PW70L型低地板车辆动车转向架构架强度分析

■ 陈德强 冯遵委

陈德强：南车南京浦镇车辆有限公司转向架设计部，工程师，江苏南京，210031

冯遵委：南车南京浦镇车辆有限公司转向架设计部，高级工程师，江苏 南京，210031

低地板车辆是城市轨道交通的重要工具之一，以其低地板方便旅客乘坐，编组多样、运行灵活，投资少、建设速度快，与现有公交站台、路面资源共享等特点深受各大城市欢迎。PW70L型转向架是地板面高度为70%的低地板车辆转向架，该型动车转向架仍采用传统动力转向架，牵引电机、齿轮箱的安装都是常规模式。

PW70L型低地板车辆动车转向架结构与传统地铁转向架结构相似，但工作环境有很大区别：低地板车辆线路具有小半径曲线，启动加速、制动减速更加频繁，为了提高制动能力还增加了磁轨制动。采用有限元分析法，遵照VDV152和EN 13749标准，分析PW70L型低地板车辆动车转向架构架在超常工况和模拟运营工况下的载荷，计算动车构架静强度和疲劳强度，计算载荷涵盖了动车转向架和拖车转向架的最大载荷。

1 构架结构及有限元模型

1.1 构架结构

PW70L型低地板车辆动车转向架采用传统有轴转向架（见图1），构架主体框架在水平面内呈日字形，横梁为箱形结构，端梁上设有轴盘制动吊座，横梁上设有电机和齿轮箱吊座；一系悬挂采用橡胶弹簧结构；二系悬挂采用橡胶簧承载、牵引拉杆牵引；基础制动采用轴盘制动和磁轨制动组合的方式。

1.2 有限元模型

采用有限元软件HyperMesh对模型进行离散，采取壳单元与实体单元相结合的分析模式，对于构架侧梁等薄板形固体采取抽中面方式，以具备相同厚度的壳单元进行替代；对于电机吊座等锻造件采用实体单元进行划分；实体单元和壳单元之间的连接采取在实体单元表面布一层质量很小的壳单元，通过共用节点达到连接的目的。模型中，实体单元采用四面体单元，壳单元采用四边形和三角形单元，共计128 403个节点，341 070个单元。构架有限元模型见图2。模型约束条件采用弹性边界元，在构架侧梁弹簧座上建立垂向、横向、纵向弹簧单元，并在轴箱位置建立与车轴直径一致的梁单元模拟车轴[1]。

图1 动车构架结构

1.3 构架材料

构架强度应满足：在超常载荷各载荷单独或组合作用下，转向架构架任何各点的Von Mises应力均不得超过材料的屈服许用应力；在模拟运营载荷工况下，转向架构架的任意两种载荷工况所产生的应力幅值及平均应力应在相应材料或接头的Haigh疲劳极限图的界限之内。构架材料及许用应力见表1[2]。

2 主要载荷

2.1 超常工况主要载荷

（1）垂向载荷。

根据EN 13749标准，转向架设计轴重为12.5 t，为了更好地考察构架强度，超常载荷计算均采用轴重为12.5 t。计算载荷为144.2 kN。垂向载荷为：

式中：m+为转向架质量。

（2）横向载荷。

图2 构架有限元模型

表1 构架材料及许用应力

根据EN 13749标准，横向载荷为：

横向载荷由二系橡胶簧和横向止挡共同承担，分别作用在橡胶簧座和横向止挡处。每个空簧座的计算载荷为10.5 kN，一个横向止挡处的计算载荷为80.8 kN。

（3）扭曲载荷。

根据EN 13749标准，超常工况轨道扭曲量等于转向架轴距e的1%，则：

Twz=0.01e=0.01×1 900=19 mm。

该载荷作用在两对角轮轴配合点上，上下方向相反，位移为：

Dpz= Twz/2=9.5 mm。

（4）纵向冲击载荷。

根据EN 13749：2011标准C.5.3.3：

FXB=m+·3g。

（5）紧急制动载荷。

该型转向架采用轴盘制动和磁轨制动相结合的形式，根据VDV152标准4.2.1：

Fx_brk_p1=1.3Max_p1，

Fx_brk_c1=1.3Max_c1，

式中：Fx_brk_p1为轴盘制动引起的超常纵向载荷；Fx_brk_c1为磁轨制动引起的超常纵向载荷；M为满员时车辆质量，按满轴重计算；ax_p1为盘形紧急制动减速度，3.0 m/s2；ax_c1为磁轨紧急制动减速度，1.0 m/s2。

（6）电机、齿轮箱惯性超常载荷。

按照EN 13749：2011规范D.2.2，电机、齿轮箱超常惯性加速度分别为：垂向±20 g，横向±10 g，纵向±5 g。

2.2 模拟运营工况主要载荷

（1）垂向载荷为：

式中：m1为转向架承受车体的载荷；Mv为空车车辆质量；P2为乘员质量；c为计算转向架分配的载荷比，%；nb为每节车的转向架数；azc为垂向振动加速度。

（2）横向载荷为：

Fy= m1（ayc+aycc），

式中：ayc为横向加速度（动态）；aycc为离心横向加速度（准静态）。

（3）纵向载荷为：

Fx=m1axc，

式中：axc为纵向加速度。

（4）扭曲载荷。

根据EN 13749标准，超常工况轨道扭曲量等于转向架轴距e的0.5%，则：

Twz=0.01e=0.005×1 900=9.5 mm。

该载荷作用在两对角轮轴配合点上，上下方向相反，位移为：

Dpz=Twz/2=4.75 mm。

（5）常用制动载荷。

根据VDV152标准4.2.1：

式中：Fx_brk_p2为轴盘制动引起的运营纵向载荷；Fx_brk_c2为磁轨制动引起的运营纵向载荷；ax_p2为盘形紧急制动减速度，1.0 m/s2；ax_c2为磁轨紧急制动减速度，0.5 m/s2。

（6）电机、齿轮箱惯性运营载荷。

按照EN 13749：2011规范D.2.2，电机、齿轮箱超常惯性加速度分别为：垂向±6 g，横向±5 g，纵向±2.5 g。

3 计算结果

3.1 静强度计算结果及评估

超常工况静强度分别计算了垂向单独、垂向+横向、垂向+横向+扭曲、纵向调车冲击、垂向+横向+制动载荷、垂向+电机齿轮箱惯性载荷等工况，其中在组合工况垂向+横向+扭曲中的应力最大，位于侧梁上盖板圆弧处，最大应力307 MPa，满足许用应力要求，应力云图见图3—图5。

3.2 疲劳强度计算结果及评估

通过对模拟运营工况的组合，计算了各工况下构架关键部位的最大主应力及最小主应力，并计算出各关键部位的平均应力及应力幅，各部位计算结果见表2[3]。

4 结论

图3 构架整体应力云图（垂向+横向+扭曲）

图4 制动吊座应力云图（垂向+横向+制动载荷）

图5 电机齿轮箱应力云图（垂向+电机齿轮箱惯性载荷）

表2 构架大应力区平均应力和动应力幅值合成计算结果 MPa

图6 P355NL1钢构架疲劳强度评估

图7 G20Mn5铸件疲劳强度评估

通过对PW70L型低地板车辆动车转向架构架的有限元强度计算及疲劳强度的评估，得出如下结论：

（1）在超常载荷工况下，最大应力为307 MPa，发生在垂向+横向+扭曲工况，最大应力位于侧梁上盖板圆弧处，最大应力小于屈服强度（355 MPa）。

（2）在模拟运营工况组合作用下，最大应力幅为125.4 MPa，位于侧梁上盖板外侧圆弧弯角处，各评估点的平均应力和应力幅值均在Haigh曲线包络之内。

（3）通过转向架构架静强度和疲劳强度的计算与评估分析，表明PW70L型低地板车辆转向架满足VDV152、EN 13749和ERRI B12/RP60等标准的要求。

[1]李楚琳，张胜兰，冯樱，等．Hyper Works分析应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[2]王文静，刘志明，李强，等．CRH2动车转向架构架疲劳强度分析[J]．北京交通大学学报，2009，33(1)：5-9．

[3]冯遵委，陈德强，楚永萍．基于Hyper Works的PW80E-Ⅳ型地铁动车转向架构架强度计算与分析[J]．铁道车辆，2013(3)：6-9．