DKZ4型車轉向架排障器結構優(yōu)化

任志剛

（北京市地鐵運營二分公司，北京 100043）

排障器作為軌道列車的主要部件，承擔清除軌道內障礙物的任務。在車輛行駛過程中，軌道上的任何障礙物均可能損傷列車，甚至導致列車脫軌，引發(fā)嚴重的安全事故。因此，地鐵車輛上須設置排除障礙物的裝置——排障器。按照安裝位置不同，可將其分為車體排障器和轉向架排障器。車體排障器安裝于列車前端下方，而轉向架排障器安裝于轉向架構架端部。北京地鐵1號線DKZ4型車輛排障器類型為轉向架排障器。由車輛運行過程中轉向架振動導致排障器共振是排障器疲勞破壞的主要原因，影響車輛的運行安全[1]。DKZ4型車對原有形式的排障器已進行過一次優(yōu)化改造，改變其結構形式為目前更加簡單的單邊式排障器。但是，在實際運用中排障器仍然會出現(xiàn)疲勞裂紋，且集中出現(xiàn)在彎管與支架座處焊縫處。為了減少因排障器疲勞引發(fā)的故障，有必要對現(xiàn)有結構進行振動疲勞分析，查找產生裂紋的原因并進行優(yōu)化升級。

1 排障器結構介紹

DKZ4型車排障器是單邊式結構。排障器整體通過4條螺栓緊固在構架側梁端部，由支架座、彎管及排障器座組成。彎管與支架座、排障器座通過焊縫連接，為板筋焊接結構，如圖1所示。

2 排障器疲勞壽命分析

2.1 排障器振動加速度功率譜

依據《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》（GB/T 21563—2018）要求[2]，排障器安裝在轉向架上，隨機振動輸入功率譜為2類轉向架安裝加速度頻譜密度（Acceleration Spectral Density，ASD）譜[3-4]，如圖2所示。

圖1 排障器

2.2 載荷和計算工況

現(xiàn)有排障器質量約12.5 kg。按照標準要求，當質量不超過100 kg時，f1取5 Hz，f2取250 Hz。經過計算，排障器在不同頻率下對應的ASD譜值如表1所示。

計算工況為垂向、橫向、縱向功率譜單獨加載，振動載荷輸入位置為構架端部，試驗標準均為失效時間大于18 000 s，如表2所示。

2.3 仿真結果

對現(xiàn)有排障器結構建模進行仿真分析，分為垂向、橫向和縱向進行加載[5]，結果如表3所示。最薄弱位置為彎管與支架座處焊縫，具體見圖3、圖4和圖5。

圖2 排障器振動加速度功率譜

表1 ASD譜值隨頻率分布情況

表2 載荷施加工況及標準

表3 仿真結果（原型）

圖3 垂向加載

從仿真結果可以看出，排障器整體的抗垂向和縱向振動能力較強，但抗橫向振動能力較差，最小失效時間僅為11 421 s，未能滿足GB/T 21563—2018標準中加速振動試驗時間不得低于5 h即18 000 s的要求，需要進行結構優(yōu)化。

圖4 橫向加載

圖5 縱向加載

2.4 疲勞分析

當排障器整體承受橫向振動載荷時，支架座下方彎管與排障器座形成懸臂梁結構。由于車輛在運行過程中橫向擺動較為頻繁，尤其是小幅度的橫向擺動。車體和轉向架之間是力的互相傳遞或相互隨動的關系，不論是車體還是轉向架在產生橫向力時，都會造成此處懸臂梁結構的橫向擺動。因此，通過受力分析，A點焊縫處反復承受著拉伸力和擠壓力作用，最終造成出現(xiàn)上述環(huán)形焊縫處開裂的現(xiàn)象，見圖6。

2.5 優(yōu)化改進

對現(xiàn)有排障器結構進行補強，采取筋板加固方式，通過提高現(xiàn)有排障器局部結構的強度和剛性進行優(yōu)化，如圖7所示。

圖6 橫向振動受力分析

對結構優(yōu)化后的排障器進行建模仿真分析，分為垂向、橫向和縱向進行加載，結果如表4所示。最薄弱位置為彎管與支架座處焊縫，具體見圖8、圖9和圖10。

表4 仿真結果（優(yōu)化后）

圖8 優(yōu)化后垂向載荷

圖9 優(yōu)化后橫向載荷

圖10 優(yōu)化后縱向載荷

排障器結構優(yōu)化后在彎管上加焊如圖7所示的筋板后，彎管與支架座處焊縫最小失效時間為49 185 s。和原型相比較，最小失效時間提升了4.3倍。排障器增加筋板后能夠有效抑制懸臂彎管的橫向振動位移，顯著降低了A點焊縫處所承受的橫向拉伸力和擠壓力。結構優(yōu)化的同時要求筋板與彎管焊縫過渡處要確保為圓滑過渡，以有效降低應力集中造成的二次衍生問題，最大程度降低不利因素的影響，見圖11和圖12。

圖11 筋板上部與彎管焊縫過渡

圖12 筋板下部與彎管焊縫過渡

2.6 實際車輛運行驗證結果

經過結構優(yōu)化后的排障器已安裝運行超過一年的時間，累計運行超過2.5 106km，期間進行過3次專項探傷檢查，且車輛進入修程后對該部位進行重點探傷檢查，均未有裂紋現(xiàn)象。可見，優(yōu)化后的排障器消除了之前存在的應力集中問題，有效提高了車輛排障器的可靠性。

3 結語

通過對現(xiàn)有排障器結構進行疲勞壽命計算分析，可準確找出應力集中點，并對其進行結構優(yōu)化增加筋板。經過建模仿真驗證，結構優(yōu)化后可有效抑制懸臂彎管的橫向振動位移，無明顯應力集中點，大幅提升了排障器的抗橫向振動能力，可滿足疲勞壽命標準要求。后經車輛實際正線運行驗證，結構優(yōu)化后的排障器整體性能良好，探傷檢查未再發(fā)現(xiàn)裂紋跡象。振動疲勞壽命計算方法可以對車輛排障器進行相應的受力分析和壽命評估，能夠準確判斷疲勞薄弱位置，可為其結構優(yōu)化提供科學有效的指導。