地铁车辆转向架结构仿真和强度分析

2017-09-04孙博飞

环球市场 2017年23期

关键词：构架转向架载荷

孙博飞

中车长春轨道客车股份有限公司

地铁车辆转向架结构仿真和强度分析

孙博飞

中车长春轨道客车股份有限公司

地铁交通中极为重要和关键的设备就是地铁车辆，其核心技术主要是控制技术，交流传动技术、减轻车体质量改进技术及转向架不断更新和改进技术。而车辆转向架是地铁的重要组成部件，极大地影响着地铁车辆在线路上行进的安全性、性能可靠程度和乘客的乘坐车辆的舒适程度，对交通运输系统的经济性有着重要作用。而转向架的性能可靠则是车辆运行安全的有力保障。本文就地铁车辆转向架结构仿真和强度分析展开研究。

地铁车辆；转向架结构；仿真和强度

1 引言

转向架的质量对于车辆在线路上的安全、平稳及舒适方面起着关键的作用，对交通运输系统的经济性有着重要作用。而转向架的性能可靠则是车辆运行安全的有力保障。本文以某型地铁车辆拖车转向架为研究对象，对其进行结构的三维仿真设计和关键零部件的强度分析。

2 地铁车辆动力转向架构架的特点

本文所研究的地铁车辆转向架构架为H型焊接型，主要有箱型侧梁、圆柱横梁及辅助箱梁构成，轴箱为转臂定位式。动力转向架和拖车转向架不可互换，纵向辅助箱端部有牵引电机和齿轮箱吊杆的安装板。这些独特结构设计保证了该构架的良好的连接强度和工艺性。

3 转向架构架结构研究分析

构架的结构设计决定着转向架的性能。对这方面的研究，国外专家多采用动力学仿真，有限元法和实际试验相结合的方法，而国内众多学者也开始通过类似方法来对构架结构进行分析。国外转向架构架的结构设计分析的方法比较成熟，其研究过程可分为四个步骤：(1)选取典型线路作为实验线路，通过若干次模拟列车各种不同的工况条件的试验，采集到构架结构上的载荷、应力和加速度等。(2)通过有限元软件计算得出构架应力，得出关键点的计算数据与试验点的数据相对比。(3)通过试验和计算，再结合构架材料属性和加工工艺，得出转向架构架结构的评定依据。(4)最后通过仿真验证构架的结构合理与否。可见，国外对转向架构架结构研究是注重理论与实践的结合来解决问题。近年来我国引进了国外先进的转向架技术，转向架开发设计水平逐渐提高。其中四方车辆厂采用统计方法对某型转向架的构架和摇枕结构进行了静强度分析，非常具有代表性；北京交通大学对某型地铁车辆的动力转向架和非动力转向架进行静强度与疲劳寿命的分析，并与试验数据对比具有很高的可信度；西南交通大学在转向架构架轻量化和振动特性方面的研究具有较高的水平。

4 地铁车辆转向架结构仿真和强度分析

4.1 转向架构架有限元模型建立

三维模型是对实际构架的虚拟仿真，是进行有限元结构分析和优化的基础。在有限元分析中，模型来源一般有两种，一种是在有限元软件中，直接建立实体几何模型，此方法适用结构相对简单的模型，对于结构相对复杂的结构，该方法建模难度较大，效率较低。另外一种方法是通过专业三维绘图软件，建立实体几何模型，然后简化处理之后导入有限元软件中进行分析。随着有限元软件的发展，与三维软件的接口技术已相当完善，可以实现与三维软件的集成连接，实现数据共享和交换，极大地方便了设计者的仿真分析。此高速地铁转向架构架结构非常复杂，完整三维模型零件总数达上百个，通过有限元软件直接建模将是异常困难的，因此本文采用功能强大的三维设计软件Pro/ENGINEERWildfire5.0建立了该转向架构架的三维模型，并通过与有限元前处理软件Hypermesh及分析软件ANSYS建立双向连接，在三维软件修改几何模型之后，在有限元软件中实现更新，可以快速高效的对模型进行处理。

4.2 超常载荷工况静强度分析

超常载荷强度判断条件为各个超常载荷工况下的各点应力不超出材料的屈服强度极限。下面对规定的种超常载荷工况分别进行评定。超常载荷工况状态下构架的应力分布见图1。该工况为组合工况，主要用于模拟车辆的起动工况，考虑的载荷有超常垂向载荷、超常扭曲载荷、超常电机座载荷和超常齿轮箱吊座载荷，最高应力出现在侧梁下盖板与托板连接处，其值为226.397MPa。从计算结果可以看出，超常载荷工况最大应力没有超过钢板屈服极限345MPa，满足强度要求。

图1 超常载荷工况状态下的应力云图

图2 超常载荷工况状态下的应力云图

超常载荷工况状态下构架的应力分布见图2。该工况也为上述工况的组合工况，主要用于模拟车辆的紧急制动工况，考虑的载荷有附加垂向载荷、附加横向载荷、附加纵向载荷和附加制动载荷，最高应力出现在侧梁下盖板与托板连接处，其值为266.333MPa。从计算结果可以看出，超常载荷工况最大应力没有超过钢板屈服极限345MPa，满足强度要求。

通过超常载荷工况静强度分析，动车转向架构架没有永久变形危险。其中，超常载荷工况1的最大等效应力在侧梁下盖板与托板连接处，其值为226.397MPa。超常载荷工况2的最大等效应力在侧梁下盖板与托板连接处，其值为266.333 MPa。综上所述，通过以上种超常载荷工况的静强度分析，地铁转向架构架没有永久变形危险。