動車組轉向架構架結構選型設計

盧權

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

動車組轉向架構架結構選型設計

盧權

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

構架作為動車組轉向架的一個關鍵部件，其結構型式直接影響轉向架的安全和壽命。本文選取了既有動車組兩種典型的轉向架構架結構型式箱梁型和管梁型進行研究。通過有限元分析及剛柔耦合動力學分析計算，為后續(xù)動車組轉向架構架結構選型提供理論參考依據。

動車組轉向架；構架；結構選型；分析計算

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.04.008

轉向架設計包含懸掛參數設計和構架結構設計。轉向架懸掛參數決定車輛的動力學性能，而構架所承受的主要動態(tài)載荷是車體振動載荷，定性而言，車輛的動力學性能越好，構架出現疲勞裂紋的概率也越低［1］；構架結構型式決定材料利用率與抗形變能力（廣義剛度）的空間布局，是構架疲勞強度的基礎指標。

轉向架構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接觸點不在一個平面內，此時構架在垂向處于相對“超靜定”約束狀態(tài)，即車輛運行過程中，構架一直處于垂向扭曲支撐狀態(tài)。構架的彈性變形分為主體結構和局部變形，其中主體結構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架上形成；局部變形主要由安裝于構架上的設備慣性載荷對構架局部產生作用。而管梁和箱梁因自身在橫梁結構型上的差異，使得兩種型式構架在低階扭轉剛度存在較大差異，即使采用同樣結構型式的橫梁，不同的整體加強設計也會造成扭轉剛度的差異。

1　結構特點

焊接構架結構型式主要有‘H’型和‘目’字型兩種，高速動車組轉向架采用較為典型的‘H’型構架，其主體結構由側梁與橫梁通過橫側梁連接座拼焊而成。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、空氣彈簧座及轉臂定位座依次焊接在構架的側梁或橫梁上。根據等強度和等剛度設計原則，兩種構架側梁均設計成魚腹箱形結構，由上下蓋板、內外立板、端部立板和內部加強筋板拼焊而成；轉臂定位座對稱的焊接在側梁兩側底部圓弧過渡處；抗蛇行減振器座與側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。電機安裝座、齒輪箱安裝座及制動安裝座等結構焊接到橫梁上。典型的管型梁結構和箱型梁結構如圖1所示：

圖1　管型梁結構和箱型梁結構示意圖

2　計算分析

2.1模態(tài)分析動車組構架的主要作用是承受、傳遞各作用力及載荷，同時為轉向架各零部件提供安裝接口定位，因此構架結構設計需滿足強度及剛度要求。定性而言對彈性體剛度越大，在相同外載一個循環(huán)周期作用下其所存儲釋放的彈性應變能就越小。應變能作為結構變形的總體量度指標，其大小反映了材料的利用率及應力集中程度，因此構架的強度和剛度成為相互關聯設計指標。由柔性動力學仿真建模可知，車體運動動態(tài)載荷與構架垂向彎曲模態(tài)的廣義坐標相關聯，構架扭曲載荷（軌道不平順、車輪不圓度及輪對動不等）與構架扭曲模態(tài)廣義坐標相關聯。因此構架主體的結構設計（除各零部件安裝接口外）可以用垂向彎曲剛度及扭轉剛度做為優(yōu)化指標。本文研究的構架主體結構為‘H’型，在各階振動模態(tài)差異不大的前提下，其各階振型所對應的自振頻率反映了構架的模態(tài)剛度。模態(tài)剛度雖然與垂向彎曲剛度及扭轉剛度的定義不同，但本質上都是彈性變形與載荷的比例關系，因此構架主體結構設計可以用更為直觀的模態(tài)頻率作為剛度優(yōu)化指標。

為了得到兩種結構型式構架是否具有良好的動態(tài)特征，作者對其進行了模態(tài)分析。計算載荷符合UIC 615-4《動力車—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗》［2］及TB/T 2637-2008，《鐵路客車轉向架構架、搖枕及搖動臺》［3］。通過模態(tài)分析獲得了兩種結構型式構架的自振頻率和振型。圖2為兩種結構型式構架的前6階模態(tài)。通過分析可知，對應一階模態(tài)管型梁構架和箱型梁結構構架扭轉模態(tài)頻率分別為39 Hz和51 Hz，而箱型梁構架具有較高的扭曲剛度，對比前6階模態(tài)頻率，箱型梁構架的扭曲剛度都比管型梁構架較高。

圖2　箱梁型與管梁型構架的前6階模態(tài)截圖

2.2動力學分析運用數理方法對管梁型與箱梁型構架進行動力學分析，具體內容見圖3～圖7。

圖3　箱梁型與管梁型構架-剛柔耦合動力學模型

圖4　箱梁型S形曲線通過-模態(tài)坐標時間歷程

圖5　管梁型S形曲線通過-模態(tài)坐標時間歷程

圖6　箱梁型構架疲勞損傷位置

圖7　管梁型構架疲勞損傷位

3　結束語

構架作為動車組轉向架的一個關鍵部件，其結構型式直接影響轉向架的安全和壽命。本文選取了既有動車組兩種典型的轉向架構架結構型式箱梁型和管梁型進行研究。通過有限元分析及剛柔耦合動力學分析可知，箱型梁構架具有較高的扭曲剛度。

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

（2）從制造的角度出發(fā)，構架設計應盡量避免使用疲勞強度較低的角焊縫做為承載焊縫，同時應盡可能保證焊縫有較高的焊接質量。管型梁角焊縫對焊接工藝要求高且焊縫質量不易控制，箱型結構角接焊縫對焊接工藝要求較低，而且比較容易實現自動化焊接，質量可控性較高。設計過程中，應盡量優(yōu)先采用質量可控且易實現自動化的對接焊縫，避免由于焊接缺陷而產生疲勞裂紋。箱型梁構架焊縫設計具有等級優(yōu)勢。

（3）從檢修的角度出發(fā)，構架設計應保證應力集中點或疲勞裂紋產生點出現在較容易檢測的位置。這就要求構架結構應盡量避免內部區(qū)域成為薄弱環(huán)節(jié)，高應力區(qū)盡量處于構架外部母材上。箱型梁構架較高應力均出現在母材上。

本文通過分析計算得到的有關數據和結論，希望能為后續(xù)動車組轉向架構架結構選型提供理論參考依據。

［1］王建斌.高速動車組轉向架構架強度設計與實驗驗證［D］.西南交通大學博士論文.

［2］UIC 615-4，《動力車—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗》［S］.

［3］TB/T 2637-2008，《鐵路客車轉向架構架、搖枕及搖動臺》［S］.

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

U463.33

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1006-8686（2016）04-0020-03