B型地铁转向架构架结构优化及对比分析

杨立举 崔林格 许子佳 胡森

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130000

科学技术的快速发展使得我国道路建设有了新的发展方向，为我国人们的出行更加便捷奠定基础。转向架是铁路车辆的一个重要组成部分，而构架作为转向架的主要组成部件，不仅是其余零部件的安装基础，而且承受及传递各种作用力和载荷，其可靠性将直接影响车辆的运行安全，而结构设计是否合理可靠需要通过有限元仿真分析或试验等手段进行检验[1]。

1 转向架构架技术发展路线分析

转向架构架按承载轴数可分为单轴、两轴和多轴转向架，当前铁路技术中多采用两轴转向架，因此针对两轴转向架构架结构的发展路线进行分析及简述。在2006年以前，中国铁路技术还未开始高速发展，转向架构架技术主要由美国、德国、法国、日本等工业大国引领。2006年以前转向架构架的主流结构为：中间为一根横梁，横梁上端承载枕梁，横梁两端插入两侧侧架，并且轮对在两侧架的内侧，本领域通常称之为三件式构架。如美国安施德工业集团（AMSTEDINDINC）于1993年申请的专利US5410968A。同时期也存在中间两根横梁连接两侧侧梁的转向架构架结构，虽然并不多见，但也为随后的技术发展奠定了基础。如阿尔斯通运输公司（GECALSTHOMTRANS-PORTSA）于1994年申请的专利FR9406535A。自2006年起，世界铁路技术开始快速发展，转向架构架领域的专利申请数量明显增长，并且其中已经有一部分属于我国的自主创新技术。日本川崎重工集团于2006年申请的专利JP2008162455A，提出了低地板转向架构架的概念，采用中间下凹型的横梁实现低地板[2-3]。

2 构架既有结构

既有B型地铁转向架构架横梁通常采用无缝钢管结构型式，在横梁上根据功能需要焊接有电机吊座、齿轮箱吊座及牵引拉杆座；小纵梁采用4块板焊接箱型结构，几何中心与横梁中心平齐，实现无缝钢管的联接，在某B型地铁转向架构架动应力测试过程中，发现构架上部分测点等效应力幅值超过标准限度70MPa，且均位于吊座与横梁联接处。其中，最大等效应力为132.7MPa，位于电机吊座中部立板与横梁连接燕尾处（测点44）[4]。需要说明的是，标准限度70MPa没有相关标准规定，此数值源于试验单位结合Miners线性累积损伤法则和JISE4208标准推算出来的经验值，适用于焊缝接头疲劳强度评估。

3 构架受力特点

构架要承受来自车体的重量，车体的垂向（Z向）载荷通过二系悬挂装置传递给构架，横向（Y向）载荷通过横向止挡传递到构架横向止挡座，纵向（X向）载荷则通过牵引拉杆传递到构架牵引拉杆座；同时还要承受线路扭曲及电机、齿轮箱等悬挂部件产生的各向载荷。

4 计算模型和载荷工况

采用有限元分析软件Ansys12.0建立构架模型，构架主体结构离散为三维壳单元，电机安装座等离散成三维实体单元。计算模型整体坐标原点位于轨面上，转向架中心，x轴的正方向为转向架的前进方向，y轴为转向架的横向，z轴垂直向上。

5 构架结构优化

为了缓解构架弹性共振，改善构架承受轮轨振动冲击的能力，亟待优化横梁结构型式，提高横梁强度和刚度裕量，以实现横梁部位应力的降低。优化横梁结构型式，须充分考虑整车系统、牵引系统以及制动系统的接口需要。受到接口尺寸限制，只能通过增大横梁无缝钢管规格来实现其抗弯刚度的增加，无法采用4块板焊接箱型结构型式。按照环形截面惯性矩材料力学公式可知，刚度的增加可通过增大横梁管直径或者管截面积来实现，通过系统接口尺寸以及环形内孔容积兼容性考虑，将优化的结构横梁钢管直径由185mm增加到193.7mm，壁厚由15.15mm增大到30mm。另外，将连接横梁的小纵梁骑跨在了横梁上方，加大了横梁抗弯刚度。

6 结果

在满足既有系统接口的前提下，通过增大构架横梁管截面面积，可以有效增加横梁刚度，降低自振频率，缓减横梁垂弯弹性振动，从而实现降低横梁上电机吊座、齿轮箱吊座等部位的应力水平，提高地铁车辆转向架构架使用寿命。主要结论如下：①由于运营线路条件恶劣，轮轨振动冲击加大，激起了构架横梁垂弯方向固有频率，引起构架横梁高频往复振动，致使构架横梁部位应力超过标准限度。②通过增大横梁抗弯刚度和优化结构有效地缓减垂弯弹性振动，减小了横梁上各类吊座的应力水平，满足了构架使用寿命要求。③受到外部系统接口和转向架构架空间限制，通过增大横梁无缝钢管规格提高强度和刚度，势必会引起构架重量的增加。虽然构架增重对整车性能影响较小，但不利于节约能耗和轻量化设计理念，建议从改善轮轨冲击振动方面着手解决此类问题。

7 结语

通过上述的理论及数据分析可知，世界的铁路技术正处于蓬勃发展当中，而中国的铁路技术在其中占有举足轻重的地位，并且日渐上升，已经从一个技术小国成功跻身世界前列。通过以上专利数据分析可以清楚了解到转向架构架的发展过程以及现阶段研究热点，通过对技术发展动态的了解能够对自己审查的专利有着更为全面的认识。