孫博飛

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強(qiáng)度分析

孫博飛

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地鐵交通中極為重要和關(guān)鍵的設(shè)備就是地鐵車輛，其核心技術(shù)主要是控制技術(shù)，交流傳動(dòng)技術(shù)、減輕車體質(zhì)量改進(jìn)技術(shù)及轉(zhuǎn)向架不斷更新和改進(jìn)技術(shù)。而車輛轉(zhuǎn)向架是地鐵的重要組成部件，極大地影響著地鐵車輛在線路上行進(jìn)的安全性、性能可靠程度和乘客的乘坐車輛的舒適程度，對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有著重要作用。而轉(zhuǎn)向架的性能可靠則是車輛運(yùn)行安全的有力保障。本文就地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強(qiáng)度分析展開(kāi)研究。

地鐵車輛；轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)；仿真和強(qiáng)度

1 引言

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量對(duì)于車輛在線路上的安全、平穩(wěn)及舒適方面起著關(guān)鍵的作用，對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有著重要作用。而轉(zhuǎn)向架的性能可靠則是車輛運(yùn)行安全的有力保障。本文以某型地鐵車輛拖車轉(zhuǎn)向架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維仿真設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析。

2 地鐵車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的特點(diǎn)

本文所研究的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為H型焊接型，主要有箱型側(cè)梁、圓柱橫梁及輔助箱梁構(gòu)成，軸箱為轉(zhuǎn)臂定位式。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架不可互換，縱向輔助箱端部有牽引電機(jī)和齒輪箱吊桿的安裝板。這些獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了該構(gòu)架的良好的連接強(qiáng)度和工藝性。

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)研究分析

構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定著轉(zhuǎn)向架的性能。對(duì)這方面的研究，國(guó)外專家多采用動(dòng)力學(xué)仿真，有限元法和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法，而國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也開(kāi)始通過(guò)類似方法來(lái)對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。國(guó)外轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的方法比較成熟，其研究過(guò)程可分為四個(gè)步驟：(1)選取典型線路作為實(shí)驗(yàn)線路，通過(guò)若干次模擬列車各種不同的工況條件的試驗(yàn)，采集到構(gòu)架結(jié)構(gòu)上的載荷、應(yīng)力和加速度等。(2)通過(guò)有限元軟件計(jì)算得出構(gòu)架應(yīng)力，得出關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)比。(3)通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，再結(jié)合構(gòu)架材料屬性和加工工藝，得出轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的評(píng)定依據(jù)。(4)最后通過(guò)仿真驗(yàn)證構(gòu)架的結(jié)構(gòu)合理與否?？梢?jiàn)，國(guó)外對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)研究是注重理論與實(shí)踐的結(jié)合來(lái)解決問(wèn)題。近年來(lái)我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的轉(zhuǎn)向架技術(shù)，轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)水平逐漸提高。其中四方車輛廠采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)某型轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架和搖枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，非常具有代表性；北京交通大學(xué)對(duì)某型地鐵車輛的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞壽命的分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比具有很高的可信度；西南交通大學(xué)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架輕量化和振動(dòng)特性方面的研究具有較高的水平。

4 地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強(qiáng)度分析

4.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型建立

三維模型是對(duì)實(shí)際構(gòu)架的虛擬仿真，是進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。在有限元分析中，模型來(lái)源一般有兩種，一種是在有限元軟件中，直接建立實(shí)體幾何模型，此方法適用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該方法建模難度較大，效率較低。另外一種方法是通過(guò)專業(yè)三維繪圖軟件，建立實(shí)體幾何模型，然后簡(jiǎn)化處理之后導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行分析。隨著有限元軟件的發(fā)展，與三維軟件的接口技術(shù)已相當(dāng)完善，可以實(shí)現(xiàn)與三維軟件的集成連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，極大地方便了設(shè)計(jì)者的仿真分析。此高速地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，完整三維模型零件總數(shù)達(dá)上百個(gè)，通過(guò)有限元軟件直接建模將是異常困難的，因此本文采用功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/ENGINEERWildfire5.0建立了該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型，并通過(guò)與有限元前處理軟件Hypermesh及分析軟件ANSYS建立雙向連接，在三維軟件修改幾何模型之后，在有限元軟件中實(shí)現(xiàn)更新，可以快速高效的對(duì)模型進(jìn)行處理。

4.2 超常載荷工況靜強(qiáng)度分析

超常載荷強(qiáng)度判斷條件為各個(gè)超常載荷工況下的各點(diǎn)應(yīng)力不超出材料的屈服強(qiáng)度極限。下面對(duì)規(guī)定的種超常載荷工況分別進(jìn)行評(píng)定。超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的應(yīng)力分布見(jiàn)圖1。該工況為組合工況，主要用于模擬車輛的起動(dòng)工況，考慮的載荷有超常垂向載荷、超常扭曲載荷、超常電機(jī)座載荷和超常齒輪箱吊座載荷，最高應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為226.397MPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出，超常載荷工況最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)鋼板屈服極限345MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖1 超常載荷工況狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

圖2 超常載荷工況狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。該工況也為上述工況的組合工況，主要用于模擬車輛的緊急制動(dòng)工況，考慮的載荷有附加垂向載荷、附加橫向載荷、附加縱向載荷和附加制動(dòng)載荷，最高應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為266.333MPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出，超常載荷工況最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)鋼板屈服極限345MPa，滿足強(qiáng)度要求。

通過(guò)超常載荷工況靜強(qiáng)度分析，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沒(méi)有永久變形危險(xiǎn)。其中，超常載荷工況1的最大等效應(yīng)力在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為226.397MPa。超常載荷工況2的最大等效應(yīng)力在側(cè)梁下蓋板與托板連接處，其值為266.333?MPa。綜上所述，通過(guò)以上種超常載荷工況的靜強(qiáng)度分析，地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沒(méi)有永久變形危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

綜上所述，構(gòu)架是一個(gè)受力復(fù)雜、載荷很大的部件。因此，結(jié)構(gòu)安全是地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

[1]董金妹.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)仿真和強(qiáng)度分析[D].蘭州交通大學(xué)，2015.

[2]徐道雷.某型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析[D].重慶交通大學(xué)，2012.