基于振动场的转向架悬挂件强度设计

吴凯桦 詹庆涛

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

基于振动场的转向架悬挂件强度设计

吴凯桦 詹庆涛

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

以振动场下转向架悬挂件强度设计为研究对象，分析了静强度方法的不足。基于转向架端部悬挂件真实受力情况，提出了一种更符合实际的动强度设计方法，并以转向架端部悬挂支座为实例，具体阐述转向架悬挂件强度设计新方法。实例分析表明，采用动强度方法所得应力超出静强度方法67.6%，更符合悬挂件的真实应力情况。

地铁车辆；转向架悬挂件；强度设计

列车运行过程中，转向架悬挂件受到结构自身的静态重力和转向架较大的动态冲击载荷的共同作用，当悬挂件受到载荷作用而产生裂纹甚至导致结构断裂失效时，将产生灾难性的后果。因此，研究转向架悬挂件的强度设计方法，对于悬挂件使用持久性和行车安全性具有重大意义。

1　基于振动场受力分析

为了更好地从原理上分析传统的悬挂件强度设计方法，阐述转向架悬挂件强度设计新方法，本文以简支梁为例，对其处于振动场中的情况进行受力分析。

设有一自重为M、跨度为L的简支梁（见图1），1/2梁处悬挂—质量为m的重物。该模型处于加速度为a的振动场中。静强度方法忽略梁的自重，将载荷简化为F=m（a+g）的集中力作用在1/2梁处（见图2）。但当该结构位于振动场中时，梁自身具有内部惯性力。该惯性力可简化为q=Ma/ L的均布载荷（见图3）。静强度方法所得应力与真实应力结果如表1所示。

图1　简支梁模型

图2　静强度方法-原理图

图3　梁自重所具惯性力简化模型

传统的静强度法将结构受到的荷载转化为静载荷，以静载荷作用下悬挂件的应力为设计指标。这种基于静力学的设计方法在荷载不大、结构所处振动场的加速度不大的情况下基本合理。随着列车运行速度不断提高，振动场加速度不断增大，无法忽略结构件本身具有的惯性力，采用传统的强度设计方法会导致设计结构满足强度要求和疲劳要求的错误结果，造成该结构投入使用一段时间后出现开裂等强度不足现象，降低了其可靠性。故本文提出新的强度设计方法：动强度设计方法。

表1　静强度法所得应力与真实应力的比较

2　动强度设计思路

转向架悬挂件强度设计新方法首先考虑列车运行过程中受到的激励频率，避免有害的共振；其次对结构的动应力进行计算分析，确保其小于结构的许用应力。

实际运用中，动强度设计方法采用瞬时动态分析（Transit）。其主要涵盖以下要素：

（1）建立结构有限元模型：根据所需分析的转向架悬挂件结构构型，建立有限元模型，赋予其材料、属性。

（2）模态分析：若悬挂件结构的固有模态处于激励的频率范围之内，需改变结构的振动特性，防止悬挂件共振。

（3）动力响应分析：分析悬挂件在振动场中的响应是否满足设计要求。

3　工程实例分析

转向架作为车辆走行部的主要部件，往往设置有不同的悬挂件。以安装于司机室端转向架端部的列车自动控制（ATC）天线支座为例，说明动强度设计法，并与静强度法进行对比。

简化的ATC系统安装结构主要由水平横梁管、安装座、ATC信号收集装置等组成。水平横梁管和安装座间用橡胶件连接，防止水平横梁管因构架变形产生的应力。ATC结构的有限元模型如图4所示。

（1）动力响应分析：约束后的模型受到加速度为a、频率为f的振动激励。采用ANSYS解算器得到ATC信号收集装置端的加速度响应（见图5）和结构的应力响应（见图6）。对水平横梁管中间处应力进行动响应分析，结果为32.4 MPa。

图4　ATC结构有限元模型

图5　加速度响应图

图6　动强度法的结构应力响应

（2）静强度方法：相同的有限元模型和相同的冲击加速度下，采用静强度方法的结构应力图如图7所示，水平横梁管中间处应力为10.5 MPa。

由上述分析可知，采用传统的静强度法，水平横梁管中间处应力为10.5 MPa；根据动强度设计方法可得ATC支座应力的动态变化，水平横梁管中间处的应力为32.4 MPa。采用强度设计新方法所得的结构应力较传统方法超出67.6%。传统的静强度设计方法忽视了结构处于动态作用力下产生的应力效果，给产品的投入使用埋下了巨大的安全隐患。

图7　静强度法的结构应力响应

4　结语

采用传统的静强度设计方法所得的地铁车辆转向架悬挂件结构应力远小于结构的真实应力，由此会导致设计结构满足强度要求和疲劳要求的错误结果，造成该结构投入使用一段时间后出现开裂等强度不足现象，降低了其可靠性。动强度方法考虑了结构处于振动场中所受的惯性力，更符合应力分布的真实情况。基于此方法的悬挂件结构设计将更加可靠，且能在一定程度上保障转向架悬挂件的使用持久性和安全性，具有极大的推广意义。

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［3］ 何景武.飞机结构的动强度问题研究与分析［J］.飞机设计，2009，29（2）：28.

［4］ 张凯函，李强，杨广雪.西安地铁车辆转向架构架静强度与疲劳强度分析［J］.城市轨道交通研究，2013（9）：79.

Strength Design for Bogie Suspension Parts Base on the Vibration Field

Wu Kaihua，Zhan Qingtao

Aiming at the strength design for bogie suspension parts based on the vibration field，shortcomings of the static strength method are analyzed.According to the real stress status of bogie suspension parts，a more realistic strength design method is proposed.With example of ATC（automatic train control）support suspending at the end of bogie，the new strength design method is concretely expounded.The result analysis indicates that the stress obtained by dynamic method is 67.6 percent higher than the static stress obtained by the traditional method，which is more conform to the reality.

metro train；bogie suspension parts；strength design Author's address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

U 270.331+.7

10.16037/j.1007-869x.2015.07.035

2013-12-21）