吳凱樺 詹慶濤

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

基于振動(dòng)場的轉(zhuǎn)向架懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

吳凱樺 詹慶濤

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生）

以振動(dòng)場下轉(zhuǎn)向架懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，分析了靜強(qiáng)度方法的不足?；谵D(zhuǎn)向架端部懸掛件真實(shí)受力情況，提出了一種更符合實(shí)際的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，并以轉(zhuǎn)向架端部懸掛支座為實(shí)例，具體闡述轉(zhuǎn)向架懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)新方法。實(shí)例分析表明，采用動(dòng)強(qiáng)度方法所得應(yīng)力超出靜強(qiáng)度方法67.6%，更符合懸掛件的真實(shí)應(yīng)力情況。

地鐵車輛；轉(zhuǎn)向架懸掛件；強(qiáng)度設(shè)計(jì)

列車運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架懸掛件受到結(jié)構(gòu)自身的靜態(tài)重力和轉(zhuǎn)向架較大的動(dòng)態(tài)沖擊載荷的共同作用，當(dāng)懸掛件受到載荷作用而產(chǎn)生裂紋甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂失效時(shí)，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，研究轉(zhuǎn)向架懸掛件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)于懸掛件使用持久性和行車安全性具有重大意義。

1　基于振動(dòng)場受力分析

為了更好地從原理上分析傳統(tǒng)的懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，闡述轉(zhuǎn)向架懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)新方法，本文以簡支梁為例，對(duì)其處于振動(dòng)場中的情況進(jìn)行受力分析。

設(shè)有一自重為M、跨度為L的簡支梁（見圖1），1/2梁處懸掛—質(zhì)量為m的重物。該模型處于加速度為a的振動(dòng)場中。靜強(qiáng)度方法忽略梁的自重，將載荷簡化為F=m（a+g）的集中力作用在1/2梁處（見圖2）。但當(dāng)該結(jié)構(gòu)位于振動(dòng)場中時(shí)，梁自身具有內(nèi)部慣性力。該慣性力可簡化為q=Ma/ L的均布載荷（見圖3）。靜強(qiáng)度方法所得應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力結(jié)果如表1所示。

圖1　簡支梁模型

圖2　靜強(qiáng)度方法-原理圖

圖3　梁自重所具慣性力簡化模型

傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度法將結(jié)構(gòu)受到的荷載轉(zhuǎn)化為靜載荷，以靜載荷作用下懸掛件的應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)。這種基于靜力學(xué)的設(shè)計(jì)方法在荷載不大、結(jié)構(gòu)所處振動(dòng)場的加速度不大的情況下基本合理。隨著列車運(yùn)行速度不斷提高，振動(dòng)場加速度不斷增大，無法忽略結(jié)構(gòu)件本身具有的慣性力，采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求和疲勞要求的錯(cuò)誤結(jié)果，造成該結(jié)構(gòu)投入使用一段時(shí)間后出現(xiàn)開裂等強(qiáng)度不足現(xiàn)象，降低了其可靠性。故本文提出新的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法：動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。

表1　靜強(qiáng)度法所得應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力的比較

2　動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思路

轉(zhuǎn)向架懸掛件強(qiáng)度設(shè)計(jì)新方法首先考慮列車運(yùn)行過程中受到的激勵(lì)頻率，避免有害的共振；其次對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，確保其小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力。

實(shí)際運(yùn)用中，動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法采用瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析（Transit）。其主要涵蓋以下要素：

（1）建立結(jié)構(gòu)有限元模型：根據(jù)所需分析的轉(zhuǎn)向架懸掛件結(jié)構(gòu)構(gòu)型，建立有限元模型，賦予其材料、屬性。

（2）模態(tài)分析：若懸掛件結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)處于激勵(lì)的頻率范圍之內(nèi)，需改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，防止懸掛件共振。

（3）動(dòng)力響應(yīng)分析：分析懸掛件在振動(dòng)場中的響應(yīng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3　工程實(shí)例分析

轉(zhuǎn)向架作為車輛走行部的主要部件，往往設(shè)置有不同的懸掛件。以安裝于司機(jī)室端轉(zhuǎn)向架端部的列車自動(dòng)控制（ATC）天線支座為例，說明動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)法，并與靜強(qiáng)度法進(jìn)行對(duì)比。

簡化的ATC系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)主要由水平橫梁管、安裝座、ATC信號(hào)收集裝置等組成。水平橫梁管和安裝座間用橡膠件連接，防止水平橫梁管因構(gòu)架變形產(chǎn)生的應(yīng)力。ATC結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

（1）動(dòng)力響應(yīng)分析：約束后的模型受到加速度為a、頻率為f的振動(dòng)激勵(lì)。采用ANSYS解算器得到ATC信號(hào)收集裝置端的加速度響應(yīng)（見圖5）和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)（見圖6）。對(duì)水平橫梁管中間處應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)響應(yīng)分析，結(jié)果為32.4 MPa。

圖4　ATC結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5　加速度響應(yīng)圖

圖6　動(dòng)強(qiáng)度法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

（2）靜強(qiáng)度方法：相同的有限元模型和相同的沖擊加速度下，采用靜強(qiáng)度方法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖如圖7所示，水平橫梁管中間處應(yīng)力為10.5 MPa。

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度法，水平橫梁管中間處應(yīng)力為10.5 MPa；根據(jù)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法可得ATC支座應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，水平橫梁管中間處的應(yīng)力為32.4 MPa。采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)新方法所得的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較傳統(tǒng)方法超出67.6%。傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法忽視了結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)作用力下產(chǎn)生的應(yīng)力效果，給產(chǎn)品的投入使用埋下了巨大的安全隱患。

圖7　靜強(qiáng)度法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

4　結(jié)語

采用傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法所得的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架懸掛件結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力，由此會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求和疲勞要求的錯(cuò)誤結(jié)果，造成該結(jié)構(gòu)投入使用一段時(shí)間后出現(xiàn)開裂等強(qiáng)度不足現(xiàn)象，降低了其可靠性。動(dòng)強(qiáng)度方法考慮了結(jié)構(gòu)處于振動(dòng)場中所受的慣性力，更符合應(yīng)力分布的真實(shí)情況。基于此方法的懸掛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將更加可靠，且能在一定程度上保障轉(zhuǎn)向架懸掛件的使用持久性和安全性，具有極大的推廣意義。

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Strength Design for Bogie Suspension Parts Base on the Vibration Field

Wu Kaihua，Zhan Qingtao

Aiming at the strength design for bogie suspension parts based on the vibration field，shortcomings of the static strength method are analyzed.According to the real stress status of bogie suspension parts，a more realistic strength design method is proposed.With example of ATC（automatic train control）support suspending at the end of bogie，the new strength design method is concretely expounded.The result analysis indicates that the stress obtained by dynamic method is 67.6 percent higher than the static stress obtained by the traditional method，which is more conform to the reality.

metro train；bogie suspension parts；strength design Author's address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

U 270.331+.7

10.16037/j.1007-869x.2015.07.035

2013-12-21）