A型地铁转向架构架强度仿真分析及试验验证

李崇，梁树林*,，陈晓燕，王岩，池茂儒，吴兴文

A型地铁转向架构架强度仿真分析及试验验证

李崇1，梁树林*,1，陈晓燕2，王岩2，池茂儒1，吴兴文1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.北京地铁车辆装备有限公司，北京 100079）

日渐增多的客流量加大了运营公司的负担，故基于模块化生产的理念针对载客量大、速度快的特点进行A型地铁转向架开发设计。首先介绍了最高速度为120 km/h的A型地铁动车转向架构架的结构特点，然后根据构架强度试验标准UIC 615-4及转向架构架设计要求规范EN 13749，采用正向设计理念，先对构架静强度和疲劳强度进行仿真分析，最后对构架进行静强度和疲劳试验验证。结果表明，构架强度仿真分析和试验结果均满足要求。

A型地铁；转向架；构架；强度

随着城市的发展，拥有快捷便利的地铁成为了人们出行的重要交通工具，轴重大、速度高的A型地铁车辆成为了市场和运营公司的需求目标。由于线路条件不同，运行的最高速度也不一样，采用的制动方式也可能有所不同，导致不同线路上的列车可能采用不同的构架，加大了运营公司维修管理的难度，为了实现易生产、易维修、易管理的目标，西南交通大学金学松团队和北京地铁车辆装备有限公司联合设计，采用标准化、模块化[1]的理念，设计生产了一种可以兼容踏面制动和轮盘制动的A型地铁转向架，在保证构架主体结构不变的情况下，可根据客户需求更换制动结构，满足最高速度120 km/h的夹钳制动或最高速度80 km/h的踏面制动的目标。

转向架是轨道交通车辆正常行驶的基石，构架是转向架重要的承载部件[2]，它不仅起到支撑车体，使其在轨道上安全运行的作用，而且还是转向架各零部件的安装载体，在运行过程中承受并传递各方向的交变载荷[3]，因此它的设计合理性和可靠性就显得尤为重要，直接关乎着地铁的运行安全。本文以最高速度为120 km/h的A型地铁动车转向架构架为例，介绍其结构特点，基于构架设计要求标准EN 13749-2011和构架强度试验标准UIC 615-4-2003，采用正向设计理念，首先设计出三维模型，并利用仿真进行强度分析，找出薄弱位置并优化，最后通过强度试验对设计出来的构架进行校核验证。

1 结构特点

构架采用整体焊接方式，由两根侧梁和两根横梁钢管焊接而成，三维模型如图1所示。该构架不仅有一系、二系悬挂部件的安装接口，还有传动系统部件的接口，而且总结以往横梁开裂的经验，加大了横梁钢管的直径，降低横梁疲劳失效的风险；侧梁作为空簧的附加气室，采用箱体结构；具有两个横向止挡接口，有效保证二系回转阻尼的平衡；具有制动单元的安装接口，有效保证行车制动的安全性。

构架作为承载结构，主体采用高强度合金板材S355J2W+N，各安装座由于吊挂零部件，采用锻件材料Q345D，结合车辆性能和工艺加工最终确定侧梁上盖板厚度为14 mm，下盖板厚度12 mm，立板厚度10 mm，横梁无缝钢管壁厚20.5 mm，其材料特性如表1所示。

图1 构架结构图

2 构架强度仿真分析

2.1 载荷工况

本文根据轨道车辆构架常用标准UIC 615-4和EN 13749，结合运营公司的建议，对构架进行了超常载荷和运营载荷进计算，评估构架的静强度采用超常载荷，评估构架的疲劳强度采用运营载荷[4-5]，如表2、表3所示。

2.2 建立有限元离散模型

对三维几何构架模型采用HYPERMESH 12.0进行网格离散，如图2所示，为模拟构架在一系钢弹簧上的实际支撑情况，在构架与钢弹簧的接口处，采用一维弹簧单元分别离散出垂向、横向和纵向的网格单元。采用弹性的边界约束条件，其中在构架侧梁的一系簧座上施加纵向、横向和垂向弹性边界，在转臂定位座处施加纵向和横向定位约束；根据载荷的实际作用位置对网格单元节点进行载荷加载，构架有限元边界条件如图3所示。最后采用ANSYS 15.0进行强度工况计算，得到计算结果并评估。

表1 构架的材料特性

表2 模拟运营载荷工况

注：F为垂向载荷；F为横向载荷；F为纵向载荷；＝0.1，考虑车辆侧滚影响；＝0.2，考虑车辆沉浮影响；h为斜对称载荷；F为抗侧滚载荷；F为小曲线载荷；F、F分别为电机、齿轮箱悬挂点载荷；F、F分别未电机、齿轮箱悬挂点静载荷；F、F分别为电机悬挂点不同受力方向的动载荷；F、F分别为齿轮箱悬挂点不同受力方向的动载荷。

表3 超常载荷工况

注：10为斜对称载荷；FmaxFmaxFmax分别为垂向、横向、纵向的最大载荷；3gcj为纵向3冲击载荷。

图2 构架整体有限元模型

图3 构架约束及主要载荷示意图

2.3 构架强度分析结果

2.3.1 静强度分析结果

根据构架材料的成分组成可获得屈服强度为355 MPa，根据UIC 615-4标准，对于超常载荷工况14～20，构架的最大等效应力值均小于材料的屈服强度值，计算结果如表4所示，可知，各个工况的安全系数均大于1，满足静强度设计要求。其中最大等效应力在工况14，值为325.80 MPa，位于侧梁下盖板与转臂节点座连接处。图4是工况14构架Von Mises等效应力云图。

表4 超常工况计算结果

图4 工况14构架Von Mises 等效应力云图

2.3.2 疲劳强度分析结果

（1）评定方法

由于构架主体板材S355J2W+N的疲劳试验数据缺乏，故借鉴德国工业标准DIN 17100的规定，鉴于钢材料S355J2W+N与S355强度等级相当，因此根据S355钢的Moore-Kommer- Japer形式疲劳曲线对构架母材及焊缝进行疲劳强度评价[6]。评估标准采用DVS 1612的规定[7-8]，将焊缝接头处应力分为垂直于焊缝的正应力σ、平行于焊缝的正应力σ及平行于焊缝的切应力τ，不同形式应力对应高低不同的容许曲线，对于母材疲劳，同样的不同形式应力对应高低不同的容许曲线。

在进行疲劳评估时，选取构架主体中应力较大各点，建立各点的局部坐标系，将全局坐标系应力转换到局部坐标系，针对计算工况1～13，在影响疲劳寿命的各方向上计算出该方向各点最大应力值max及最小应力值min，进而根据＝min/max计算出应力比，通过Moore-Kommer-Japer形式的疲劳曲线对结构强度进行判定并计算出应力较大点各应力方向材料利用度，并求出各点的综合材料利用。

（2）分析结果

本文采用Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图，将获得的构架薄弱位置应力较大点的应力比及最大应力值放入图中进行比较，各节点影响疲劳破坏方向的材料利用度均小于1，综合材料利用度小于1，满足母材疲劳强度要求，构架母材疲劳评估结果如图5所示，其中母材材料利用度最大值为0.98，位置在上盖板内侧过渡处。表5是母材部分节点的单向材料利用度和多轴材料利用度。

对于构架各梁焊缝的疲劳评估，结果表明所有焊缝影响疲劳破坏的三方向材料利用度均小于1，综合材料利用度均小于1，满足焊缝疲劳强度设计要求。其中角焊缝多轴材料利用度最大值为0.79，对接焊缝多轴材料利用度最大值为0.34。角焊缝疲劳评估结果如图6所示，角焊缝部分节点的疲劳数据及安全系数如表6所示。

表5 构架母材部分节点三方向及综合材料利用度

表6 构架角焊缝部分节点三方向及综合材料利用度

图6 角焊缝三向应力及材料利用度评定

3 构架强度试验

该构架生产制造后，在西南交通大学牵引动力国家重点实验室进行静强度和疲劳强度的试验，根据静强度计算结果，对构架薄弱位置布置测试设备，共95个测点，其中87个单向应变片、8个三向应变花，部分应变片位置如图7所示。

3.1 静强度试验结果

根据静强度实验结果，每个测点在超常工况下的最大主应力均不超过相应标准要求，构架静强度满足试验要求，单向应变片测点的最大应力如图8所示，三向应变花测点的最大应力如图9所示。

图7 部分应变片位置

图8 单向应变片测点最大应力

图9 三向应变花测点最大应力

3.2 疲劳强度试验结果

静强度试验后对构架进行疲劳试验，累计1000万次后，经磁粉探伤检查，未发现细小裂纹，满足疲劳试验要求。图10是各测点试验处理数据在GOODMAN图[9]中的疲劳评定结果。

4 结论

本文参照构架强度试验标准UIC 615-4及转向架构架要求规范EN 13749，采用正向设计理念，先后进行构架强度仿真计算分析和静强度和疲劳强度试验，结果表明：

（1）对构架进行仿真分析，在超常工况下，构架静强度不超过材料的屈服极限，满足静强度要求；在模拟运营工况下，构架疲劳强度不超过材料的疲劳极限，满足疲劳强度要求。

（2）进行构架强度试验，在超常工况下，各测点最大应力均不超过材料的屈服极限，满足静强度试验要求；在模拟运营工况下，构架进行1000万次疲劳试验，各阶段试验完成后均对构架进行磁粉探伤检查，未发现细小裂纹，满足疲劳试验要求。同时，试验结果也充分验证了仿真的正确性与可靠性。

图10 Goodman疲劳极限评定曲线图

[1]刘毅力. 地铁车辆的模块化[J]. 铁道车辆，2003（7）：18-20，1-2.

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[4]周英雄，王勇，宋烨. 高速动车转向架构架静强度试验和仿真研究[J]. 机械，2014，41（7）：1-5.

[5]张红涛，徐建喜. 八轴货运机车中间构架静强度与疲劳强度分析[J]. 中国工程机械学报，2018，16（2）：183-188.

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[7]何文信，傅茂海，李亚威，等. 基于DVS1612的铁路货车制动缸座焊缝疲劳强度分析[J]. 机械工程与自动化，2018（2）：137-139.

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[9]刘渊文. 北京复八线地铁改造车辆构架结构强度分析[D]. 北京：北京交通大学，2009.

Simulation Analysis and Test Verification of Strength of Type A Subway Bogie Frame

LI Chong1，LIANG Shulin1，CHEN Xiaoyan2，WANG Yan2，CHI Maoru1，WU Xingwen1

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co., Ltd., Beijing 100079, China )

The increasing passenger flow has increased the burden of the operating company. Therefore, based on the concept of modular production, the development and design of type A subway bogie is carried out according to the characteristics of large passenger load and fast speed. Based on the design of the bogie as the research object, this paper first introduces the maximum speed of 120 km/h of the structure characteristics of type A metro train bogie frame, then according to the structure strength test standard UIC615-4 and EN - 13749 truck frame design requirement specification, using top-down design ideas, to frame for the calculation of the static strength and fatigue strength analysis, the static strength and fatigue test was carried out on the frame. The results show that both the simulation analysis and the test results meet the requirements.

type A subway；bogie；frame；strength

U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.006

1006－0316 (2020) 11－0036－07

2020－05－27

国家重点研发计划（2018YFE0201401-01）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（P2019J002）

李崇（1995－），男，河南长垣人，硕士研究生，主要研究方向为转向架振动疲劳。*通讯作者：梁树林（1967－），男，山西盂县人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为轨道车辆工程结构可靠性及动力学、车辆系统故障诊断及智能运维，E-mail：a_slliang@163.com。