德黑兰地铁转向架构架结构强度浅析

（长春轨道客车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130062）

1 德黑兰地铁转向架结构概况

2007年7月17日伊朗合资企业TWM公司和北方公司正式签署了455辆地铁整车合同。根据合同要求，研发了该转向架，并完成了转向架零部件的结构设计、优化及施工设计。该转向架采用模块化设计理念，是一种新型转向架，也是最早开始研制并出口伊朗德黑兰的轴盘制动转向架。

德黑兰地铁转向架的最大运营速度80 km/h。转向架主要组成部分有构架、轮对轴箱装置、悬挂装置、牵引装置、基础制动装置、驱动装置和天线梁等。德黑兰地铁转向架采用轴装式盘型制动、圆锥叠层橡胶弹簧定位、紧凑式结构设计的驱动装置。转向架分为两种结构相似的动车转向架（见图1）和拖车转向架（见图 2）。

图1动车转向架

图2拖车转向架

1.1 构架结构特点

转向架构架主要由侧梁、横梁、端梁以及各种吊座组成。侧梁采用钢板焊接结构，横梁、端梁采用无缝钢管结构。动车构架和拖车构架都属于H型构架，其主体结构完全相同，如侧梁和横梁无缝钢管的尺寸是相同的，主要区别是根据各自所安装的设备的不同而有所差别，如动车构架设有电机、齿轮箱吊座。动车构架和拖车构架组成见图示。

构架侧梁由上盖板、下盖板和立板焊接而成的箱形结构。根据结构需要焊接了空气弹簧座板、一系簧座等。空气弹簧座板面下降了25mm，使转向架具有更强的适应性。横梁主要由无缝钢管、纵向梁、牵引拉杆座等零部件组成，动车构架上的电机、齿轮箱吊座都采用了新型结构。

新型结构增加了焊接型构架端梁，提高了构架的整体刚度，将一阶点头频率由35 Hz提升到44.8 Hz.构架的强度设计和试验参照JISE 4207-2004铁路车辆转向架设计方法、JISE 4208-2004铁路车辆转向架载荷试验方法、UIC515-41987铁路客车非动力转向架滚动轴承构架强度试验规范、UIC615-41994铁路客车动力转向架滚动轴承构架强度试验规范。同时参照BS7608标准对焊缝强度进行评估。

1.2 主要技术参数

主要技术参数见表1.

表1主要技术参数

1.3 与国内外同类技术综合比较

运行速度达到80 km/h，德黑兰地铁转向架在国内属于首创。与目前国内的同类产品比较，本次设计中焊接结构按照EN15085标准执行，提高了结构强度。增加了停放制动和防滑器，为车辆的安全使用提供了更高的可靠性。采用新型空气弹簧，提高了车辆的舒适性。

与国外产品相比较，本次设计的根据是原有伊朗地铁转向架平台及国内B型地铁转向架平台的优化，新型转向架性能优越,非常适合时速100 km以下轨道车辆的运用，对国内城铁盘型制动转向架新产品的研制起到了积极的作用，具有较强的市场竞争力。

2 构架结构优化及强度对比分析

2.1 动车构架

根据对伊朗地铁车转向架构架在线路上进行动应力测试的结果，拖车构架结构满足安全运用450万公里要求，动车构架的侧梁下盖板与端梁连接部（M6）、天线座与端梁连接部（M5，M13）、制动吊座与端梁连接部（M14）不能满足安全运行450万km要求，动车构架其余部位可满足要求。贴片位置情况见图3动车构架仰视图。

图3动车构架仰视图⑴

2.2 载荷工况⑵

利用FEA模拟仿真进行计算，使用ANSYS软件，根据JISE 4207标准，经初步计算发现端梁结构确实存在应力集中点和高应力区，各个位置的计算载荷大致如下：

（1）垂向载荷

空簧座处的垂向静载荷=（空车重量+最大载重-2×簧下质量）g/4

经计算每空气弹簧座上的垂向载荷为115.15 kN。

（2）制动载荷

由制动产生的切向摩擦力f=FN×0.3

F为常用制动闸片夹紧力，每个制动盘的夹紧力为24kN；

经过计算，制动载荷为14.4 kN。

（3）制动缸惯性载荷=制动缸质量×a

制动缸质量为74 kg，垂向加速度10g，横向加速度5g，纵向加速度5g.

所以制动缸的惯性载荷分别是：

垂向惯性载荷（垂向向下）为：74×10g=7.25 kN

横向惯性载荷（坐标轴正向）为：74×5g=3.63 kN

纵向惯性载荷（坐标轴正向）为：4×5g=3.63 kN

（4）构架自身的惯性载荷 =构架质量 ×5g(垂向向下)。

（5）天线部件惯性载荷=天线部件质量×a

天线部件质量7.5 kg，则

垂向惯性载荷（向下）为：7.5×20g=1.47 kN，

横向惯性载荷（坐标轴正向）为：7.5×10g=0.74 kN，

纵向惯性载荷（坐标轴正向）为：7.5×10 g=0.74 kN。

（6）扭转载荷

在转向架对角车轮位置施加固定位移来模拟扭转载荷。

斜对称载荷=轴距×5‰=11 mm

因此在对角车轮位置施加11 mm的垂向位移或相应载荷。

（7）纵向载荷=空簧座处静载荷 ×0.3

（8）电机载荷

电机垂向动载荷=（牵引电机质量＋联轴器质量）×（1± 5）g

电机横向动载荷=（牵引电机质量＋联轴器质量）×4g

电机纵向动载荷=（牵引电机质量＋联轴器质量）×3g

（9）齿轮箱吊座载荷（驱动载荷）

驱动装置垂向惯性载荷=驱动装置重量×1/3×10g

牵引力矩载荷 ＝电机牵引力矩×（1＋ρ）/l

其中，ρ为传动比，l为齿轮箱吊杆中心距车轴中心线的正交距离的正交距离。

2.3 评估标准[3]

根据日本JISE4-207标准和做动应力测试时采用的疲劳极限值，要求母材结构的疲劳应力小于150 MPa，焊缝区的疲劳应力值应小于70 MPa.

2.4 结构优化及对比分析

针对端梁结构的薄弱部位和大应力区，进行了多次结构优化和改进，制作了几种优化方案，经过强度计算分析，优化后的端梁结构应力值都有了明显的降低，大部分方案中最大应力值能降低在许用应力附近，从中我们选取了最优方案，其计算应力均在许用应力以下，能够满足强度计算条件。构架原结构和优化结构的M6、M13应力云图分别见图4至图7。

图4原结构M 6应力云图[2]

图5原结构M 13应力云图[2]

图6优化结构M 6应力云图[2]

图7优化结构M13应力云图[2]

强度计算分析对比见表2.

表2强度计算分析对比[2]

3 分析结论

（1）原结构下，天线支架后盖板与圆管焊缝接头（靠近制动吊座端）应力值达到70.247 MPa，超过了疲劳极限69 MPa，端梁上其他各应力集中点等效应力值也基本都在60 MPa以上，接近许用强度极限，安全裕量较小。

（2）经过结构改进之后，最大等效应力值为61.649 MPa（发生在制动吊座与端梁圆管连接焊缝），次大应力值为53.245 MPa（发生在侧梁盖板与端梁圆管焊缝接头)，其他部位均在50 MPa以下，改进效果明显，结构安全裕量较大。

4 结束语

对优化后的伊朗德黑兰地铁转向架构架进行静强度、疲劳强度和模态分析计算。计算载荷和强度评估方法依据“EN13749”“UIC615-4”和“JISE4207”标准进行确定，结构应力计算采用hypermesh8.0和ANSYS11.0软件完成。结果表明，优化后的转向架构架静强度和疲劳强度均满足要求，且构架的第一阶固有频率为40.457 Hz，振型为两侧梁反向点头。

[1]王斌杰.伊朗455辆盘形制动转向架动应力测试报告[R].北京:交通大学结构强度检测实验室2011.

[2]吉 林，贾 昭.伊朗455盘型制动转向架构架静强度、疲劳强度和模态分析报告[R].吉林：转向架开发部，2011.

[3]陈秉智.转向架构架静强度和疲劳强度分析[R].大连:大连交通大学机械工程研究所，2011.