市域快軌車輛轉向架構架設計

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

轉向架構架是列車的重要組成結構，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向架構的設計也提出了較高的要求[2]。

1 構架的結構設計及其工藝

該動力轉向架構架采用的是傳統(tǒng)的二軸“H”形焊接鋼結構轉向架構架，由箱型焊結構的橫梁和2 根側梁組成，輪對與構架采用轉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，整個動力轉向架構架基本上是對稱結構。構架的橫梁和側梁通過上下蓋板對接焊接和橫梁外腹板與側梁內立板垂直焊接相連。動力轉向架構架結構如圖1 所示。

1.1 構架結構

構架側梁為箱型焊接結構，根據(jù)側梁各截面的應力情況在側梁內部不同位置添加筋板，使側梁各個截面的應力更加良好，提高側梁的強度。該動力轉向架構架側梁為“弓”字形箱型梁體。側梁的上蓋板大體上分為三段，使得側梁焊接更加簡單的同時能夠加強冒筒與側梁上下蓋板連接處的強度。側梁上安裝了抗蛇行減振器座和抗側滾扭桿座等，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、內外腹板、內部筋板以及各種安裝座組成。通過在內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 構架結構的工藝性

構架橫側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密度高質量可靠的鍛件加工而成，所有安裝座結構簡單，容易焊接。

構架是轉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，進而降低生產成本。對構架關鍵焊縫進行無損檢測，來保證構架的質量。

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，構架結構自重、牽引電機重量和齒輪箱分配到構架上的重量以質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《鐵路應用一轉向架構架結構要求的規(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)在電機上支架內側彎弧處，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《動車轉向架—走行機構—轉向架構架結構強度試驗》和BSEN13749-2011《鐵路設施-轉向架結構要求的規(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《動車轉向架—走行機構—轉向架構架結構強度試驗》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過有資質單位的檢定校準，并在校準有效期內。

3.2 實驗內容

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)構架仿真計算結果，在應力較大和關鍵部位進行貼片。

3.4 試驗結果

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。

疲勞試驗結果表明：測試數(shù)據(jù)均在UIC615-4 和EN13749 規(guī)定的疲勞極限范圍內，如圖5 所示；同時進行1000 萬次疲勞試驗，試驗結束后無裂紋產生。

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 結論

市域快軌車輛動力轉向架構架采用經典的“H”焊接結構設計，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。