PW70L型低地板車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析

■ 陳德強(qiáng) 馮遵委

陳德強(qiáng)：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇南京，210031

馮遵委：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，高級(jí)工程師，江蘇 南京，210031

低地板車輛是城市軌道交通的重要工具之一，以其低地板方便旅客乘坐，編組多樣、運(yùn)行靈活，投資少、建設(shè)速度快，與現(xiàn)有公交站臺(tái)、路面資源共享等特點(diǎn)深受各大城市歡迎。PW70L型轉(zhuǎn)向架是地板面高度為70%的低地板車輛轉(zhuǎn)向架，該型動(dòng)車轉(zhuǎn)向架仍采用傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，牽引電機(jī)、齒輪箱的安裝都是常規(guī)模式。

PW70L型低地板車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)地鐵轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)相似，但工作環(huán)境有很大區(qū)別：低地板車輛線路具有小半徑曲線，啟動(dòng)加速、制動(dòng)減速更加頻繁，為了提高制動(dòng)能力還增加了磁軌制動(dòng)。采用有限元分析法，遵照VDV152和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，分析PW70L型低地板車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常工況和模擬運(yùn)營工況下的載荷，計(jì)算動(dòng)車構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，計(jì)算載荷涵蓋了動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架的最大載荷。

1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)及有限元模型

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

PW70L型低地板車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架采用傳統(tǒng)有軸轉(zhuǎn)向架（見圖1），構(gòu)架主體框架在水平面內(nèi)呈日字形，橫梁為箱形結(jié)構(gòu)，端梁上設(shè)有軸盤制動(dòng)吊座，橫梁上設(shè)有電機(jī)和齒輪箱吊座；一系懸掛采用橡膠彈簧結(jié)構(gòu)；二系懸掛采用橡膠簧承載、牽引拉桿牽引；基礎(chǔ)制動(dòng)采用軸盤制動(dòng)和磁軌制動(dòng)組合的方式。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行離散，采取殼單元與實(shí)體單元相結(jié)合的分析模式，對(duì)于構(gòu)架側(cè)梁等薄板形固體采取抽中面方式，以具備相同厚度的殼單元進(jìn)行替代；對(duì)于電機(jī)吊座等鍛造件采用實(shí)體單元進(jìn)行劃分；實(shí)體單元和殼單元之間的連接采取在實(shí)體單元表面布一層質(zhì)量很小的殼單元，通過共用節(jié)點(diǎn)達(dá)到連接的目的。模型中，實(shí)體單元采用四面體單元，殼單元采用四邊形和三角形單元，共計(jì)128 403個(gè)節(jié)點(diǎn)，341 070個(gè)單元。構(gòu)架有限元模型見圖2。模型約束條件采用彈性邊界元，在構(gòu)架側(cè)梁彈簧座上建立垂向、橫向、縱向彈簧單元，并在軸箱位置建立與車軸直徑一致的梁?jiǎn)卧M車軸[1]。

圖1 動(dòng)車構(gòu)架結(jié)構(gòu)

1.3 構(gòu)架材料

構(gòu)架強(qiáng)度應(yīng)滿足：在超常載荷各載荷單獨(dú)或組合作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架任何各點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力均不得超過材料的屈服許用應(yīng)力；在模擬運(yùn)營載荷工況下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的任意兩種載荷工況所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的Haigh疲勞極限圖的界限之內(nèi)。構(gòu)架材料及許用應(yīng)力見表1[2]。

2 主要載荷

2.1 超常工況主要載荷

（1）垂向載荷。

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)軸重為12.5 t，為了更好地考察構(gòu)架強(qiáng)度，超常載荷計(jì)算均采用軸重為12.5 t。計(jì)算載荷為144.2 kN。垂向載荷為：

式中：m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量。

（2）橫向載荷。

圖2 構(gòu)架有限元模型

表1 構(gòu)架材料及許用應(yīng)力

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，橫向載荷為：

橫向載荷由二系橡膠簧和橫向止擋共同承擔(dān)，分別作用在橡膠簧座和橫向止擋處。每個(gè)空簧座的計(jì)算載荷為10.5 kN，一個(gè)橫向止擋處的計(jì)算載荷為80.8 kN。

（3）扭曲載荷。

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，超常工況軌道扭曲量等于轉(zhuǎn)向架軸距e的1%，則：

Twz=0.01e=0.01×1 900=19 mm。

該載荷作用在兩對(duì)角輪軸配合點(diǎn)上，上下方向相反，位移為：

Dpz= Twz/2=9.5 mm。

（4）縱向沖擊載荷。

根據(jù)EN 13749：2011標(biāo)準(zhǔn)C.5.3.3：

FXB=m+·3g。

（5）緊急制動(dòng)載荷。

該型轉(zhuǎn)向架采用軸盤制動(dòng)和磁軌制動(dòng)相結(jié)合的形式，根據(jù)VDV152標(biāo)準(zhǔn)4.2.1：

Fx_brk_p1=1.3Max_p1，

Fx_brk_c1=1.3Max_c1，

式中：Fx_brk_p1為軸盤制動(dòng)引起的超?？v向載荷；Fx_brk_c1為磁軌制動(dòng)引起的超?？v向載荷；M為滿員時(shí)車輛質(zhì)量，按滿軸重計(jì)算；ax_p1為盤形緊急制動(dòng)減速度，3.0 m/s2；ax_c1為磁軌緊急制動(dòng)減速度，1.0 m/s2。

（6）電機(jī)、齒輪箱慣性超常載荷。

按照EN 13749：2011規(guī)范D.2.2，電機(jī)、齒輪箱超常慣性加速度分別為：垂向±20 g，橫向±10 g，縱向±5 g。

2.2 模擬運(yùn)營工況主要載荷

（1）垂向載荷為：

式中：m1為轉(zhuǎn)向架承受車體的載荷；Mv為空車車輛質(zhì)量；P2為乘員質(zhì)量；c為計(jì)算轉(zhuǎn)向架分配的載荷比，%；nb為每節(jié)車的轉(zhuǎn)向架數(shù)；azc為垂向振動(dòng)加速度。

（2）橫向載荷為：

Fy= m1（ayc+aycc），

式中：ayc為橫向加速度（動(dòng)態(tài)）；aycc為離心橫向加速度（準(zhǔn)靜態(tài)）。

（3）縱向載荷為：

Fx=m1axc，

式中：axc為縱向加速度。

（4）扭曲載荷。

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)，超常工況軌道扭曲量等于轉(zhuǎn)向架軸距e的0.5%，則：

Twz=0.01e=0.005×1 900=9.5 mm。

該載荷作用在兩對(duì)角輪軸配合點(diǎn)上，上下方向相反，位移為：

Dpz=Twz/2=4.75 mm。

（5）常用制動(dòng)載荷。

根據(jù)VDV152標(biāo)準(zhǔn)4.2.1：

式中：Fx_brk_p2為軸盤制動(dòng)引起的運(yùn)營縱向載荷；Fx_brk_c2為磁軌制動(dòng)引起的運(yùn)營縱向載荷；ax_p2為盤形緊急制動(dòng)減速度，1.0 m/s2；ax_c2為磁軌緊急制動(dòng)減速度，0.5 m/s2。

（6）電機(jī)、齒輪箱慣性運(yùn)營載荷。

按照EN 13749：2011規(guī)范D.2.2，電機(jī)、齒輪箱超常慣性加速度分別為：垂向±6 g，橫向±5 g，縱向±2.5 g。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及評(píng)估

超常工況靜強(qiáng)度分別計(jì)算了垂向單獨(dú)、垂向+橫向、垂向+橫向+扭曲、縱向調(diào)車沖擊、垂向+橫向+制動(dòng)載荷、垂向+電機(jī)齒輪箱慣性載荷等工況，其中在組合工況垂向+橫向+扭曲中的應(yīng)力最大，位于側(cè)梁上蓋板圓弧處，最大應(yīng)力307 MPa，滿足許用應(yīng)力要求，應(yīng)力云圖見圖3—圖5。

3.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及評(píng)估

通過對(duì)模擬運(yùn)營工況的組合，計(jì)算了各工況下構(gòu)架關(guān)鍵部位的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力，并計(jì)算出各關(guān)鍵部位的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅，各部位計(jì)算結(jié)果見表2[3]。

4 結(jié)論

圖3 構(gòu)架整體應(yīng)力云圖（垂向+橫向+扭曲）

圖4 制動(dòng)吊座應(yīng)力云圖（垂向+橫向+制動(dòng)載荷）

圖5 電機(jī)齒輪箱應(yīng)力云圖（垂向+電機(jī)齒輪箱慣性載荷）

表2 構(gòu)架大應(yīng)力區(qū)平均應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力幅值合成計(jì)算結(jié)果 MPa

圖6 P355NL1鋼構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估

圖7 G20Mn5鑄件疲勞強(qiáng)度評(píng)估

通過對(duì)PW70L型低地板車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元強(qiáng)度計(jì)算及疲勞強(qiáng)度的評(píng)估，得出如下結(jié)論：

（1）在超常載荷工況下，最大應(yīng)力為307 MPa，發(fā)生在垂向+橫向+扭曲工況，最大應(yīng)力位于側(cè)梁上蓋板圓弧處，最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度（355 MPa）。

（2）在模擬運(yùn)營工況組合作用下，最大應(yīng)力幅為125.4 MPa，位于側(cè)梁上蓋板外側(cè)圓弧彎角處，各評(píng)估點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值均在Haigh曲線包絡(luò)之內(nèi)。

（3）通過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算與評(píng)估分析，表明PW70L型低地板車輛轉(zhuǎn)向架滿足VDV152、EN 13749和ERRI B12/RP60等標(biāo)準(zhǔn)的要求。

[1]李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等．Hyper Works分析應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2]王文靜，劉志明，李強(qiáng)，等．CRH2動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析[J]．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33(1)：5-9．

[3]馮遵委，陳德強(qiáng)，楚永萍．基于Hyper Works的PW80E-Ⅳ型地鐵動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算與分析[J]．鐵道車輛，2013(3)：6-9．