徐祥書，李廣軍，錢佳林

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

CRH2型動車組為動力分布式、交流傳動的電力動車組。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是整個車組結(jié)構(gòu)里面的關(guān)鍵組件，它支撐著車體車廂與乘客重量，轉(zhuǎn)接呈遞各部分載荷及作用力，近年來已有大量研究人員對高速列車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了研究和分析［1］。陳道云等［2］以某型高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為對象,研究了高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷識別與分布特性。智鵬鵬等［3］運用APDL語言建立構(gòu)架的參數(shù)化模型，以先進的方法對構(gòu)架進行結(jié)構(gòu)強度的可靠性分析，對設(shè)計參數(shù)的變化和結(jié)構(gòu)強度進行研究。唐永明等［4］建立實體單元和殼、實體混合的構(gòu)架有限元計算模型，按照強度試驗載荷工況對構(gòu)架進行了強度計算，并對比分析了強度試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果的差異。王洪嬌等［5］根據(jù)有限元分析理論及相關(guān)強度計算標準，建立構(gòu)架計算模型,確定構(gòu)架的載荷工況，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中進行靜強度分析。杜子學(xué)等［6］用hyper mesh建立地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型，確定了在5種工況下構(gòu)架的載荷及邊界約束條件，對構(gòu)架進行結(jié)構(gòu)分析。張凱函等［7］針對西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，采用ANSYS程序模擬計算了西安地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常載荷、特殊載荷、運營載荷工況下的最大應(yīng)力值，并對構(gòu)架各關(guān)鍵點的許用應(yīng)力進行了評估。孔凡國等［8］針對廣州地鐵3號線動車模型，建立三維實體模型，對轉(zhuǎn)向架部分通過有限元分析，進行了超常載荷、模擬運營載荷、模擬特殊運營載荷的計算和分析。王文靜等［9］針對CRH2型動車組動車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架，進行了靜強度和疲勞強度評估。上述文章都是以靜強度分析為主進行轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的分析與研究，為本文提供了仿真實驗和實踐操作的基礎(chǔ)借鑒。王斌杰等［10］以實際運用環(huán)境下對構(gòu)架載荷進行研究，從而提升了構(gòu)架的疲勞可靠性。崔曉芳等［11］用焊接收縮力法和有限元分析軟件對高速動力車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架總成及各組成梁進行焊接變形預(yù)測。張鎖懷等［12］計算了構(gòu)架強度分析的主要載荷，考慮了輔助載荷對疲勞強度的影響，并對靜強度進行了計算與評定，用Goodman疲勞強度極限圖對疲勞強度進行了評定。戰(zhàn)立超等［13］分析了高速動車組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架在不同運用工況下的疲勞強度。張明等［14］建立B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型，基于Workbench的優(yōu)化設(shè)計模塊，對優(yōu)化設(shè)計后的構(gòu)架進行結(jié)構(gòu)強度分析。宋慶偉等［15］針對某項目轉(zhuǎn)向架構(gòu)架使用壽命無法滿足運營要求的情況，通過線路動應(yīng)力測試數(shù)據(jù)時域圖和頻域圖的對比分析，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。上述文章都是以疲勞強度為主對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了分析與研究，為本文的仿真研究和優(yōu)化設(shè)計提供了思路。

上述相關(guān)研究多以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強度分析與研究為主，而針對不同材料在超載工況下的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的對比研究和優(yōu)化設(shè)計相對較少。本文借助CATIA軟件和ANSYS軟件用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345R和鋁合金2024，對CRH2型動車組列車上的SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超載工況下的靜強度進行對比研究，并對其進行優(yōu)化設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的力學(xué)分析

1.1 經(jīng)中央彈簧傳遞的垂直載荷

CRH2型動車屬于非心盤車輛。對于非心盤車輛，車體的載荷通過轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的中央彈簧或兩側(cè)軸承將載荷傳遞至轉(zhuǎn)向架［16］，如圖 1 所示。

圖1 構(gòu)架在垂直載荷作用下的受力情況

1.2 構(gòu)架受力

構(gòu)架在側(cè)向力引起的附加垂直載荷作用下的受力情況如圖2所示。與在垂直靜載荷下的受力不同，圖中處于曲線外側(cè)的4個軸箱彈簧對構(gòu)架的作用力向上，而內(nèi)側(cè)的則向下，每一彈簧作用力的數(shù)值等于。軸箱彈簧對構(gòu)架的作用力系應(yīng)由作用在構(gòu)架搖動臺吊桿銷孔處的Pn力系平衡，即

圖2 側(cè)向力載荷作用下的受力情況

式（1）中，t為構(gòu)架搖動臺吊桿銷孔間的橫向水平距離，單位為m；b2為輪對兩軸頸中心線間的水平距離，單位為m；Pf為彈簧的作用力，單位為N。

1.3 垂直斜對稱載荷

垂直斜對稱載荷是一組垂直作用在構(gòu)架軸箱部位的自相平衡的力系，此力系對于構(gòu)架的縱向和橫向中心平面均呈反對稱分布，如圖3所示。

圖3 垂直對稱載荷情況

根據(jù)實踐經(jīng)驗，通常把許多因素的綜合影響看成轉(zhuǎn)向架上某一車輪在軌道上升或下沉一個值，而其他因素均認為是正常的。經(jīng)過分析和推導(dǎo)，得到垂直斜對稱載荷（N）的計算公式為

式（2）中：K1為一個軸向彈簧的總剛度，單位為N/cm；K2為構(gòu)架抵抗垂直斜對稱載荷的剛度，單位為N/cm；b1為輪對兩軸頸中心線之間的水平距離，單位為cm；b2為輪對兩軸頸中心線間的水平距離，單位為cm。

2 構(gòu)架模型結(jié)構(gòu)及有限元分析

2.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模型

2.1.1 構(gòu)架的類型、連接以及尺寸

H型構(gòu)架的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、方便檢修、自身重力小，能夠符合不同軌道車輛的設(shè)計要求。構(gòu)架與車體通過空氣彈簧連接，對列車運營的平穩(wěn)性及舒適性起到關(guān)鍵作用；構(gòu)架與軸箱通過圓錐橡膠彈簧連接，使得力最先作用于圓錐橡膠彈簧上，具體尺寸如表1所示。

表1 構(gòu)架具體尺寸 單位：mm

2.1.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的總體骨架結(jié)構(gòu)，通過焊接，將兩個側(cè)梁、兩個連接梁、兩個橫梁和空氣彈簧支撐座連接，焊接成H型，構(gòu)架組成如圖4所示。

圖4 構(gòu)架裝配圖

2.2 有限元分析流程

利用計算機三維人機交互軟件CATIA建立模型，用ANSYS Workbench對構(gòu)架是否合格進行驗證，具體流程如圖5所示。從圖中可見，只需根據(jù)計算原理確定CATIA三維模型、準備原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的整理和分析，其余的步驟都可以由計算機軟件來完成。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)分析流程圖

（1）結(jié)合工程學(xué)原理，運用CATIA三維軟件建立并分析車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型。

（2）利用ANSYS Workbench進行原始數(shù)據(jù)的輸入和模型求解的定義。

（3）通過ANSYS Workbench進行結(jié)果的整理和判斷，若評估合格，則設(shè)計完成，輸出CATIA構(gòu)架模型；否則，返回修改構(gòu)架模型。

2.3 數(shù)據(jù)準備

2.3.1 材料信息

將CATIA中建立的地鐵座椅模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后輸入材料屬性。本文對兩種不同材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行對比分析，在前期處理時輸入相應(yīng)材料的彈性模量和泊松比，其中鋁合金與碳素鋼的材料屬性如表2所示。

表2 碳素鋼Q345R與鋁合金2024的材料屬性

2.3.2 載荷計算

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標準UIC615-4，可以得到15種不同工況條件，包括2種超常載荷條件和13種模擬運營工況載荷條件［17］。限于篇幅，本文選擇其中一種超常載荷條件工況進行分析。下面是該超載載荷計算過程：

（1）計算超載運營時的基本垂向力：

式（3）中：Fz為運行時的基本垂向力，單位為N；g為重力加速度，取9.8 m/s2；mv為運行階段空車質(zhì)量，取35 880 kg；c2為額定載員質(zhì)量，取19 200 kg；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，取7 500 kg；nb為單個車廂下轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取nb=2。

（2）計算超載運營時的基本橫向力：

式（4）中：Fy為運行時轉(zhuǎn)向架承受的橫向力，單位為N；c1為額定載員質(zhì)量，取24 160 kg；ne為每臺轉(zhuǎn)向架的輪對數(shù)量，取ne=2。

（3）計算垂直斜對稱載荷。根據(jù)文獻［18］在超常工況下的斜對稱載荷，可得垂向斜對稱載荷約為10 kN，使得在對角同向施加的運營載荷模擬量p=10kN。

3 構(gòu)架模型靜力學(xué)分析

3.1 施加約束與載荷

在邊界條件處理上，采用ANSYS中智能劃分網(wǎng)格的方式劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元網(wǎng)格模型如圖6所示?？紤]到車體與轉(zhuǎn)向架安裝的實際情況，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)梁底面添加四個面施加固定約束（Fix Support），并在彈簧支撐座表面施加相應(yīng)超載工況的垂直載荷，在側(cè)梁側(cè)面施加橫向載荷并模擬垂直斜對稱載荷，如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖7 載荷和邊界條件模型

3.2 計算結(jié)果及分析

通過ANSYS軟件進行有限元分析計算，得到SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型的位移圖和應(yīng)力圖，如圖8～11所示。從圖8和圖9可知，碳素鋼Q345R的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形和最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的彈簧支撐座最外側(cè)和側(cè)梁的圓角處；從圖10和圖11可以看出，鋁合金與碳素鋼Q345R的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形和最大應(yīng)力的位置相同。由表3可知，兩種材料在相同的超載工況下，滿足JISE4207標準，且鋁合金的最大變形量大于碳素鋼Q345R，最大應(yīng)力小于碳素鋼Q345R。

表3 碳素鋼Q345R與鋁合金2024的結(jié)果比較

圖8 碳素鋼Q345R構(gòu)架位移圖

圖9 碳素鋼Q345R構(gòu)架應(yīng)力圖

圖10 鋁合金2024構(gòu)架位移圖

圖11 鋁合金2024構(gòu)架應(yīng)力圖

3.3 優(yōu)化設(shè)計

通過ANSYS軟件有限元分析計算，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁的圓角處，通過觀察發(fā)現(xiàn)，圓角處不夠平滑，然后進行優(yōu)化將圓角變平滑來減小最大應(yīng)力和最大變形量，得到SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型的位移圖和應(yīng)力圖，此處僅以鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行分析，分析結(jié)果如圖12和圖13所示。由表4可以看出，構(gòu)架優(yōu)化后滿足JIS E 4207標準，且優(yōu)化后的鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大變形量減少了2.482%，優(yōu)化后的鋁合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大應(yīng)力減少了13.496%。

表4 鋁合金2024構(gòu)架優(yōu)化后結(jié)果比較

圖12 優(yōu)化后鋁合金2024構(gòu)架位移圖

圖13 優(yōu)化后鋁合金2024構(gòu)架應(yīng)力圖

4 結(jié)論

對于CRH2型動車組列車上的SKMB-200型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架而言，其在運行的過程中受力情況復(fù)雜，對尺寸參數(shù)的選擇也比較嚴格。本文利用城市軌道交通車輛關(guān)鍵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度分析與計算做出基礎(chǔ)理論分析，并通過三維建模和有限元分析分別對不同材料在超載工況下進行了強度校核，得出以下結(jié)論:

（1）經(jīng)過計算得出在同種超載工況下，碳素鋼Q345R的最大應(yīng)力大于鋁合金2024，但都小于許用應(yīng)力；鋁合金的最大變形量大于碳素鋼Q345R，但都不超過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的安全變形量；兩種材料作為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強度均能滿足標準要求。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了重量、耐腐蝕性和最大應(yīng)力等綜合性能，鋁合金2024可以作為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料更好的選擇。

（2）通過三維建模和有限元分析，能夠更直觀地對不同材料在超載工況下進行對比分析，然后用于優(yōu)化設(shè)計中。在確保構(gòu)架強度合格的條件下，得出平滑的面可以有效減小零件的最大應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的使用壽命。