副構架直線電機車輛轉向架徑向裝置連接方式強度研究

蔣秋林 王蓮芝

(1.武漢鋼鐵(集團)公司運輸部，430083，武漢;2.蘇州大學城市軌道交通學院，215317，蘇州∥第一作者，高級工程師)

直線電機車輛的牽引力是在車載定子和感應軌間直接產生，不需齒輪傳動裝置，因而減少了轉向架的質量;其車輪僅起支撐承載作用，不傳遞牽引力，因而不再受到輪軌粘著因素的制約。非粘著的牽引模式使其具有較好的爬坡能力，并能在惡劣的環境和軌面條件下保持良好的性能。直線電機車輛線路的最大坡度可達60‰。從動力學性能方面看，直線電機車輛轉向架多采用徑向轉向架，提高了車輛的曲線通過性能。目前使用直線電機車輛的線路其最小曲線半徑可到80 m。此外，該種車輛還可降低曲線區段輪軌的磨耗，且車輛重心低，運行平穩性好。副構架交叉桿式徑向結構直線電機車輛轉向架是眾多直線電機車輛徑向轉向架的一種實現形式［1－4］。

副構架交叉桿式徑向結構直線電機車輛轉向架能很好地增強車輛的曲線通過性能［4－6］。但在實際運行中，載荷及振動情況十分復雜，如果副構架與軸箱/軸的連接方式不適當的話，會對徑向裝置的結構產生很大的影響［7］。采用該種徑向結構形式的某型貨車轉向架就曾經在副構架與軸箱連接處出現過裂紋［8］。為此，本文在對該型轉向架進行簡單介紹之后，將對其徑向裝置的連接方式及其在運行過程中不同連接形式下連接處應力進行較深入的研究分析。

1 副構架轉向架及其徑向裝置結構

1.1 副構架交叉桿直線電機車輛轉向架

軸箱內置式副構架交叉拉桿自導向直線電機車輛徑向轉向架結構如圖1所示。該轉向架主要結構特點為:①一系采用內置軸箱定位裝置，跨距小;采用錐形橡膠彈簧與圓錐形橡膠堆進行定位與懸掛，結構簡單實用。②直線電機懸掛方式選用5點軸箱懸掛，電機通過5根吊桿懸掛在前后軸的軸箱上，氣隙穩定。③徑向導向裝置采用副構架交叉桿式自導向機構，通過合理的副構架參數設置，能保證轉向架在直線上具有較高的臨界速度，又能使車輛通過曲線時輪對趨于徑向位置，減小輪軌之間的磨耗與噪聲。④轉向架無心盤、搖枕、搖動臺，完全由空氣彈簧承載全部的車體自重及載重;構架是采用高強度結構鋼板和無縫鋼管組焊而成的H型構架，構架側梁為箱形封閉斷面的U型梁。⑤基礎制動采用外置盤形制動裝置，便于更換和維修，并加裝磁軌制動機用作緊急制動。

1.2 副構架徑向裝置

副構架直線電機車輛轉向架的徑向裝置采用兩根相互不連接的交叉桿將兩副構架耦合起來，副構架通過螺栓連接與副構架座相連，副構架座抱在軸上。這種方式既能讓轉向架的兩個輪對可以相互約束，提高車輛的蛇行臨界速度，又能使車輪在通過小半徑曲線時，趨于徑向位置，減小車輪與軌道間的沖角、橫向力以及相互間的磨耗。副構架徑向裝置總體圖如圖2所示。

圖1 副構架交叉拉桿自導向直線電機車輛徑向轉向架

圖2 副構架徑向裝置

設計了如圖3所示的3種連接方式，用以進行軸箱副構架強度和疲勞的分析比較。

1)圖3(a)方案:鑄造結構的U形梁通過螺栓與連接件結合，材料為B+級鋼，連接件的側表面上半圓與軸箱上蓋板焊接;力的傳遞路線由U形架傳到連接件上，然后橫向力經由連接件(圖中B，C面)傳遞給軸箱(圖中A，D面)，縱向力經由連接件傳遞給輪軸使輪對實現徑向位置。副構架需要承受交叉拉桿傳來的交變載荷、連接件的反力以及轉向架振動產生的慣性力。這種連接的優點是將一個較大質量的副構架分散為3個較小質量的組成部分，可減小振動工況下的慣性力;缺點是組件結合的面較多，需要仔細考慮每個連接面的受力。

2)圖3(b)方案:U形梁、連接件上蓋板及軸箱上蓋板均鑄成一體，材料為B+級鋼，縱向力與橫向力都經由一體化的副構架來傳導。此種連接的優點是副構架自身不容易失效;缺點是質量比較大，可能會由于自身振動帶給軸承的沖擊載荷導致軸承失效。

3)圖3(c)方案:軸箱與連接件鑄成一體，材料為B+級鋼，U形副構架尾端通過螺栓與軸箱連接。此種由兩軸箱、U形梁構成的副構架，組成裝置結構簡單，質量分布合理，預計只有螺栓結合處會產生疲勞破壞。

圖3 徑向裝置連接方案

2 副構架3種結構形式的強度研究

2.1 靜強度分析

通過有限元法對圖3所示的3種方案的副構架結構進行分析。首先根據動力學分析得到副構架在運用中所承受的載荷，通過有限元軟件ANSYS進行模擬計算。在有限元模型中，將圖3(a)和圖3(c)方案中的副構架與軸箱的連接螺栓直接同副構架及軸箱考慮為一體，約束施加在軸箱上部±60°的圓弧面上，為固定約束，載荷施加在交叉桿與副構架連接的鉸接孔圓面上。然后，確定其在安全、可靠條件下運用時所允許產生的最大應力和最大變形，并對其結構進行優化設計和分析。

軸箱承受的載荷主要有:①豎向靜載荷(Pst);②豎向動載荷(Pv);③徑向交叉拉桿制動時對副構架結構的同側作用力(F1)，運行時反向作用力(F2);④振動載荷(Pc)。考慮運行實際情況和現有的相關要求，將以上載荷組合為4種工況，如表1所示。

表1 組合工況

由于第4種工況時最接近實際運行情況，且該工況時副構架受力最大，因此選取該工況時進行3種副構架組成方案的強度計算，結果如圖4所示。

3種副構架組成方案的最大應力及出現位置見表2。

圖4 第4種工況靜強度計算結果

表2 副構架最大應力節點

2.2 疲勞分析

為了使計算結果更加貼合實際情況的疲勞載荷工況，加載載荷時間歷程時綜合考慮了運用SIMPACK軟件在相當于美國5級線路譜激擾輸入下時域積分后處理的動力學結果，并對比參照相關車輛試驗數據資料選擇的載荷－時間歷程，如圖5所示。采用疲勞累計損傷理論進行疲勞壽命計算。3種方案的具體疲勞壽命情況見表3。

圖5 疲勞計算載荷－時間歷程

表3 副構架最大應力節點壽命

經過強度及相應的疲勞分析計算，可以得到:①3種結構的副構架靜強度中，方案(b)副構架最大靜應力接近許用應力，容易破壞;(a)、(c)兩方案的副構架組成裝置靜強度安全裕量較大。②3種副構架的螺栓連接處以及副構架連接臂處為應力集中部位，在設計和制造中需要引起注意。③采用副構架連接臂與軸箱側板焊接結構的副構架(方案(a))，其焊接處存在應力集中的情況，動應力變化很大，容易疲勞失效。④采用一體式鑄造的副構架(方案(b))受力最為均勻，但在運行中，這種結構對軸箱軸承的沖擊載荷最大，另外這種結構還會帶來制造困難、對連接件強度要求高等問題。⑤采用一體式軸箱連接臂與U形梁螺栓連接的副構架(方案(c))，不僅受力分布均勻，危險節點的動應力變化最為緩和，疲勞壽命最長，而且便于裝配，對軸箱軸承的沖擊載荷較小，因此在3種方案中綜合性能最優。

3 結語

在副構架直線電機車輛徑向轉向架其它結構不變的基礎上，給出了軸箱與副構架連接的3種方式，并進行靜強度及疲勞分析。在軸箱副構架3種連接方式中，軸箱與連接件鑄成一體、U形副構架尾端通過螺栓與軸箱連接的方案，其最大應力為3種方案中最小而且具有較大的安全裕量;同時，一體式軸箱連接臂與U形梁螺栓連接形式的副構架，其受力均勻，危險節點動應力變化平緩，疲勞壽命長，對軸箱軸承的沖擊載荷較小，為3種方案中的最優。

［1］ 魏慶朝，蔡昌俊.直線電機輪軌交通概論［M］.北京:中國科學技術出版社，2010.

［2］ 范瑜，李文球，楊中平，等.國外直線電機輪軌交通［M］.北京:中國科學技術出版社，2010.

［3］ 胡用生，萬庸寶，楊利軍.直線電機徑向轉向架在城市軌道交通中的應用［J］.城市軌道交通研究，1998(3):52.

［4］ 張濟民，周力，王永強，等.交叉桿結構的副構架式徑向轉向架動力學性能研究［J］.城市軌道交通研究，2011(2):17.

［5］ 張濟民，周和超，胡用生.副構架直線電機轉向架車輛動力學及振動研究［J］.振動與沖擊，2008，27(12):164.

［6］ Smith R E.North America Tries out Self-Steering Bogies［J］.Railway Gazette International，1986，142(10):750.

［7］ 韓金剛，傅茂海，卜繼玲，等.轉K7型轉向架副構架優化設計［J］.鐵道機車車輛，2009(12):10.