付嘉慶，姜明昊，朱 戡，張 麗，劉東坡

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

0 引言

轉(zhuǎn)向架構架是列車的重要組成結(jié)構，是其他零部件安裝的基礎。它不僅需要強度滿足要求，而且尺寸、形狀和結(jié)構都應滿足各個零部件的組裝要求，保證各個部件在安裝過程中有足夠多的安裝空間[1]。構架設計的安全性、可靠性必須滿足要求，以確保列車在行駛過程中的安全性。市域快軌車輛動力轉(zhuǎn)向架構架用于城際市域動車組列車，該列車既要滿足在大鐵路線路上運行，又要滿足地鐵線路上運行，所以對市域快軌車輛動力轉(zhuǎn)向架構的設計也提出了較高的要求[2]。

1 構架的結(jié)構設計及其工藝

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

1.1 構架結(jié)構

構架側(cè)梁為箱型焊接結(jié)構，根據(jù)側(cè)梁各截面的應力情況在側(cè)梁內(nèi)部不同位置添加筋板，使側(cè)梁各個截面的應力更加良好，提高側(cè)梁的強度。該動力轉(zhuǎn)向架構架側(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)梁焊接更加簡單的同時能夠加強冒筒與側(cè)梁上下蓋板連接處的強度。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行過程中不會發(fā)生蛇行失穩(wěn)，降低列車車廂的側(cè)滾量，防止列車超出設定限界，提高列車動力學性能。

橫梁采用箱型焊接結(jié)構，為安放牽引梁和減輕整個構架的重量，橫梁為“口”型。橫梁上蓋板留有較大的空間，方便布置轉(zhuǎn)向架制動管路。橫梁上布有牽引電機上下支架、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度，保證橫梁達到設計要求。

1.2 構架結(jié)構的工藝性

構架橫側(cè)梁采用鋼板件組焊而成，采用板材壓形件以減少焊縫。在布置構架焊縫時，應注意的事項：①每條焊縫都應布置在便于焊接的位置；②焊縫之間應留有較大的間隙，防止熱影響區(qū)相互影響，使得構架發(fā)生較大變形，降低構架強度；③焊縫應盡量避開應力較大的地方；④多條焊縫應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力；⑥焊縫的布置應盡可能對稱于截面的重心。

側(cè)梁一系簧上方上蓋板加厚，因此在與中部上蓋板對接焊縫處設置斜坡，使得該處圓滑過渡，保證了合理的力流分布。對接處焊縫采用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的載荷，套筒與下蓋板雙面均進行焊接，使得該處焊縫可以成受較強的交變載荷。構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)構簡單，容易焊接。

構架是轉(zhuǎn)向架其他零部件安裝的基礎，在設計過程中需合理分布各個零部件的安裝位置，保證轉(zhuǎn)向架在運行過程中時，構架上各個部件之間以及部件與構架之間不會發(fā)生干涉，造成安全隱患。在滿足構架上焊縫具有可焊性的同時應該合理分布焊縫的位置，使得焊縫以較低的質(zhì)量等級就可以滿足所需的疲勞強度和安全性，進而降低生產(chǎn)成本。對構架關鍵焊縫進行無損檢測，來保證構架的質(zhì)量。

2 靜強度和疲勞強度分析

該構架計算載荷和強度評估方法依據(jù)“DVS1612”和“EN13749”標準，結(jié)構應力計算采用Hyperworks 軟件完成[3]。

2.1 有限元模型

取整個構架進行建模，轉(zhuǎn)向架構架有限元模型包含以下單元：①4 節(jié)點六面體；②10 節(jié)點四面體；③2節(jié)點梁；④2 節(jié)點套管元件；⑤2 節(jié)點1 維間隙；⑥2節(jié)點單元。構架有限元模型大約包含0.98M 個單元和1.6M 個節(jié)點。

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

構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）

構架強度計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計和疲勞等級》和EN 13749《鐵路應用一轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構要求的規(guī)定方法》。

2.2 構架強度計算及模態(tài)分析

2.2.1 超常載荷工況下構架計算結(jié)果及評定

在超常載荷工況下構架Von Mises 應力較大位置見表2。

表2 超常載荷工況下較大應力發(fā)生位置

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

圖2 超常載荷工況下構架Von Mises 應力最大處

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

2.2.2 運營載荷下構架計算結(jié)果及評定

（1）構架基材分析

在疲勞荷載下，根據(jù)DVS1612 進行基材安全系數(shù)的評估。運營載荷情況下轉(zhuǎn)向架構架基材安全系數(shù)較小的位置見表3。

表3 運營載荷情況下轉(zhuǎn)向架構架基材安全系數(shù)

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

圖3 運營載荷工況下構架基材安全系數(shù)最小處

（2）構架焊縫分析

在疲勞荷載下，根據(jù)DVS1612 進行焊縫安全系數(shù)的評估。運營載荷情況下轉(zhuǎn)向架構架焊縫安全系數(shù)較小的位置見表4。

表4 運營載荷情況下轉(zhuǎn)向架構架焊縫安全系數(shù)

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

運營載荷工況下構架焊縫安全系數(shù)最小處，構架最小安全系數(shù)為1.01，出現(xiàn)在制動吊座與側(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。構架基材和焊縫強度滿足標準要求。

3 構架試驗

為了進一步驗證構架的靜強度及疲勞強度，對構架按照UIC615-4-2003《動車轉(zhuǎn)向架—走行機構—轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構強度試驗》和BSEN13749-2011《鐵路設施-轉(zhuǎn)向架結(jié)構要求的規(guī)定》標準進行強度試驗，并通過標準規(guī)定的疲勞極限圖考核構架的疲勞壽命能否滿足使用要求[4-5]。同時按照UIC615-4-2003《動車轉(zhuǎn)向架—走行機構—轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構強度試驗》執(zhí)行1000 萬次疲勞試驗。

3.1 試驗加載設備、測試儀器和環(huán)境條件

試驗加載設備為MTS-16 疲勞試驗機，應變數(shù)據(jù)采集采用TDS-530 靜態(tài)應變儀。試驗場地附近無影響測試精度的強磁場、噪聲、振動干擾；試驗室溫度在15 ～25 ℃、空氣相對濕度不大于60%。所用載荷傳感器及測試設備均經(jīng)過有資質(zhì)單位的檢定校準，并在校準有效期內(nèi)。

3.2 實驗內(nèi)容

3.2.1 構架靜強度試驗

測試一個構架在靜態(tài)最大載荷下的應力，判斷其靜強度是否滿足要求；檢驗構架在最大載荷作用下是否產(chǎn)生永久變形（屈服）。

3.2.2 構架疲勞強度試驗

測試一個構架在各營運工況下載荷下的應力變化值，檢驗構架能否滿足1000 萬次疲勞壽命的設計要求。

3.3 應力測點分布

根據(jù)構架仿真計算結(jié)果，在應力較大和關鍵部位進行貼片。

3.4 試驗結(jié)果

根據(jù)UIC615-4 和EN13749 標準進行評估，靜態(tài)載荷下，最大應力值為338.7 MPa，所有測點都在靜強度許用應力范圍內(nèi)。

疲勞試驗結(jié)果表明：測試數(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；同時進行1000 萬次疲勞試驗，試驗結(jié)束后無裂紋產(chǎn)生。

圖5 UIC615-4 標準下構架各測試數(shù)據(jù)在疲勞極限圖的位置

4 結(jié)論

市域快軌車輛動力轉(zhuǎn)向架構架采用經(jīng)典的“H”焊接結(jié)構設計，通過焊縫合理的布局、先進的焊接技術和工藝以及焊后打磨等方法，使得構架具有焊后殘余應力分布均勻、變形量小和機加工之前不需要退火等特點。同時對構架進行仿真計算來分析構架的應力分布，并通過試驗機構的靜強度和疲勞強度試驗證明，該構架滿足市域快軌車輛對構架的要求。