盧權(quán)

（中國中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，工程師，河北　唐山　063035）

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

盧權(quán)

（中國中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，工程師，河北唐山063035）

構(gòu)架作為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的一個(gè)關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)型式直接影響轉(zhuǎn)向架的安全和壽命。本文選取了既有動(dòng)車組兩種典型的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式箱梁型和管梁型進(jìn)行研究。通過有限元分析及剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析計(jì)算，為后續(xù)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型提供理論參考依據(jù)。

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架；構(gòu)架；結(jié)構(gòu)選型；分析計(jì)算

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.04.008

轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)包含懸掛參數(shù)設(shè)計(jì)和構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)決定車輛的動(dòng)力學(xué)性能，而構(gòu)架所承受的主要?jiǎng)討B(tài)載荷是車體振動(dòng)載荷，定性而言，車輛的動(dòng)力學(xué)性能越好，構(gòu)架出現(xiàn)疲勞裂紋的概率也越低［1］；構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定材料利用率與抗形變能力（廣義剛度）的空間布局，是構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)指標(biāo)。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架通過一系彈簧與輪對相連，輪對支撐于軌道上。因軌道存在垂向不平順，使得輪對與鋼軌的四個(gè)接觸點(diǎn)不在一個(gè)平面內(nèi)，此時(shí)構(gòu)架在垂向處于相對“超靜定”約束狀態(tài)，即車輛運(yùn)行過程中，構(gòu)架一直處于垂向扭曲支撐狀態(tài)。構(gòu)架的彈性變形分為主體結(jié)構(gòu)和局部變形，其中主體結(jié)構(gòu)變形主要包含扭曲和垂向彎曲變形。垂向彎曲變形主要由二系懸掛傳遞車體慣性力作用在構(gòu)架上形成；局部變形主要由安裝于構(gòu)架上的設(shè)備慣性載荷對構(gòu)架局部產(chǎn)生作用。而管梁和箱梁因自身在橫梁結(jié)構(gòu)型上的差異，使得兩種型式構(gòu)架在低階扭轉(zhuǎn)剛度存在較大差異，即使采用同樣結(jié)構(gòu)型式的橫梁，不同的整體加強(qiáng)設(shè)計(jì)也會(huì)造成扭轉(zhuǎn)剛度的差異。

1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式主要有‘H’型和‘目’字型兩種，高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架采用較為典型的‘H’型構(gòu)架，其主體結(jié)構(gòu)由側(cè)梁與橫梁通過橫側(cè)梁連接座拼焊而成。一系彈簧座、一系垂向減振器座、抗蛇行減振器座、連桿座、牽引拉桿座、空氣彈簧座及轉(zhuǎn)臂定位座依次焊接在構(gòu)架的側(cè)梁或橫梁上。根據(jù)等強(qiáng)度和等剛度設(shè)計(jì)原則，兩種構(gòu)架側(cè)梁均設(shè)計(jì)成魚腹箱形結(jié)構(gòu)，由上下蓋板、內(nèi)外立板、端部立板和內(nèi)部加強(qiáng)筋板拼焊而成；轉(zhuǎn)臂定位座對稱的焊接在側(cè)梁兩側(cè)底部圓弧過渡處；抗蛇行減振器座與側(cè)梁上下蓋板及外立板整體焊接；一系彈簧座由半圓形折彎鋼板整體拼焊而成；橫梁有管梁（CRH2、CRH3、CRH5）和箱梁（CRH1，380D）兩種型式。管梁主要由兩根鋼管及縱向梁拼焊而成，箱梁主要由鋼板拼焊而成。電機(jī)安裝座、齒輪箱安裝座及制動(dòng)安裝座等結(jié)構(gòu)焊接到橫梁上。典型的管型梁結(jié)構(gòu)和箱型梁結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　管型梁結(jié)構(gòu)和箱型梁結(jié)構(gòu)示意圖

2　計(jì)算分析

2.1模態(tài)分析動(dòng)車組構(gòu)架的主要作用是承受、傳遞各作用力及載荷，同時(shí)為轉(zhuǎn)向架各零部件提供安裝接口定位，因此構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足強(qiáng)度及剛度要求。定性而言對彈性體剛度越大，在相同外載一個(gè)循環(huán)周期作用下其所存儲(chǔ)釋放的彈性應(yīng)變能就越小。應(yīng)變能作為結(jié)構(gòu)變形的總體量度指標(biāo)，其大小反映了材料的利用率及應(yīng)力集中程度，因此構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度成為相互關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)指標(biāo)。由柔性動(dòng)力學(xué)仿真建?？芍圀w運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)載荷與構(gòu)架垂向彎曲模態(tài)的廣義坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，構(gòu)架扭曲載荷（軌道不平順、車輪不圓度及輪對動(dòng)不等）與構(gòu)架扭曲模態(tài)廣義坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。因此構(gòu)架主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（除各零部件安裝接口外）可以用垂向彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度做為優(yōu)化指標(biāo)。本文研究的構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)為‘H’型，在各階振動(dòng)模態(tài)差異不大的前提下，其各階振型所對應(yīng)的自振頻率反映了構(gòu)架的模態(tài)剛度。模態(tài)剛度雖然與垂向彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度的定義不同，但本質(zhì)上都是彈性變形與載荷的比例關(guān)系，因此構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以用更為直觀的模態(tài)頻率作為剛度優(yōu)化指標(biāo)。

為了得到兩種結(jié)構(gòu)型式構(gòu)架是否具有良好的動(dòng)態(tài)特征，作者對其進(jìn)行了模態(tài)分析。計(jì)算載荷符合UIC 615-4《動(dòng)力車—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》［2］及TB/T 2637-2008，《鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動(dòng)臺》［3］。通過模態(tài)分析獲得了兩種結(jié)構(gòu)型式構(gòu)架的自振頻率和振型。圖2為兩種結(jié)構(gòu)型式構(gòu)架的前6階模態(tài)。通過分析可知，對應(yīng)一階模態(tài)管型梁構(gòu)架和箱型梁結(jié)構(gòu)構(gòu)架扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率分別為39 Hz和51 Hz，而箱型梁構(gòu)架具有較高的扭曲剛度，對比前6階模態(tài)頻率，箱型梁構(gòu)架的扭曲剛度都比管型梁構(gòu)架較高。

圖2　箱梁型與管梁型構(gòu)架的前6階模態(tài)截圖

2.2動(dòng)力學(xué)分析運(yùn)用數(shù)理方法對管梁型與箱梁型構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，具體內(nèi)容見圖3～圖7。

圖3　箱梁型與管梁型構(gòu)架-剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

圖4　箱梁型S形曲線通過-模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程

圖5　管梁型S形曲線通過-模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程

圖6　箱梁型構(gòu)架疲勞損傷位置

圖7　管梁型構(gòu)架疲勞損傷位

3　結(jié)束語

構(gòu)架作為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的一個(gè)關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)型式直接影響轉(zhuǎn)向架的安全和壽命。本文選取了既有動(dòng)車組兩種典型的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式箱梁型和管梁型進(jìn)行研究。通過有限元分析及剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析可知，箱型梁構(gòu)架具有較高的扭曲剛度。

（1）從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，構(gòu)架設(shè)計(jì)對垂向彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷應(yīng)有較大的剛度，且對應(yīng)振型變形較大的位置應(yīng)避免剛度突變以確保達(dá)到降低應(yīng)力集中的目的［4］。車輛運(yùn)行過程中，構(gòu)架所承受的載荷可等效為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種載荷的組合，因此要提高構(gòu)架的疲勞壽命，就必須通過優(yōu)化設(shè)計(jì)盡量提高構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)的垂向彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度，即提高對應(yīng)模態(tài)的自振頻率。箱型梁構(gòu)架具有剛度優(yōu)勢。

（2）從制造的角度出發(fā)，構(gòu)架設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免使用疲勞強(qiáng)度較低的角焊縫做為承載焊縫，同時(shí)應(yīng)盡可能保證焊縫有較高的焊接質(zhì)量。管型梁角焊縫對焊接工藝要求高且焊縫質(zhì)量不易控制，箱型結(jié)構(gòu)角接焊縫對焊接工藝要求較低，而且比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，質(zhì)量可控性較高。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量優(yōu)先采用質(zhì)量可控且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的對接焊縫，避免由于焊接缺陷而產(chǎn)生疲勞裂紋。箱型梁構(gòu)架焊縫設(shè)計(jì)具有等級優(yōu)勢。

（3）從檢修的角度出發(fā)，構(gòu)架設(shè)計(jì)應(yīng)保證應(yīng)力集中點(diǎn)或疲勞裂紋產(chǎn)生點(diǎn)出現(xiàn)在較容易檢測的位置。這就要求構(gòu)架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免內(nèi)部區(qū)域成為薄弱環(huán)節(jié)，高應(yīng)力區(qū)盡量處于構(gòu)架外部母材上。箱型梁構(gòu)架較高應(yīng)力均出現(xiàn)在母材上。

本文通過分析計(jì)算得到的有關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論，希望能為后續(xù)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型提供理論參考依據(jù)。

［1］王建斌.高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［D］.西南交通大學(xué)博士論文.

［2］UIC 615-4，《動(dòng)力車—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》［S］.

［3］TB/T 2637-2008，《鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動(dòng)臺》［S］.

［4］張衛(wèi)華.高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)的創(chuàng)新研究［J］.中國工程科學(xué).2009，11（10）∶8-17.

U463.33

A

1006-8686（2016）04-0020-03