李崇，梁樹林*,，陳曉燕，王巖，池茂儒，吳興文

A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

李崇1，梁樹林*,1，陳曉燕2，王巖2，池茂儒1，吳興文1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.北京地鐵車輛裝備有限公司，北京 100079）

日漸增多的客流量加大了運(yùn)營(yíng)公司的負(fù)擔(dān)，故基于模塊化生產(chǎn)的理念針對(duì)載客量大、速度快的特點(diǎn)進(jìn)行A型地鐵轉(zhuǎn)向架開發(fā)設(shè)計(jì)。首先介紹了最高速度為120 km/h的A型地鐵動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后根據(jù)構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)UIC 615-4及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)要求規(guī)范EN 13749，采用正向設(shè)計(jì)理念，先對(duì)構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，最后對(duì)構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，構(gòu)架強(qiáng)度仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

A型地鐵；轉(zhuǎn)向架；構(gòu)架；強(qiáng)度

隨著城市的發(fā)展，擁有快捷便利的地鐵成為了人們出行的重要交通工具，軸重大、速度高的A型地鐵車輛成為了市場(chǎng)和運(yùn)營(yíng)公司的需求目標(biāo)。由于線路條件不同，運(yùn)行的最高速度也不一樣，采用的制動(dòng)方式也可能有所不同，導(dǎo)致不同線路上的列車可能采用不同的構(gòu)架，加大了運(yùn)營(yíng)公司維修管理的難度，為了實(shí)現(xiàn)易生產(chǎn)、易維修、易管理的目標(biāo)，西南交通大學(xué)金學(xué)松團(tuán)隊(duì)和北京地鐵車輛裝備有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化[1]的理念，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種可以兼容踏面制動(dòng)和輪盤制動(dòng)的A型地鐵轉(zhuǎn)向架，在保證構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，可根據(jù)客戶需求更換制動(dòng)結(jié)構(gòu)，滿足最高速度120 km/h的夾鉗制動(dòng)或最高速度80 km/h的踏面制動(dòng)的目標(biāo)。

轉(zhuǎn)向架是軌道交通車輛正常行駛的基石，構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架重要的承載部件[2]，它不僅起到支撐車體，使其在軌道上安全運(yùn)行的作用，而且還是轉(zhuǎn)向架各零部件的安裝載體，在運(yùn)行過程中承受并傳遞各方向的交變載荷[3]，因此它的設(shè)計(jì)合理性和可靠性就顯得尤為重要，直接關(guān)乎著地鐵的運(yùn)行安全。本文以最高速度為120 km/h的A型地鐵動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例，介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于構(gòu)架設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)EN 13749-2011和構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)UIC 615-4-2003，采用正向設(shè)計(jì)理念，首先設(shè)計(jì)出三維模型，并利用仿真進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出薄弱位置并優(yōu)化，最后通過強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)出來的構(gòu)架進(jìn)行校核驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

構(gòu)架采用整體焊接方式，由兩根側(cè)梁和兩根橫梁鋼管焊接而成，三維模型如圖1所示。該構(gòu)架不僅有一系、二系懸掛部件的安裝接口，還有傳動(dòng)系統(tǒng)部件的接口，而且總結(jié)以往橫梁開裂的經(jīng)驗(yàn)，加大了橫梁鋼管的直徑，降低橫梁疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)；側(cè)梁作為空簧的附加氣室，采用箱體結(jié)構(gòu)；具有兩個(gè)橫向止擋接口，有效保證二系回轉(zhuǎn)阻尼的平衡；具有制動(dòng)單元的安裝接口，有效保證行車制動(dòng)的安全性。

構(gòu)架作為承載結(jié)構(gòu)，主體采用高強(qiáng)度合金板材S355J2W+N，各安裝座由于吊掛零部件，采用鍛件材料Q345D，結(jié)合車輛性能和工藝加工最終確定側(cè)梁上蓋板厚度為14 mm，下蓋板厚度12 mm，立板厚度10 mm，橫梁無縫鋼管壁厚20.5 mm，其材料特性如表1所示。

圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)圖

2 構(gòu)架強(qiáng)度仿真分析

2.1 載荷工況

本文根據(jù)軌道車輛構(gòu)架常用標(biāo)準(zhǔn)UIC 615-4和EN 13749，結(jié)合運(yùn)營(yíng)公司的建議，對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了超常載荷和運(yùn)營(yíng)載荷進(jìn)計(jì)算，評(píng)估構(gòu)架的靜強(qiáng)度采用超常載荷，評(píng)估構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度采用運(yùn)營(yíng)載荷[4-5]，如表2、表3所示。

2.2 建立有限元離散模型

對(duì)三維幾何構(gòu)架模型采用HYPERMESH 12.0進(jìn)行網(wǎng)格離散，如圖2所示，為模擬構(gòu)架在一系鋼彈簧上的實(shí)際支撐情況，在構(gòu)架與鋼彈簧的接口處，采用一維彈簧單元分別離散出垂向、橫向和縱向的網(wǎng)格單元。采用彈性的邊界約束條件，其中在構(gòu)架側(cè)梁的一系簧座上施加縱向、橫向和垂向彈性邊界，在轉(zhuǎn)臂定位座處施加縱向和橫向定位約束；根據(jù)載荷的實(shí)際作用位置對(duì)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行載荷加載，構(gòu)架有限元邊界條件如圖3所示。最后采用ANSYS 15.0進(jìn)行強(qiáng)度工況計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果并評(píng)估。

表1 構(gòu)架的材料特性

表2 模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況

注：F為垂向載荷；F為橫向載荷；F為縱向載荷；＝0.1，考慮車輛側(cè)滾影響；＝0.2，考慮車輛沉浮影響；h為斜對(duì)稱載荷；F為抗側(cè)滾載荷；F為小曲線載荷；F、F分別為電機(jī)、齒輪箱懸掛點(diǎn)載荷；F、F分別未電機(jī)、齒輪箱懸掛點(diǎn)靜載荷；F、F分別為電機(jī)懸掛點(diǎn)不同受力方向的動(dòng)載荷；F、F分別為齒輪箱懸掛點(diǎn)不同受力方向的動(dòng)載荷。

表3 超常載荷工況

注：10為斜對(duì)稱載荷；FmaxFmaxFmax分別為垂向、橫向、縱向的最大載荷；3gcj為縱向3沖擊載荷。

圖2 構(gòu)架整體有限元模型

圖3 構(gòu)架約束及主要載荷示意圖

2.3 構(gòu)架強(qiáng)度分析結(jié)果

2.3.1 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)構(gòu)架材料的成分組成可獲得屈服強(qiáng)度為355 MPa，根據(jù)UIC 615-4標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于超常載荷工況14～20，構(gòu)架的最大等效應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度值，計(jì)算結(jié)果如表4所示，可知，各個(gè)工況的安全系數(shù)均大于1，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。其中最大等效應(yīng)力在工況14，值為325.80 MPa，位于側(cè)梁下蓋板與轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)座連接處。圖4是工況14構(gòu)架Von Mises等效應(yīng)力云圖。

表4 超常工況計(jì)算結(jié)果

圖4 工況14構(gòu)架Von Mises 等效應(yīng)力云圖

2.3.2 疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

（1）評(píng)定方法

由于構(gòu)架主體板材S355J2W+N的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，故借鑒德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17100的規(guī)定，鑒于鋼材料S355J2W+N與S355強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)，因此根據(jù)S355鋼的Moore-Kommer- Japer形式疲勞曲線對(duì)構(gòu)架母材及焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)[6]。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)采用DVS 1612的規(guī)定[7-8]，將焊縫接頭處應(yīng)力分為垂直于焊縫的正應(yīng)力σ、平行于焊縫的正應(yīng)力σ及平行于焊縫的切應(yīng)力τ，不同形式應(yīng)力對(duì)應(yīng)高低不同的容許曲線，對(duì)于母材疲勞，同樣的不同形式應(yīng)力對(duì)應(yīng)高低不同的容許曲線。

在進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)，選取構(gòu)架主體中應(yīng)力較大各點(diǎn)，建立各點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，將全局坐標(biāo)系應(yīng)力轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系，針對(duì)計(jì)算工況1～13，在影響疲勞壽命的各方向上計(jì)算出該方向各點(diǎn)最大應(yīng)力值max及最小應(yīng)力值min，進(jìn)而根據(jù)＝min/max計(jì)算出應(yīng)力比，通過Moore-Kommer-Japer形式的疲勞曲線對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行判定并計(jì)算出應(yīng)力較大點(diǎn)各應(yīng)力方向材料利用度，并求出各點(diǎn)的綜合材料利用。

（2）分析結(jié)果

本文采用Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖，將獲得的構(gòu)架薄弱位置應(yīng)力較大點(diǎn)的應(yīng)力比及最大應(yīng)力值放入圖中進(jìn)行比較，各節(jié)點(diǎn)影響疲勞破壞方向的材料利用度均小于1，綜合材料利用度小于1，滿足母材疲勞強(qiáng)度要求，構(gòu)架母材疲勞評(píng)估結(jié)果如圖5所示，其中母材材料利用度最大值為0.98，位置在上蓋板內(nèi)側(cè)過渡處。表5是母材部分節(jié)點(diǎn)的單向材料利用度和多軸材料利用度。

對(duì)于構(gòu)架各梁焊縫的疲勞評(píng)估，結(jié)果表明所有焊縫影響疲勞破壞的三方向材料利用度均小于1，綜合材料利用度均小于1，滿足焊縫疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。其中角焊縫多軸材料利用度最大值為0.79，對(duì)接焊縫多軸材料利用度最大值為0.34。角焊縫疲勞評(píng)估結(jié)果如圖6所示，角焊縫部分節(jié)點(diǎn)的疲勞數(shù)據(jù)及安全系數(shù)如表6所示。

表5 構(gòu)架母材部分節(jié)點(diǎn)三方向及綜合材料利用度

表6 構(gòu)架角焊縫部分節(jié)點(diǎn)三方向及綜合材料利用度

圖6 角焊縫三向應(yīng)力及材料利用度評(píng)定

3 構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)

該構(gòu)架生產(chǎn)制造后，在西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)，根據(jù)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，對(duì)構(gòu)架薄弱位置布置測(cè)試設(shè)備，共95個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中87個(gè)單向應(yīng)變片、8個(gè)三向應(yīng)變花，部分應(yīng)變片位置如圖7所示。

3.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在超常工況下的最大主應(yīng)力均不超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力如圖8所示，三向應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力如圖9所示。

圖7 部分應(yīng)變片位置

圖8 單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力

圖9 三向應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力

3.2 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

靜強(qiáng)度試驗(yàn)后對(duì)構(gòu)架進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，累計(jì)1000萬次后，經(jīng)磁粉探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，滿足疲勞試驗(yàn)要求。圖10是各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)在GOODMAN圖[9]中的疲勞評(píng)定結(jié)果。

4 結(jié)論

本文參照構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)UIC 615-4及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架要求規(guī)范EN 13749，采用正向設(shè)計(jì)理念，先后進(jìn)行構(gòu)架強(qiáng)度仿真計(jì)算分析和靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）對(duì)構(gòu)架進(jìn)行仿真分析，在超常工況下，構(gòu)架靜強(qiáng)度不超過材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求；在模擬運(yùn)營(yíng)工況下，構(gòu)架疲勞強(qiáng)度不超過材料的疲勞極限，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

（2）進(jìn)行構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)，在超常工況下，各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力均不超過材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度試驗(yàn)要求；在模擬運(yùn)營(yíng)工況下，構(gòu)架進(jìn)行1000萬次疲勞試驗(yàn)，各階段試驗(yàn)完成后均對(duì)構(gòu)架進(jìn)行磁粉探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，滿足疲勞試驗(yàn)要求。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也充分驗(yàn)證了仿真的正確性與可靠性。

圖10 Goodman疲勞極限評(píng)定曲線圖

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Simulation Analysis and Test Verification of Strength of Type A Subway Bogie Frame

LI Chong1，LIANG Shulin1，CHEN Xiaoyan2，WANG Yan2，CHI Maoru1，WU Xingwen1

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co., Ltd., Beijing 100079, China )

The increasing passenger flow has increased the burden of the operating company. Therefore, based on the concept of modular production, the development and design of type A subway bogie is carried out according to the characteristics of large passenger load and fast speed. Based on the design of the bogie as the research object, this paper first introduces the maximum speed of 120 km/h of the structure characteristics of type A metro train bogie frame, then according to the structure strength test standard UIC615-4 and EN - 13749 truck frame design requirement specification, using top-down design ideas, to frame for the calculation of the static strength and fatigue strength analysis, the static strength and fatigue test was carried out on the frame. The results show that both the simulation analysis and the test results meet the requirements.

type A subway；bogie；frame；strength

U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.006

1006－0316 (2020) 11－0036－07

2020－05－27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFE0201401-01）；中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（P2019J002）

李崇（1995－），男，河南長(zhǎng)垣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架振動(dòng)疲勞。*通訊作者：梁樹林（1967－），男，山西盂縣人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v工程結(jié)構(gòu)可靠性及動(dòng)力學(xué)、車輛系統(tǒng)故障診斷及智能運(yùn)維，E-mail：a_slliang@163.com。