德黑蘭地鐵轉向架構架結構強度淺析

（長春軌道客車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130062）

1 德黑蘭地鐵轉向架結構概況

2007年7月17日伊朗合資企業TWM公司和北方公司正式簽署了455輛地鐵整車合同。根據合同要求，研發了該轉向架，并完成了轉向架零部件的結構設計、優化及施工設計。該轉向架采用模塊化設計理念，是一種新型轉向架，也是最早開始研制并出口伊朗德黑蘭的軸盤制動轉向架。

德黑蘭地鐵轉向架的最大運營速度80 km/h。轉向架主要組成部分有構架、輪對軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、基礎制動裝置、驅動裝置和天線梁等。德黑蘭地鐵轉向架采用軸裝式盤型制動、圓錐疊層橡膠彈簧定位、緊湊式結構設計的驅動裝置。轉向架分為兩種結構相似的動車轉向架（見圖1）和拖車轉向架（見圖 2）。

圖1動車轉向架

圖2拖車轉向架

1.1 構架結構特點

轉向架構架主要由側梁、橫梁、端梁以及各種吊座組成。側梁采用鋼板焊接結構，橫梁、端梁采用無縫鋼管結構。動車構架和拖車構架都屬于H型構架，其主體結構完全相同，如側梁和橫梁無縫鋼管的尺寸是相同的，主要區別是根據各自所安裝的設備的不同而有所差別，如動車構架設有電機、齒輪箱吊座。動車構架和拖車構架組成見圖示。

構架側梁由上蓋板、下蓋板和立板焊接而成的箱形結構。根據結構需要焊接了空氣彈簧座板、一系簧座等。空氣彈簧座板面下降了25mm，使轉向架具有更強的適應性。橫梁主要由無縫鋼管、縱向梁、牽引拉桿座等零部件組成，動車構架上的電機、齒輪箱吊座都采用了新型結構。

新型結構增加了焊接型構架端梁，提高了構架的整體剛度，將一階點頭頻率由35 Hz提升到44.8 Hz.構架的強度設計和試驗參照JISE 4207-2004鐵路車輛轉向架設計方法、JISE 4208-2004鐵路車輛轉向架載荷試驗方法、UIC515-41987鐵路客車非動力轉向架滾動軸承構架強度試驗規范、UIC615-41994鐵路客車動力轉向架滾動軸承構架強度試驗規范。同時參照BS7608標準對焊縫強度進行評估。

1.2 主要技術參數

主要技術參數見表1.

表1主要技術參數

1.3 與國內外同類技術綜合比較

運行速度達到80 km/h，德黑蘭地鐵轉向架在國內屬于首創。與目前國內的同類產品比較，本次設計中焊接結構按照EN15085標準執行，提高了結構強度。增加了停放制動和防滑器，為車輛的安全使用提供了更高的可靠性。采用新型空氣彈簧，提高了車輛的舒適性。

與國外產品相比較，本次設計的根據是原有伊朗地鐵轉向架平臺及國內B型地鐵轉向架平臺的優化，新型轉向架性能優越,非常適合時速100 km以下軌道車輛的運用，對國內城鐵盤型制動轉向架新產品的研制起到了積極的作用，具有較強的市場競爭力。

2 構架結構優化及強度對比分析

2.1 動車構架

根據對伊朗地鐵車轉向架構架在線路上進行動應力測試的結果，拖車構架結構滿足安全運用450萬公里要求，動車構架的側梁下蓋板與端梁連接部（M6）、天線座與端梁連接部（M5，M13）、制動吊座與端梁連接部（M14）不能滿足安全運行450萬km要求，動車構架其余部位可滿足要求。貼片位置情況見圖3動車構架仰視圖。

圖3動車構架仰視圖⑴

2.2 載荷工況⑵

利用FEA模擬仿真進行計算，使用ANSYS軟件，根據JISE 4207標準，經初步計算發現端梁結構確實存在應力集中點和高應力區，各個位置的計算載荷大致如下：

（1）垂向載荷

空簧座處的垂向靜載荷=（空車重量+最大載重-2×簧下質量）g/4

經計算每空氣彈簧座上的垂向載荷為115.15 kN。

（2）制動載荷

由制動產生的切向摩擦力f=FN×0.3

F為常用制動閘片夾緊力，每個制動盤的夾緊力為24kN；

經過計算，制動載荷為14.4 kN。

（3）制動缸慣性載荷=制動缸質量×a

制動缸質量為74 kg，垂向加速度10g，橫向加速度5g，縱向加速度5g.

所以制動缸的慣性載荷分別是：

垂向慣性載荷（垂向向下）為：74×10g=7.25 kN

橫向慣性載荷（坐標軸正向）為：74×5g=3.63 kN

縱向慣性載荷（坐標軸正向）為：4×5g=3.63 kN

（4）構架自身的慣性載荷 =構架質量 ×5g(垂向向下)。

（5）天線部件慣性載荷=天線部件質量×a

天線部件質量7.5 kg，則

垂向慣性載荷（向下）為：7.5×20g=1.47 kN，

橫向慣性載荷（坐標軸正向）為：7.5×10g=0.74 kN，

縱向慣性載荷（坐標軸正向）為：7.5×10 g=0.74 kN。

（6）扭轉載荷

在轉向架對角車輪位置施加固定位移來模擬扭轉載荷。

斜對稱載荷=軸距×5‰=11 mm

因此在對角車輪位置施加11 mm的垂向位移或相應載荷。

（7）縱向載荷=空簧座處靜載荷 ×0.3

（8）電機載荷

電機垂向動載荷=（牽引電機質量＋聯軸器質量）×（1± 5）g

電機橫向動載荷=（牽引電機質量＋聯軸器質量）×4g

電機縱向動載荷=（牽引電機質量＋聯軸器質量）×3g

（9）齒輪箱吊座載荷（驅動載荷）

驅動裝置垂向慣性載荷=驅動裝置重量×1/3×10g

牽引力矩載荷 ＝電機牽引力矩×（1＋ρ）/l

其中，ρ為傳動比，l為齒輪箱吊桿中心距車軸中心線的正交距離的正交距離。

2.3 評估標準[3]

根據日本JISE4-207標準和做動應力測試時采用的疲勞極限值，要求母材結構的疲勞應力小于150 MPa，焊縫區的疲勞應力值應小于70 MPa.

2.4 結構優化及對比分析

針對端梁結構的薄弱部位和大應力區，進行了多次結構優化和改進，制作了幾種優化方案，經過強度計算分析，優化后的端梁結構應力值都有了明顯的降低，大部分方案中最大應力值能降低在許用應力附近，從中我們選取了最優方案，其計算應力均在許用應力以下，能夠滿足強度計算條件。構架原結構和優化結構的M6、M13應力云圖分別見圖4至圖7。

圖4原結構M 6應力云圖[2]

圖5原結構M 13應力云圖[2]

圖6優化結構M 6應力云圖[2]

圖7優化結構M13應力云圖[2]

強度計算分析對比見表2.

表2強度計算分析對比[2]

3 分析結論

（1）原結構下，天線支架后蓋板與圓管焊縫接頭（靠近制動吊座端）應力值達到70.247 MPa，超過了疲勞極限69 MPa，端梁上其他各應力集中點等效應力值也基本都在60 MPa以上，接近許用強度極限，安全裕量較小。

（2）經過結構改進之后，最大等效應力值為61.649 MPa（發生在制動吊座與端梁圓管連接焊縫），次大應力值為53.245 MPa（發生在側梁蓋板與端梁圓管焊縫接頭)，其他部位均在50 MPa以下，改進效果明顯，結構安全裕量較大。

4 結束語

對優化后的伊朗德黑蘭地鐵轉向架構架進行靜強度、疲勞強度和模態分析計算。計算載荷和強度評估方法依據“EN13749”“UIC615-4”和“JISE4207”標準進行確定，結構應力計算采用hypermesh8.0和ANSYS11.0軟件完成。結果表明，優化后的轉向架構架靜強度和疲勞強度均滿足要求，且構架的第一階固有頻率為40.457 Hz，振型為兩側梁反向點頭。

[1]王斌杰.伊朗455輛盤形制動轉向架動應力測試報告[R].北京:交通大學結構強度檢測實驗室2011.

[2]吉 林，賈 昭.伊朗455盤型制動轉向架構架靜強度、疲勞強度和模態分析報告[R].吉林：轉向架開發部，2011.

[3]陳秉智.轉向架構架靜強度和疲勞強度分析[R].大連:大連交通大學機械工程研究所，2011.