基于广义模块化的转向架构架可重构设计方法

2013-10-17胡光忠肖守讷柳忠彬

制造业自动化 2013年22期

胡光忠，肖守讷，柳忠彬,

HU Guang-zhong1,XIAO Shou-ne2,LIU Zhong-bin1,2

（1. 四川理工学院，自贡 643000；2. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031）

0 引言

转向架构架是转向架中的最重要部件之一，把转向架各部件联接成为一个整体的承载部件，起着支撑、定位与承载的作用。构架功能和结构都具有相当的复杂性，一直是转向架设计开发的重点[1～5]，但是现有研究主要是针对构架的强度和可靠性进行材料、载荷测试和仿真优化，很少有构架结构设计方面的研究。这主要是构架结构受各种零部件安装位置的限制，其结构形式决定了转向架的结构形式。

传统的模块化设计的模块是基于系列化、标准化设计思想的，其模块功能和结构实体都具有独立性，模块间的接口具有固定的形式。对于一些复杂机械零部件，如机车车辆转向架构架，不同性能的转向架，其构架变化不仅体现在结构的尺度上，其几何拓扑结构也发生了变化，用传统的以固定的尺寸系列的模块化或者参数化很难描述出产品的系列变化，可重构设计是一种有效解决设计重用和创新问题的方法[6,7]。由于构架的复杂性，如果作为一个整体结构，其可重构度较低，如果将各种“子结构”独立出来，其可重构性将发生显著变化。通过分析构架的“子结构”也发现其具有相对独立的功能和结构，因此本文提出基于广义模块化的构架可重构设计方法。

1 广义模块化设计

1.1 广义模块的定义

较早提出和应用广义模块化设计的原理和方法是在液压机个性化的设计中[8]，随后文献[9,10]系统地阐述了广义模块化设计原理及方法。本文针对转向架焊接构架的特征，进一步丰富广义模块化设计的内涵及应用。

广义模块：广义模块是具有既定功能、参数化结构和接口的结构实体模块。广义模块可以描述为功能、几何结构、结构参数、载荷、约束、材料和制造工艺等工程参量的函数：

式中：Fr—广义模块的功能集；

G—几何拓扑结构，与功能相对应，是广义模块功能的承担者，采用参数化的结构模型进行建模；

P—几何模型的设计参数，即设计驱动变量；

R—模块的约束条件；

L—模块的载荷参数；

Pr—制造工艺方法，不同的制造工艺决定了模块的性能特征以及接口的连接形式等。

1.2 广义模块的分类

与传统的参数化模块化相比，广义模块化具有以下两点显著特征：1）用参数化广义模块取代刚性模块；2）用参数化广义接口取代刚性接口。其分为参数化模块、柔性模块和虚拟模块：

参数化模块：即传统的模块，以一组尺寸参数驱动的模块结构称之为参数化模块。尺寸参数不能改变模块的几何拓扑结构关系，只是结构的放大与缩小，全部参数确定后成为固定模块。

柔性模块：模块参数的改变将影响模块的拓扑结构的模块，称为柔性模块，其相应的接口也是参数化的，称为柔性接口。将影响模块的拓扑结构的参数称为柔性参数，柔性参数的取值受一定尺寸范围的约束，也不能超出模块规格的应用范围。柔性参数一经确定就变成参数化。

如图1所示某构架边梁（1/2模型），其参数主要有边梁上盖板的宽度、侧板几何参数等，其中加强筋板的数量N为柔性参数。当参数取不同值时，变形成不同类的边梁。

图1 柔性模块示意图

虚拟模块：在某些结构实体零件中，存在一类模块其实体结构上不能再分，但几何实体在结构形式和尺寸参数等方面相对固定，且具有特定子功能，因此可进一步细分为不同的模块特征，称作虚拟模块。虚拟模块之间接口连接需要进行结构布尔运算，称为虚拟接口。

如图2所示，构架的各种安装座，如牵引座、电机悬挂座等，是通过焊接工艺焊接的；有些本身是一个整体，如一系悬挂安装座从制造的角度不能再分，但是可以在CAD意义上进行划分。把上述模块划分为虚拟模块。

图2 虚拟模块示意图

1.3 产品广义模块划分

产品广义模块化设计以广义模块为设计单元，广义模块除具备传统模块的特征外，增加了新的特点：1）广义模块的独立性主要体现为功能独立性，结构不一定独立。由于引入了虚拟柔性模块的概念，广义模块的划分可在结构实体域内进行；2）广义模块的结构模型是具有不完全几何拓扑结构的参数化模型。根据设计要求，通过结构参数定制可生成具体结构，称为模块实例，模块实例等同于刚性模块。根据式（1），结合传统模块化设计思想，采用分层建立产品的模块结构体系，如图3所示。

按照上述结构，广义模块化产品一般包含刚性模块、参数化模块和广义模块，刚性模块可以进一步划分为若干刚性模块；参数化模块可以进一步划分为刚性模块或参数模块；广义模块中包含刚性模块、参数化模块、柔性模块和虚拟模块，其中柔性模块可以进一步划分为柔性模块和虚拟模块。

图3 广义模块化产品的模块层次结构图

图4 广义模块产品重构设计

2 广义模块化产品重构设计

由包含广义模块组成的产品，称为广义产品。广义模块化产品设计指由广义模块参数驱动生成系列产品的设计。广义产品库是由一组广义产品的集合组成，当赋予其参数化数据结构的具体值时，就唯一确定一个产品对象。如图4所示，由若干个广义模块组合为广义产品就是产品重构设计。在广义产品重构时，根据用户需求只需要对部分广义模块进行实例化，其他模块可保持不变。实例化工程包括广义模块组合和优化仿真过程，所以，广义模块产品重构设计便于产品设计的重用和创新设计。广义模块化产品重构设计具体过程如下：

由广义产品模块集组成产品矩阵：

在机车车辆设计中，运行速度是决定转向架及其构架的主要参数，作为主参数，从低到高排成一列，相同速度等级的不同结构（轴重等）作为横向系列，可以构成转向架构架产品集。

设上述产品集可以由一组广义产品模块生成：

把第一列可以定义为基型产品，相应的每一行为变形产品。

产品功能需求集：

根据式（5），经过模块优选和仿真，便可以求解出模块的实例化参数，得到用户需求产品。

3 转向架构架设计功能模块

图5 转向架构架功能

3.1 构架的功能、结构和技术参数

1）构架功能

构架是把转向架各部件组成一个总体的一个重要承载部件，其结构形式的选择与结构尺寸的设计应根据转向架总体设计、相关部件（如弹簧悬挂装置、轴箱定位装置、轮对及基础制动装置等）的结构形式及其对安装、检修空间的需要、构架的强度、刚度条件和采用的工艺方式等确定。

作为转向架，其构架的主要功能连接各个零部件和传递各种载荷，通过一系悬挂及其减振器连接轴箱，从而实现保持轮对在转向架内的位置；通过二系空气弹簧连接车体，承担来自车体的重量及冲击等。载荷主要有垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、斜对称载荷、悬挂载荷、制动载荷和各种减振器载荷。载荷根据工况不同，分为超常载荷、运营载荷及特殊载荷，因此需要不同工况组合进行强度和疲劳寿命校核。因各种零部件及其载荷通过构架连接传递实现，必须保证各个零部件的位置精度，因此构架需具有足够的刚度保持整个转向架的性能。作为核心部件的构件功能如图5所示。

2）构架结构

构架主要由侧梁、横梁、纵向辅助梁、空气弹簧支撑梁、定位臂和齿轮传动座等组成。动车转向架和拖车转向架可以通过安装托架实现互换。如某型动车组构架，其结构如图6所示。

3）构架参数

设计参数由属性参数和性能参数构成，属性参数有结构类型、特征尺寸参数和材料工艺参数。性能参数指各种载荷及其强度，本文不做详细论述。

（1）构架类型Tbf（Bogie frame type），来自转向架总体参数；

图6 转向架构架示意图

图7 转向架构架模块化设计功能模块

（2）构架尺寸参数：

固定轴距WB（Wheelbase），来自转向架总体参数；

轮廓尺寸（长×宽×高）Lf、Wf、Hf；

侧梁中心线间距Ssb(Spacing of side beam)

横梁中心线间距Scb(Spacing of crossbeam)

3.2 系统功能模块

焊接转向架构架虽然结构复杂，但其主要组成部分具有相对固定的几何结构和相对独立功能，根据广义模块化设计方法，将其划分为若干虚拟模块和柔性模块进行模块化设计。构架的广义的模块化设计，其目的是满足转向架重构设计构建设计资源库，因此，其系统架构必须支持构件的模糊识别选择和再创新设计。支持重构设计的广义模块化构架设计系统主要功能模块如图7所示。

全局参数模块：构架设计的全局参数来自于转向架总体设计参数，主要包括构架的结构类型参数，如类型（动车或拖车）、结构类型（H型或口型等）、悬挂类型，总体尺寸、材料、工艺参数等。为支持重构设计，全局参数中包含对构架性能描述的关键参数，如最高运行速度、轴重、稳定性、可靠性、承载能力等指标。

结构三维模块设计：根据转向架的结构特征，抽取其模块进行广义参数设计，主要模块有中梁（横梁）、边梁、二系弹簧座、横梁辅助梁、轴箱转臂座、电机安装座、齿轮箱安装座、制动装置安装座、一系垂向减振器座、牵引拉杆座和边梁筋板等，其中，边梁筋板属于柔性模块，各模块通过布尔运算进行组装。