基于SolidWorks的高速車輛轉向架構架研究與試驗

雒 琦, 許鵬善, 田 斌, 王詠梅, 閆紅強, 牟曉斌

(1.甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070; 2.白銀礦冶職業技術學院，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

隨著社會的發展和生活質量的改善，人們對于出行的便利性有了更高更舒適的要求，在此時代發展和市場需求的背景下，作為現在人們出行最便捷且大眾化以及貨物運輸使用最廣泛、最可靠的交通工具，鐵路運輸肩負著我國客貨運主要任務的重擔。為了適應我國快速發展的經濟以及安全、快捷的出行和大批量貨物運輸的要求，高速車輛的性能提高有著重要的意義。

作為車輛的主要運行部件，轉向架用于承載車體重量、保證牽引動力以及傳遞載荷等[1]，主要由構架、一系懸架、二系懸架、軸箱、牽引制動以及輪對等組成，其結構性能的優劣和構架的強度，對于車輛的運行品質、性能以及列車安全和輪軌磨耗有著至關重要的影響，是高速車輛開發運用的關鍵之所在。

筆者在借鑒國內外對于高速車輛轉向架構架開發研究的基礎上，設計了一種兩軸式轉向架構架[2]，構架呈“日”字形結構，采用箱型梁焊接方式，充分運用三維設計軟件SolidWorks[3]對所設計轉向架構架進行三維建模，讓其具有結構簡單、加工方便、輕量化的特點，在此基礎上，對構架三維模型進行有限元[4]強度分析[5]，確保構架強度滿足高速車輛運行的要求，為鐵路運輸的快速發展奠定堅實的基礎。

1 轉向架構架設計參數及三維建模

1.1 構架結構設計及技術參數的確定

構架作為轉向架的骨架，將軸箱、彈簧懸掛、牽引、制動裝置以及輪對、電機等零部件銜接在一起，整合成一個轉向架整體，既承載著車體及各部件的重量，也承受來自各個方向的載荷和傳遞各種車體與輪軌間的作用力，所以，在設計構架的時候，要選擇合理的結構形式、尺寸參數、工藝精度及各附屬零部件的安裝定位方式，保證構架具有足夠的強度以及轉向架內部各零部件與構架的相互準確定位與相應的運動關系。

針對本文所設計轉向架構架，應滿足以下方案要求：

(1) 橫梁、側梁、端梁的結構域連接以及與車體、軸箱的支承結構滿足設計要求。

(2) 構架各個零部件的設計符合標準，組裝成型的各部分及構架整體完美銜接、結構合理，形狀、尺寸滿足設計規范。

(3) 構架整體強度經校核，滿足高速車輛的運行條件。

(4) 考慮構架的加工工藝，滿足設計工藝性的要求。

對于構架的主要輪廓尺寸，依據所設計構架的軸距、軸箱裝置、輪對及支座的安裝位置等相關技術參數確定，兩端梁中心線的間距由基礎制動裝置所安裝的位置確定，兩側梁中心線的間距由軸型確定，其中心線與軸徑中心線吻合。構架斷面尺寸及壁厚根據轉向架承載重量及承受載荷確定，使構架在承重和受力過程中受力均勻、變形量小，另外便于焊接。其主要尺寸參數如表1、2所列。

表1 轉向架構架主要技術參數

表2 轉向架構架斷面尺寸及壁厚 /mm

1.2 轉向架構架的三維建模

利用SolidWorks三維軟件對所設計兩軸式轉向架構架進行了結構優化并建立了相應三維模型，圖1為轉向架構架整體三維模型圖，圖2為轉向架構架主要構件三維模型圖，從圖中可知，構架主要由一根橫梁、兩根端梁、兩根側梁及附屬支座構成，橫梁和側梁選擇封閉的箱型結構，端梁采用工字型結構，焊接成的整體構架呈“日”字形。另外，為保證構架的安全性和強度要求，在焊接過程中，主要受力點的焊縫盡量錯開，避免應力集中，以及通過加強筋板來增加梁的強度。

圖1 轉向架構架整體三維圖

圖2 轉向架構架主要構件三維圖

2 轉向架構架受力分析

前文提到，轉向架構架作為支承車體和附屬零部件及傳遞車體與輪軌間的各種作用力的載體，承受來自車體、輪軌以及轉向架內部的各種載荷，下面對所受載荷進行計算分析。

(1) 垂向載荷

首先計算作用在轉向架上的載荷Fz1：

Fz1=(nb·m0-mt)×9.81(kN)

式中：m0為轉向架允許軸重，m0=12 t；nb為每臺轉向架的軸數，nb=2；mt為轉向架自重，mt=6.92 t。

則：Fz1=167.55(kN)

其次計算作用于構架上的載荷Fz2：

Fz2=(Fz1+mt1·9.81)/n0(kN)

式中：mt1為轉向架附屬零件質量之和，包括構架自重，mt1=mt/2=3.46 t；n0為平行受力構件的計算數目，n0=1。

則：Fz2=201.49(kN)

(2) 斜對稱載荷

對于轉向架構架，由于軌道的高低不平順及構架本身原因，引起構架對角受力不均，同時在垂向載荷的作用下，會產生斜對稱載荷。經推導，斜對稱載荷Fk為：

Fk=(1/4)(2l2z/2l1)[K1·K2/(K1+K2)] (kN)

式中：K1為彈簧剛度，K1=1.535×106N/m；K2為構架扭轉剛度；l1為輪對間距之半，l1=746.5 mm；l2為輪對軸徑中心線的距離之半，l2=965 mm；Z為車輪上升或下降的值，取為Z=20 mm。

由于K2遠大于K1，則：

Fk=6.46K1=9.92(kN)

3 轉向架構架有限元仿真分析

3.1 構架有限元分析模型的建立

基于ANSYS有限元軟件，建立了構架分析模型。由于構架由封閉的箱型梁組成，在建模時可采用薄板單元按實際尺寸創建，網格劃分的疏密可依據構架各部分載荷大小及焊縫位置決定。對所設計構架模型網格劃分，共有20 225個薄板單元和27 848個節點，如圖3所示。

圖3 構架的有限元計算網格模型

3.2 載荷施加及結果分析

針對所設計轉向架構架，在考慮垂向載荷和斜對稱載荷工況下，分別進行載荷施加，分析構架的變形情況，其中，垂向載荷施加于構架側梁彈簧支座及橫梁上，斜對稱載荷施加于構架兩對角位置，其變形云圖如圖4、5所示。

圖4 構架在垂向載荷作用下的變形云圖

圖5 構架在扭曲載荷作用下的變形云圖

通過兩種載荷作用下的變形云圖分析可知，構架沒有出現應力集中的現象，變形量很小。當施加垂向載荷時，應力最大區域出現在橫梁與側梁的連接處，最大應力值為75.0 MPa；當施加斜對稱載荷時，最大應力出現在側梁立板安裝座安裝處，最大應力值為98.8 MPa。

所設計構架材料采用16 Mn，其屈服極限強度為225 MPa，安全系數為1.65，許用應力[σ]為136.364 MPa，結果對比可知，構架最大應力小于許用應力，變形量也很小，轉向架構架的強度滿足設計標準，為后期的生產應用提供數據依據。

4 結 語

設計了一種適合我國鐵路運輸高速發展的轉向架構架，構架采用“日”字形箱梁焊接結構，以符合結構簡單、輕量化的設計要求，首先確定了構架的結構設計參數，并通過SolidWorks軟件建立了構架的三維模型，隨后分析了構架的受力情況，并在此基礎上應用ANSYS有限元軟件分析了在不同載荷加載下轉向架構架的變形情況，仿真分析結果顯示，轉向架構架在垂向載荷和斜對稱載荷的加載作用下，其產生的最大應力小于材料許用應力，構架強度滿足設計要求，符合應用于高速車輛的強度條件，為今后我國高速車輛轉向架構架的優化設計提供堅實的理論基礎。