基于廣義模塊化的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架可重構(gòu)設(shè)計方法

胡光忠，肖守訥，柳忠彬,

HU Guang-zhong1,XIAO Shou-ne2,LIU Zhong-bin1,2

（1. 四川理工學(xué)院，自貢 643000；2. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

0 引言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架中的最重要部件之一，把轉(zhuǎn)向架各部件聯(lián)接成為一個整體的承載部件，起著支撐、定位與承載的作用。構(gòu)架功能和結(jié)構(gòu)都具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，一直是轉(zhuǎn)向架設(shè)計開發(fā)的重點[1～5]，但是現(xiàn)有研究主要是針對構(gòu)架的強度和可靠性進(jìn)行材料、載荷測試和仿真優(yōu)化，很少有構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。這主要是構(gòu)架結(jié)構(gòu)受各種零部件安裝位置的限制，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式。

傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計的模塊是基于系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思想的，其模塊功能和結(jié)構(gòu)實體都具有獨立性，模塊間的接口具有固定的形式。對于一些復(fù)雜機械零部件，如機車車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，不同性能的轉(zhuǎn)向架，其構(gòu)架變化不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的尺度上，其幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，用傳統(tǒng)的以固定的尺寸系列的模塊化或者參數(shù)化很難描述出產(chǎn)品的系列變化，可重構(gòu)設(shè)計是一種有效解決設(shè)計重用和創(chuàng)新問題的方法[6,7]。由于構(gòu)架的復(fù)雜性，如果作為一個整體結(jié)構(gòu)，其可重構(gòu)度較低，如果將各種“子結(jié)構(gòu)”獨立出來，其可重構(gòu)性將發(fā)生顯著變化。通過分析構(gòu)架的“子結(jié)構(gòu)”也發(fā)現(xiàn)其具有相對獨立的功能和結(jié)構(gòu)，因此本文提出基于廣義模塊化的構(gòu)架可重構(gòu)設(shè)計方法。

1 廣義模塊化設(shè)計

1.1 廣義模塊的定義

較早提出和應(yīng)用廣義模塊化設(shè)計的原理和方法是在液壓機個性化的設(shè)計中[8]，隨后文獻(xiàn)[9,10]系統(tǒng)地闡述了廣義模塊化設(shè)計原理及方法。本文針對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的特征，進(jìn)一步豐富廣義模塊化設(shè)計的內(nèi)涵及應(yīng)用。

廣義模塊：廣義模塊是具有既定功能、參數(shù)化結(jié)構(gòu)和接口的結(jié)構(gòu)實體模塊。廣義模塊可以描述為功能、幾何結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷、約束、材料和制造工藝等工程參量的函數(shù)：

式中：Fr—廣義模塊的功能集；

G—幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與功能相對應(yīng)，是廣義模塊功能的承擔(dān)者，采用參數(shù)化的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模；

P—幾何模型的設(shè)計參數(shù)，即設(shè)計驅(qū)動變量；

R—模塊的約束條件；

L—模塊的載荷參數(shù)；

Pr—制造工藝方法，不同的制造工藝決定了模塊的性能特征以及接口的連接形式等。

1.2 廣義模塊的分類

與傳統(tǒng)的參數(shù)化模塊化相比，廣義模塊化具有以下兩點顯著特征：1）用參數(shù)化廣義模塊取代剛性模塊；2）用參數(shù)化廣義接口取代剛性接口。其分為參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊：

參數(shù)化模塊：即傳統(tǒng)的模塊，以一組尺寸參數(shù)驅(qū)動的模塊結(jié)構(gòu)稱之為參數(shù)化模塊。尺寸參數(shù)不能改變模塊的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，只是結(jié)構(gòu)的放大與縮小，全部參數(shù)確定后成為固定模塊。

柔性模塊：模塊參數(shù)的改變將影響模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊，稱為柔性模塊，其相應(yīng)的接口也是參數(shù)化的，稱為柔性接口。將影響模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)稱為柔性參數(shù)，柔性參數(shù)的取值受一定尺寸范圍的約束，也不能超出模塊規(guī)格的應(yīng)用范圍。柔性參數(shù)一經(jīng)確定就變成參數(shù)化。

如圖1所示某構(gòu)架邊梁（1/2模型），其參數(shù)主要有邊梁上蓋板的寬度、側(cè)板幾何參數(shù)等，其中加強筋板的數(shù)量N為柔性參數(shù)。當(dāng)參數(shù)取不同值時，變形成不同類的邊梁。

圖1 柔性模塊示意圖

虛擬模塊：在某些結(jié)構(gòu)實體零件中，存在一類模塊其實體結(jié)構(gòu)上不能再分，但幾何實體在結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)等方面相對固定，且具有特定子功能，因此可進(jìn)一步細(xì)分為不同的模塊特征，稱作虛擬模塊。虛擬模塊之間接口連接需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)布爾運算，稱為虛擬接口。

如圖2所示，構(gòu)架的各種安裝座，如牽引座、電機懸掛座等，是通過焊接工藝焊接的；有些本身是一個整體，如一系懸掛安裝座從制造的角度不能再分，但是可以在CAD意義上進(jìn)行劃分。把上述模塊劃分為虛擬模塊。

圖2 虛擬模塊示意圖

1.3 產(chǎn)品廣義模塊劃分

產(chǎn)品廣義模塊化設(shè)計以廣義模塊為設(shè)計單元，廣義模塊除具備傳統(tǒng)模塊的特征外，增加了新的特點：1）廣義模塊的獨立性主要體現(xiàn)為功能獨立性，結(jié)構(gòu)不一定獨立。由于引入了虛擬柔性模塊的概念，廣義模塊的劃分可在結(jié)構(gòu)實體域內(nèi)進(jìn)行；2）廣義模塊的結(jié)構(gòu)模型是具有不完全幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。根據(jù)設(shè)計要求，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)定制可生成具體結(jié)構(gòu)，稱為模塊實例，模塊實例等同于剛性模塊。根據(jù)式（1），結(jié)合傳統(tǒng)模塊化設(shè)計思想，采用分層建立產(chǎn)品的模塊結(jié)構(gòu)體系，如圖3所示。

按照上述結(jié)構(gòu)，廣義模塊化產(chǎn)品一般包含剛性模塊、參數(shù)化模塊和廣義模塊，剛性模塊可以進(jìn)一步劃分為若干剛性模塊；參數(shù)化模塊可以進(jìn)一步劃分為剛性模塊或參數(shù)模塊；廣義模塊中包含剛性模塊、參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊，其中柔性模塊可以進(jìn)一步劃分為柔性模塊和虛擬模塊。

圖3 廣義模塊化產(chǎn)品的模塊層次結(jié)構(gòu)圖

圖4 廣義模塊產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計

2 廣義模塊化產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計

由包含廣義模塊組成的產(chǎn)品，稱為廣義產(chǎn)品。廣義模塊化產(chǎn)品設(shè)計指由廣義模塊參數(shù)驅(qū)動生成系列產(chǎn)品的設(shè)計。廣義產(chǎn)品庫是由一組廣義產(chǎn)品的集合組成，當(dāng)賦予其參數(shù)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體值時，就唯一確定一個產(chǎn)品對象。如圖4所示，由若干個廣義模塊組合為廣義產(chǎn)品就是產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計。在廣義產(chǎn)品重構(gòu)時，根據(jù)用戶需求只需要對部分廣義模塊進(jìn)行實例化，其他模塊可保持不變。實例化工程包括廣義模塊組合和優(yōu)化仿真過程，所以，廣義模塊產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計便于產(chǎn)品設(shè)計的重用和創(chuàng)新設(shè)計。廣義模塊化產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計具體過程如下：

由廣義產(chǎn)品模塊集組成產(chǎn)品矩陣：

在機車車輛設(shè)計中，運行速度是決定轉(zhuǎn)向架及其構(gòu)架的主要參數(shù)，作為主參數(shù)，從低到高排成一列，相同速度等級的不同結(jié)構(gòu)（軸重等）作為橫向系列，可以構(gòu)成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品集。

設(shè)上述產(chǎn)品集可以由一組廣義產(chǎn)品模塊生成：

把第一列可以定義為基型產(chǎn)品，相應(yīng)的每一行為變形產(chǎn)品。

產(chǎn)品功能需求集：

根據(jù)式（5），經(jīng)過模塊優(yōu)選和仿真，便可以求解出模塊的實例化參數(shù)，得到用戶需求產(chǎn)品。

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計功能模塊

圖5 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架功能

3.1 構(gòu)架的功能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

1）構(gòu)架功能

構(gòu)架是把轉(zhuǎn)向架各部件組成一個總體的一個重要承載部件，其結(jié)構(gòu)形式的選擇與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計、相關(guān)部件（如彈簧懸掛裝置、軸箱定位裝置、輪對及基礎(chǔ)制動裝置等）的結(jié)構(gòu)形式及其對安裝、檢修空間的需要、構(gòu)架的強度、剛度條件和采用的工藝方式等確定。

作為轉(zhuǎn)向架，其構(gòu)架的主要功能連接各個零部件和傳遞各種載荷，通過一系懸掛及其減振器連接軸箱，從而實現(xiàn)保持輪對在轉(zhuǎn)向架內(nèi)的位置；通過二系空氣彈簧連接車體，承擔(dān)來自車體的重量及沖擊等。載荷主要有垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、斜對稱載荷、懸掛載荷、制動載荷和各種減振器載荷。載荷根據(jù)工況不同，分為超常載荷、運營載荷及特殊載荷，因此需要不同工況組合進(jìn)行強度和疲勞壽命校核。因各種零部件及其載荷通過構(gòu)架連接傳遞實現(xiàn)，必須保證各個零部件的位置精度，因此構(gòu)架需具有足夠的剛度保持整個轉(zhuǎn)向架的性能。作為核心部件的構(gòu)件功能如圖5所示。

2）構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架主要由側(cè)梁、橫梁、縱向輔助梁、空氣彈簧支撐梁、定位臂和齒輪傳動座等組成。動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架可以通過安裝托架實現(xiàn)互換。如某型動車組構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3）構(gòu)架參數(shù)

設(shè)計參數(shù)由屬性參數(shù)和性能參數(shù)構(gòu)成，屬性參數(shù)有結(jié)構(gòu)類型、特征尺寸參數(shù)和材料工藝參數(shù)。性能參數(shù)指各種載荷及其強度，本文不做詳細(xì)論述。

（1）構(gòu)架類型Tbf（Bogie frame type），來自轉(zhuǎn)向架總體參數(shù)；

圖6 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架示意圖

圖7 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模塊化設(shè)計功能模塊

（2）構(gòu)架尺寸參數(shù)：

固定軸距WB（Wheelbase），來自轉(zhuǎn)向架總體參數(shù)；

輪廓尺寸（長×寬×高）Lf、Wf、Hf；

側(cè)梁中心線間距Ssb(Spacing of side beam)

橫梁中心線間距Scb(Spacing of crossbeam)

3.2 系統(tǒng)功能模塊

焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其主要組成部分具有相對固定的幾何結(jié)構(gòu)和相對獨立功能，根據(jù)廣義模塊化設(shè)計方法，將其劃分為若干虛擬模塊和柔性模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計。構(gòu)架的廣義的模塊化設(shè)計，其目的是滿足轉(zhuǎn)向架重構(gòu)設(shè)計構(gòu)建設(shè)計資源庫，因此，其系統(tǒng)架構(gòu)必須支持構(gòu)件的模糊識別選擇和再創(chuàng)新設(shè)計。支持重構(gòu)設(shè)計的廣義模塊化構(gòu)架設(shè)計系統(tǒng)主要功能模塊如圖7所示。

全局參數(shù)模塊：構(gòu)架設(shè)計的全局參數(shù)來自于轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計參數(shù)，主要包括構(gòu)架的結(jié)構(gòu)類型參數(shù)，如類型（動車或拖車）、結(jié)構(gòu)類型（H型或口型等）、懸掛類型，總體尺寸、材料、工藝參數(shù)等。為支持重構(gòu)設(shè)計，全局參數(shù)中包含對構(gòu)架性能描述的關(guān)鍵參數(shù)，如最高運行速度、軸重、穩(wěn)定性、可靠性、承載能力等指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)三維模塊設(shè)計：根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征，抽取其模塊進(jìn)行廣義參數(shù)設(shè)計，主要模塊有中梁（橫梁）、邊梁、二系彈簧座、橫梁輔助梁、軸箱轉(zhuǎn)臂座、電機安裝座、齒輪箱安裝座、制動裝置安裝座、一系垂向減振器座、牽引拉桿座和邊梁筋板等，其中，邊梁筋板屬于柔性模塊，各模塊通過布爾運算進(jìn)行組裝。

4 設(shè)計應(yīng)用

某型動車組是8輛編組，采用4動4拖的動力分散型。運營速度為200km/h，最高實驗速度為270km/h。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要輪廓及斷面尺寸如表1，構(gòu)架總體方案及邊梁設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計見圖8和圖9所示，完成的構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表1 某型轉(zhuǎn)向架主要輪廓及斷面尺寸

圖8 構(gòu)架總體方案界面

圖9 邊梁模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 結(jié)束語

本章針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其“子結(jié)構(gòu)”具有相對獨立的功能和結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點，結(jié)合廣義模塊化設(shè)計研究成果，擴(kuò)展了廣義模塊的定義及其模塊構(gòu)建方法，并以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例詳細(xì)論述構(gòu)架廣義模塊化設(shè)計的方法及其系統(tǒng)的開發(fā)過程，初步實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架參數(shù)化和模塊化設(shè)計。

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