ZMA080型转向架构架的结构特点和试验

陈喜红 王生华 罗华军 陶功安 彭福盈

(1.南车株洲电力机车有限公司,412001,株洲;2.上海轨道交通维护保障中心,200070,上海∥第一作者,教授级高级工程师)

ZMA080型转向架构架的结构特点和试验

陈喜红1王生华2罗华军1陶功安1彭福盈1

(1.南车株洲电力机车有限公司,412001,株洲;2.上海轨道交通维护保障中心,200070,上海∥第一作者,教授级高级工程师)

主要介绍了ZMA080型转向架构架与上海轨道交通1、2号线原 SF2100型转向架构架的主要结构区别,介绍了ZMA080型转向架构架的强度计算结果、疲劳强度试验结果和线路动应力试验结果。计算结果和试验结果均表明ZMA080型转向架构架均满足有关标准要求和国内地铁A型车的运营要求。

地铁车辆;转向架;构架;试验

First-author's addressCSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

上海轨道交通3号线二期车辆采用引进德国西门子技术并由南车株洲电力机车有限公司生产的SF2100改进型转向架。而在原上海轨道交通1、2号线的车辆采用了从国外进口的原SF2100型转向架。SF2100改进型转向架构架是在原SF2100型转向架构架的基础上改进开发而设计的,其构架主体结构型式基本相同,但针对原SF2100转向架构架在运营过程中发生的裂纹部位进行了重点研究和改进设计。

ZMA080型转向架,是南车株洲电力机车有限公司在上海轨道交通3号线二期地铁车辆项目引进SF2100改进型转向架的基础上,通过系统地消化吸收国外的设计、工艺、制造、质量检验等成熟技术和国际先进标准,进行系统集成创新设计与制造的转向架。该转向架适用于国内A型地铁车辆,最大轴重为16 t,最高运营速度为80 km/h,最高运行速度为90 km/h。

ZMA080型(SF2100改进型)构架如图1所示。构架由低合金高强度的钢板通过焊接而形成H形中空梁结构,钢板经表面处理后具有极强的耐腐蚀性,设计寿命为35年。

构架由两根侧梁和中间横梁组成,两根侧梁由中间横梁连接。构架的侧梁在中间降低以便安装空气弹簧,侧梁上有制动单元的安装座。中间横梁上有支撑电机和齿轮箱的托架。转向架构架被支撑在一系人字橡胶弹簧上。

构架的设计和焊接按照德国标准DIN6700焊接体系的要求进行,并进行了焊接工艺评定。

图1 ZMA080型转向架构架

1 ZMA080型与原SF2100型转向架构架的主要结构区别

原SF2100转向架构架发生裂纹部位主要集中在(按发生频次的高低排序):电机安装座,齿轮箱吊挂座,横向止挡安装座等处。以下针对这三个部位发生裂纹的原因及在ZMA080型转向架构架上的改进设计进行重点介绍。

1.1 电机安装座

在原SF2100型转向架构架电机安装座上盖板的圆弧折弯区及两侧隔板,发现大面积贯穿型裂纹。电机安装座结构如图2、图3所示,系由上下盖板及4块8 mm厚的垂直隔板组成箱形结构;其中间两块隔板被1块横向隔板隔断,与构架横梁并不连接。因此,在电机安装座的横向隔板与构架横梁箱形梁的外部立板之间,电机安装座的抗弯截面系数变化太大,造成了应力突变。

图2 原SF2100型转向架构架电机安装座侧视图

图3 原SF2100型转向架构架电机安装座俯视图

ZMA080型转向架构架电机安装座相对原SF2100型转向架构架有较大的设计改进,其结构见图4、图5。虽然中间隔板由原来的2块改为1块,但是中间隔板直接与横梁立板连接,同时将两侧的隔板由8 mm分别增加到14 mm和18 mm;另外,改进了电机下座的结构,使整个电机悬挂部位结构更趋于合理,不仅隔板加强了力的传递能力,而且横梁上盖板与电机安装座过渡结构没有截面突变。经强度计算结果显示,在承受电机竖向10 g、横向5 g以及纵向5 g动载荷的超常载荷工况下,其应力分布见图6所示。从图6中可以看出,最大应力出现在横梁下盖板的圆弧过渡处,其应力值为131.901 MPa,小于16MnDR材料的屈服强度值345 MPa。

图4 ZMA080型转向架构架电机安装座侧视图

图5 ZMA080型转向架构架电机悬挂座俯视图

图6 ZMA080型转向架电机安装座在超常载荷工况下的应力云图

1.2 齿轮箱吊挂梁

在原SF2100型转向架构架齿轮箱吊挂箱的上盖板对接焊缝部位及两侧立板,发现大面积贯穿型裂纹。齿轮箱吊挂梁的结构见图7。齿轮箱吊挂梁也是箱形结构,其上下盖板以及两侧腹板都是 8 mm钢板。由于牵引拉杆座的影响,齿轮箱吊挂梁箱形结构存在偏转,同时存在截面突变。由于齿轮箱吊挂座的上下盖板在同一截面位置均存在对接焊缝,所以运营中经常在上盖板对接焊缝处及两侧立板处发生裂纹。

图7 原SF2100型转向架构架齿轮箱吊挂座

ZMA080型转向架构架齿轮箱吊挂梁相对于原SF2100型转向架构架已有很大的改进,如图8所示。一是延长了构架横向止挡横梁至齿轮箱吊挂座,消除齿轮箱吊挂梁的截面突变,增加了抗弯截面系数;二是将齿轮箱吊挂座承载的箱形结构向外平移,使吊挂梁结构不再存在偏转。在垂向50 kN的超常载荷工况下,其强度计算结果显示的齿轮箱吊挂梁应力分布如图9所示。从图9中可以看出,最大应力出现在齿轮箱吊挂座座体的一块筋板上,其应力值为116.593 MPa,小于ZG20SiMn材料的屈服强度值295 MPa。

1.3 横向止挡安装座

原SF2100型转向架构架横向止挡安装座的结构见图10。横向止挡安装座由6块厚度为8 mm的钢板拼焊而成,在前面加焊左、右定位块,在后面焊有横向止挡座用的紧固螺栓的长方形挡块。

ZMA080型转向架构架横向止挡安装座与上海轨道交通1号线车辆转向架的横向止挡安装座相比有了很大的改进,其结构见图11。首先是将中间拼焊而成的主要承载部分改为整体锻造成形经机械加工而成的横向止挡座体;横向止挡座除2块小筋板厚度为8 mm,其余部分的厚度都超过10 mm。在承受124.6 kN的超常载荷工况下,其强度计算结果显示的应力分布如图12所示。从图12中可以看出,最大应力出现在横向止挡座体中间孔的顶部,其应力值为179.671 MPa,小于16MnDR材料的屈服强度值345 MPa。

图8 ZMA080型转向架构架齿轮箱吊挂座

图9 ZMA080型转向架齿轮箱吊挂座在超常载荷工况下的应力云图

图10 原SF2100型转向架构架横向止挡安装座

图11 ZMA080型转向架构架横向止挡横梁及座体

图12 横向止挡座安装座应力云图

ZMA080型转向架构架相对于上海轨道交通1、2号线原SF2100型转向架构架在电机安装座、齿轮箱吊挂座和横向止挡安装座都进行了改进。从目前的ZMA080型转向架构架计算结果来看,这三者在超常载荷工况下的静强度是安全的,其疲劳强度也是安全的。

2 ZMA080型转向架构架的强度计算

在ANSYS有限元分析软件中,针对构架基本由钢板组焊而成的结构特点,构架的主要板件离散成为三维壳单元,部分安装座离散成三维实体单元,一系簧安装座根据实际受力情况离散成纵向、横向和竖向弹簧单元,以便较好地模拟实际情况。ZMA080型转向架构架有限元计算模型见图13。

2.1 ZMA080型转向架构架载荷组合工况

在参照西门子的构架强度计算报告和国内相关院校计算报告的基础上,对ZMA080型转向架构架按照UIC 615-4《动力车-转向架和走行部-转向架构架强度试验》和《上海轨道交通4号线二期工程地铁车辆技术规格书》的要求,对竖向载荷、横向载荷、纵向载荷以及轨道扭曲进行组合,组合了15种工况,详见表1。现对表1说明如下:

图13 ZMA080型转向架构架有限元模型图

1)α为侧滚系数,β为浮沉系数,Fz和 Fze为构架每侧所受竖向载荷,Fy和Fye为构架所受横向载荷,Fx为构架所受纵向载荷,F5g为构架所受冲击载荷;

2)工况1模拟动车静载工况,叠加了电机自重载荷;

3)工况2～13模拟主要运营载荷工况,叠加了特殊载荷,包括电机、减振器、制动器等产生的载荷;

4)工况14模拟超常载荷组合工况,叠加了电机扭矩载荷以及电机动载荷;

5)工况15模拟5g冲击载荷工况,叠加了左右侧梁静载荷以及电机自重载荷。

表1 ZMA080型转向架构架计算工况表

2.2 ZMA080型转向架构架强度计算的边界条件

计算模型的边界条件见图14。

2.3 ZMA080型转向架构架强度计算的结果

构架在所有工况下的静强度能满足要求。图15为动车构架在工况14(模拟超常载荷组合工况)下的Top面应力云图。

构架在模拟主要运营载荷工况2～13下的疲劳强度满足要求。图16为动车构架在工况2～13(模拟主要运营载荷工况)下的Top面节点疲劳强度评定Goodman图。

图14 计算模型边界条件简图

图15 在工况14(模拟超常载荷组合工况)下的构架Top面Von Mises应力云图

图16 在工况2～13(模拟主要运营载荷工况)下的构架Top面节点疲劳强度评定Goodman图

3 ZMA080型转向架构架的疲劳强度试验

对ZMA080型(SF2100改进型)转向架构架进行了静强度和疲劳强度试验。疲劳强度试验的加载图如图17所示。

图17 ZMA080型转向架构架的疲劳试验加载图

在疲劳强度试验的第一阶段,动载荷的循环次数为600万次,没有出现裂纹;在第二阶段,动载荷的循环次数为200万次,试验载荷的静力部分不变,准静态部分和动态部分为第一阶段的1.2倍,没有出现裂纹;在第三阶段,动载荷的循环次数为200万次,试验载荷的静力部分不变,准静态部分和动态部分为第一阶段的1.4倍。试验结果符合UIC标准的要求。

4 ZMA080型转向架构架的线路动应力测试

委托西南交通大学于2007年9月在上海轨道交通4号线418号列车的一个ZMA080型(SF2100改进型)动车转向架上进行了动应力测试试验。在构架上计算应力较大的部位,贴了39个单向应变片和11个三向应变片。

动应力测试参照TB/T 2368—2005《动力转向架构架强度试验方法》执行。对应力较大、应力梯度也较大的动应力测点,经过数据处理后给出关键危险测点的应变和应力谱,进行疲劳可靠性评估。

最大主应力测试结果:经分析发现,在所有测点中,应力较大的地方集中在齿轮箱支座处。从运营工况下测得的动应力结果来看,构架的最大主应力均未超过相应材料在运用工况下的许用应力标准。

疲劳强度评定结果:对各测点测试结果的二维应力谱统计结果进行分析,所有测点的测试应力值均在材料和焊缝的Goodman图内,且有比较大的安全裕量,所有测点部位的疲劳寿命均是无限长。

最大主应力和应力幅值均较大的3个测点的结果如表2所示。

5 结语

ZMA080型转向架构架针对上海轨道交通1、2号线原SF2100型转向架构架大批量长期运营过程中发生的裂纹部位进行了重点研究和改进设计,其可靠性已达到稳定;采用了不需要整体退火的焊接工艺,严格按照国际标准,对构架进行了板材的疲劳强度试验、耐低温冲击试验、各种焊接接头的焊接工艺试验,并对整个构架进行了DIN6700的焊接工艺评定;对整个构架进行了静强度计算、疲劳强度校核、疲劳强度试验、线路动应力测试和评估。试验结果均表明,该构架符合标准和技术规范的要求,满足国内地铁A型车的运营需求。

表2 构架动应力测试中应力最大的测点试验结果

[1]陈喜红,王生华,陶功安,等.地铁A型车辆ZM A080型转向架的技术特征[J].城市轨道交通研究,2009(11):8.

[2]彭福盈.SP L2地铁转向架构架静强度和疲劳强度计算报告[R].株机技转(计)第200606号.株洲:南车株洲电力机车有限公司,2006.

[3]西南交通大学牵引动力国家重点实验室.上海明珠线地铁车辆动应力测试报告[R].成都:西南交通大学牵引动力国家重点实验室,2007.

[4]陈喜红.国内外地铁车辆技术的发展趋势[J].电力机车技术,2002,25(6):1.

[5]胡哲夫,罗湘萍.A型地铁车辆新型转向架的研制[J].城市轨道交通研究,2009(3):34.

[6]严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,1999.

Structural Characteristic and Test of Type ZMA080 Bogie Frame for Metro A-type Vehicle

Chen Xihong,Wang Shenghua,Luo Huajun,Tao Gong'an,Peng Fuying

This paperpresents the results of strength calculation,fatigue test and on-line dynamic stress test of ZMA080 bogie frame for metro A-type vehicle,in which the structural differences between the bogie frame of ZMA080 and SF2100 used in Shanghai Metro Line 1&Line 2 are analyzed.The calculation and test results show that ZMA080 bogie frame could meet the requirements of the related standards and the operation in A-type vehicle used in metro lines of China.

metro vehicle;bogie;bogie frame;test

U 270.331

2009-06-18)