城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李宇航 吳斌方 張 貝 張 耀 袁 博

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢城市職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著地鐵、輕軌和有軌電車等城市軌道交通工具的快速發(fā)展，城市軌道交通工程車成了城市軌道交通運維不可或缺的裝備。對于城市軌道交通工程車而言，構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架上各零部件的主要支撐件，承受和傳遞來自軌道和車體各個方向的載荷，對車輛的運行安全起著至關(guān)重要的作用[1]。現(xiàn)有工程車轉(zhuǎn)向架由于構(gòu)架和簧下質(zhì)量大，導(dǎo)致輪軌作用力大，影響車輛的運行性能，因此，為了提高工程的作業(yè)效率，獲得良好的動力學(xué)性能，保證車輛具有安全穩(wěn)定的運行品質(zhì)，以城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象，對其結(jié)構(gòu)進行輕量化優(yōu)化設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)布置更加合理，材料使用更加充分。

1 構(gòu)架的結(jié)構(gòu)

城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由2個側(cè)梁和1個橫梁焊接組成[2]。側(cè)梁采用鋼板焊接圍成的箱型梁結(jié)構(gòu)，以提高側(cè)梁的承載能力；橫梁采用直鋼板箱型梁焊接結(jié)構(gòu)，兩邊斜對稱分布齒輪箱拉臂座。

圖1 城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的二維圖紙在三維建模軟件SolidWorks中建立構(gòu)架的三維模型并對其模型進行簡化。簡化過程中去掉了垂向液壓減振器座和連接環(huán)，填補倒角。將模型保存為.x-t格式，然后導(dǎo)入有限元分析軟件中建立有限元模型。

構(gòu)架的有限元模型中形狀規(guī)則的零件采用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的零件采用四面體網(wǎng)格劃分[2～3]。將模型離散為46710個單元，204398個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 構(gòu)架有限元模型

2.2 材料屬性

由于構(gòu)架主要由Q345B鋼板焊接而成，此材料的參數(shù)屬性為：彈性模量2.10×1011Pa，泊松比0.274，材料密度7860kg/m3，許用應(yīng)力313MPa。

2.3 約束條件

構(gòu)架承受來自車體和軌道各項載荷都要經(jīng)過一系懸掛橡膠彈簧的衰減作用，因此在構(gòu)架的彈簧座板處所對應(yīng)X、Y、Z 3個方向的面上添加彈性支撐來模擬真實彈簧變形[4～5]。彈性支撐的基礎(chǔ)剛度值分別為0.044N/mm3、0.072N/mm3、0.34N/mm3。

2.4 有限元分析結(jié)果

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力云圖如3所示，由應(yīng)力云圖可知，構(gòu)架所承受的最大應(yīng)力為199.14Mpa，遠小于構(gòu)架材料的許用應(yīng)力313Mpa。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)量為1075kg，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行輕量化優(yōu)化設(shè)計。

圖3 構(gòu)架應(yīng)力云圖

3 構(gòu)架輕量化設(shè)計

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量對車輛的動力學(xué)性能有著重要的影響，對構(gòu)架進行輕量化設(shè)計，不僅能提高車輛運行平穩(wěn)性，還可以提高車輛臨界速度和增加通過曲線軌道的靈活性。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的優(yōu)化設(shè)計一般可分為拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化[6]，此次優(yōu)化設(shè)計選用尺寸優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的板厚達到對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行輕量化設(shè)計。

3.1 構(gòu)架優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

文中選取構(gòu)架在轉(zhuǎn)彎工況下的強度計算為基礎(chǔ)，在有限元分析軟件中選擇直接優(yōu)化的方式對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行優(yōu)化設(shè)計。由于構(gòu)架是采用鋼板焊接而成結(jié)構(gòu)，因此選取板厚為設(shè)計變量，構(gòu)架質(zhì)量為目標函數(shù)，最大應(yīng)力值為約束條件，得到構(gòu)架優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。

式中，M(Xi)為構(gòu)架質(zhì)量；σmax為轉(zhuǎn)彎工況的最大應(yīng)力值；Xi為構(gòu)架板厚。

(1)設(shè)計變量

本文選取構(gòu)架側(cè)梁的上蓋板和立板，橫梁的上下蓋板和立板以及制動夾鉗吊座的上下蓋板和立板的板厚作為設(shè)計變量。為了保證優(yōu)化后的構(gòu)架具有足夠的強度，以板厚的±10 %作為設(shè)計變量的上下限。具體尺寸如下：橫梁上蓋板16mm、橫梁下蓋板16mm、橫梁立板10mm、側(cè)梁上蓋板16mm、側(cè)梁立板10mm、制動夾鉗吊座上蓋板16mm、制動夾鉗吊座下蓋板20mm、制動夾鉗吊座立板10mm。

(2)目標函數(shù)

對城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行尺寸優(yōu)化的目的是在構(gòu)架強度滿足要求的前提下減小構(gòu)架板材厚度，從而減小構(gòu)架質(zhì)量，達到輕量化設(shè)計的目的。

(3)約束條件

城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架優(yōu)化后，構(gòu)架側(cè)梁、橫梁和制動夾鉗吊座的板厚減小，構(gòu)架質(zhì)量也會相應(yīng)減少，從而增大了構(gòu)架整體的應(yīng)力水平。為了保證優(yōu)化后構(gòu)架的最大應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力，選取載荷工況中應(yīng)力最大的轉(zhuǎn)彎工況為約束條件[6]。

3.2 構(gòu)架優(yōu)化結(jié)果

通過有限元分析軟件對城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行尺寸優(yōu)化計算，得到構(gòu)架板厚的優(yōu)化值具有多位有效數(shù)字，考慮到實際生產(chǎn)制造的需要，對優(yōu)化結(jié)果進行調(diào)整。調(diào)整后參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)架優(yōu)化前后設(shè)計變量值

優(yōu)化結(jié)果表明：構(gòu)架的質(zhì)量從1075kg減少到1029kg，即構(gòu)架質(zhì)量減少了4.3%，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的輕量化。

3.3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度校核

通過有限元分析軟件的靜強度計算模塊對構(gòu)架模型進行計算，可以得到構(gòu)架在超常載荷工況下的整體應(yīng)力分布情況和應(yīng)力最大位置。因車輛在軌道上運行工況較多，文中只對凹、凸曲線軌道等2種超常載荷工況進行計算，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D所示。

從應(yīng)力云圖中可知，轉(zhuǎn)向架在凹、凸曲線軌道上最大應(yīng)力值分別為208.1MPa、207.92MPa，最大應(yīng)力位置都在側(cè)梁外側(cè)立板圓弧過渡處，小于材料的許用應(yīng)力313MPa，因此，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

4 結(jié)語

利用有限元分析軟件對工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行優(yōu)化設(shè)計，得到構(gòu)架的質(zhì)量為1029kg，相比構(gòu)架初始質(zhì)量減少了47kg，減重比例達4.3%；將優(yōu)化后的構(gòu)架模型進行靜強度校核，得到凹、凸曲線軌道上超常載荷工況的最大應(yīng)力值分別為208.1MPa、207.92MPa，相比優(yōu)化前最大應(yīng)力值有所增長，但仍然小于材料的許用應(yīng)力313MPa，滿足設(shè)計要求，且達到了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架輕量化設(shè)計的目的。

圖4 凸曲線軌道超常載荷工況

圖5 凹曲線軌道超常載荷工況