天線部件質(zhì)量7.5 kg，則

垂向慣性載荷（向下）為：7.5×20g=1.47 kN，

橫向慣性載荷（坐標軸正向）為：7.5×10g=0.74 kN，

縱向慣性載荷（坐標軸正向）為：7.5×10 g=0.74 kN。

（6）扭轉(zhuǎn)載荷

在轉(zhuǎn)向架對角車輪位置施加固定位移來模擬扭轉(zhuǎn)載荷。

斜對稱載荷=軸距×5‰=11 mm

因此在對角車輪位置施加11 mm的垂向位移或相應載荷。

（7）縱向載荷=空簧座處靜載荷 ×0.3

（8）電機載荷

電機垂向動載荷=（牽引電機質(zhì)量＋聯(lián)軸器質(zhì)量）×（1± 5）g

電機橫向動載荷=（牽引電機質(zhì)量＋聯(lián)軸器質(zhì)量）×4g

電機縱向動載荷=（牽引電機質(zhì)量＋聯(lián)軸器質(zhì)量）×3g

（9）齒輪箱吊座載荷（驅(qū)動載荷）

驅(qū)動裝置垂向慣性載荷=驅(qū)動裝置重量×1/3×10g

牽引力矩載荷 ＝電機牽引力矩×（1＋ρ）/l

其中，ρ為傳動比，l為齒輪箱吊桿中心距車軸中心線的正交距離的正交距離。

2.3 評估標準[3]

根據(jù)日本JISE4-207標準和做動應力測試時采用的疲勞極限值，要求母材結(jié)構(gòu)的疲勞應力小于150 MPa，焊縫區(qū)的疲勞應力值應小于70 MPa.

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對比分析

針對端梁結(jié)構(gòu)的薄弱部位和大應力區(qū)，進行了多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進，制作了幾種優(yōu)化方案，經(jīng)過強度計算分析，優(yōu)化后的端梁結(jié)構(gòu)應力值都有了明顯的降低，大部分方案中最大應力值能降低在許用應力附近，從中我們選取了最優(yōu)方案，其計算應力均在許用應力以下，能夠滿足強度計算條件。構(gòu)架原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的M6、M13應力云圖分別見圖4至圖7。

圖4原結(jié)構(gòu)M 6應力云圖[2]

圖5原結(jié)構(gòu)M 13應力云圖[2]

圖6優(yōu)化結(jié)構(gòu)M 6應力云圖[2]

圖7優(yōu)化結(jié)構(gòu)M13應力云圖[2]

強度計算分析對比見表2.

表2強度計算分析對比[2]

3 分析結(jié)論

（1）原結(jié)構(gòu)下，天線支架后蓋板與圓管焊縫接頭（靠近制動吊座端）應力值達到70.247 MPa，超過了疲勞極限69 MPa，端梁上其他各應力集中點等效應力值也基本都在60 MPa以上，接近許用強度極限，安全裕量較小。

（2）經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進之后，最大等效應力值為61.649 MPa（發(fā)生在制動吊座與端梁圓管連接焊縫），次大應力值為53.245 MPa（發(fā)生在側(cè)梁蓋板與端梁圓管焊縫接頭)，其他部位均在50 MPa以下，改進效果明顯，結(jié)構(gòu)安全裕量較大。

4 結(jié)束語

對優(yōu)化后的伊朗德黑蘭地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行靜強度、疲勞強度和模態(tài)分析計算。計算載荷和強度評估方法依據(jù)“EN13749”“UIC615-4”和“JISE4207”標準進行確定，結(jié)構(gòu)應力計算采用hypermesh8.0和ANSYS11.0軟件完成。結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度和疲勞強度均滿足要求，且構(gòu)架的第一階固有頻率為40.457 Hz，振型為兩側(cè)梁反向點頭。

[1]王斌杰.伊朗455輛盤形制動轉(zhuǎn)向架動應力測試報告[R].北京:交通大學結(jié)構(gòu)強度檢測實驗室2011.

[2]吉 林，賈 昭.伊朗455盤型制動轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度、疲勞強度和模態(tài)分析報告[R].吉林：轉(zhuǎn)向架開發(fā)部，2011.

[3]陳秉智.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度和疲勞強度分析[R].大連:大連交通大學機械工程研究所，2011.