转向架设计方法浅谈

吴梦

摘 要：轨道交通在现代交通运输中担任重要角色，转向架是轨道列车的关键部件，直接决定了列车的速度等级、安全性和舒适性。文章介绍了转向架的一般设计流程，转向架模块化设计方法和基于CATIA的参数化设计方法，其中基于CATIA的参数化设计方法可以有效提高转向架的设计效率。

关键词：转向架；模块化；CATIA；参数化

中图分类号：U270.331 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0014-02

高速动车组使人们能够对千里之外的目的地朝发夕至，地铁、轻轨车辆每天运输数以万计的人穿梭于城市各个角落，城际列车使人们生活在A城市，工作在B城市成为可能。轨道列车给人们的生活带来巨大的变化，它舒适、安全、可靠，同时又经济、便捷。大运量的城市轨道交通更是人们绿色出行的首选。

截至2014年底，全国铁路运营总里程已突破11万 km，其中高铁运营总里程超过1.5万 km。同时我国目前共有25个城市开通了地铁，已有地铁的城市还在继续增加新的线路，其他一些城市的地铁也在建设或规划中。轨道交通车辆的需求规模空前巨大，而车辆的走行部分——转向架是轨道车辆最关键的部件之一，它直接决定了列车的运行速度与品质。轨道交通快速发展的趋势要求我们能够快速开发出适应不同地域环境，不同速度等级、不同功能的转向架。

1 转向架的设计流程

转向架设计的主流程为：设计策划→方案设计→技术设计→施工设计→产品试制、验证及确认。

1.1 设计策划

设计策划：客户需求分析；转向架载荷条件；线路参数分析；车辆重量计划及分配；运行环境及维护水平分析；相关法律法规及标准分析；类似车型运用经验分析。充分的设计策划是后续设计的保障，是后续设计的输入。

1.2 方案设计

方案设计是根据上述输入开展以下工作：明确转向架的功能，确定转向架总体方案、组成部件、外部接口、内部接口，确定基本的结构参数，确定转向架的性能参数，例如：临界速度、最大轴重、运行安全性和平稳性指标、RAMS指标，另外还包括试验验证计划。一般客户要求在方案设计阶段提供可视化的转向架结构模型进行动态演示，介绍转向架方案并进行客户沟通。

1.3 技术设计

技术设计是对方案设计开展的一系列验证工作，验证方案的可行性。主要通过一系列先进的计算机仿真软件进行各种仿真分析，同时联系合作供应商开展外购零部件的功能、可靠性验证。通过各种仿真软件进行的仿真分析涵盖临界速度仿真、运行安全性仿真、运行平稳性仿真、振动舒适度仿真、侧风稳定性仿真、轮轨接触仿真等。对转向架的各部件进行强度及疲劳寿命计算。对转向架进行动力学计算，包括转向架动态范围、转角、各部件的位移等以进行运动干涉校核和限界校核。另外还要确认制动是否符合要求，校核内部和外部接口关系，建立DFMEA分析表。通过一些列的仿真分析、强度校核与计算，改进和调整设计方案，最终获得客户的批准。

1.4 施工设计

在设计方案得到设计验证并得到客户的确认之后开展施工设计，包括转向架各个子系统的施工图纸设计、工艺方案设计与验证。这一步是将设计转化为现场工人方便阅读与操作的方式，进行施工生产。

1.5 产品试制、验证及确认

产品试制、验证及确认，首先是构架的试制和验证。构架是转向架的骨架，其它子系统都在该骨架上进行装配。构架的结构强度直接决定转向架的安全可靠性。按照施工图纸和工艺卡片试制出的构架要经过实验室贴片试验，看构架是否满足静强度、疲劳强度要求，如果不满足则要改进，重新试制。最后将各子系统组装到构架上，在滚动振动试验台上用实际的轨道谱作为激励，验证转向架的各项性能。

在转向架落车后，还要进行一系列例行试验，并且在线路上进行各项型式试验，对产品进行运营考核。综合各项试验结果，评价转向架的性能，并且对产品做出改进，实现产品的定型，完成转向架的整个设计流程。在后期同样需要进行转向架产品的服役状态跟踪监测，保障产品安全运营，同时为产品的检修、后续产品的设计提供依据。

2 转向架的模块化设计方法

目前主流的电力动车组和地铁都包含两种转向架，带动力的动车转向架和不带动力的拖车转向架，区别在于拖车转向架上没有驱动装置。一列轨道列车上，一般来说动力转向架布置的越多，速度等级越高。

转向架的模块化设计方法是转向架目前的主要设计方法。转向架通常按功能分为以下几个子模块：构架组成、轮对轴箱装置、中央悬挂及牵引装置、驱动装置及联轴节、基础制动装置、管路及配线、其它附件。不同系列的转向架大体都包含这些模块，只是在具体形状尺寸和接口关系上有些差别。

基于模块化设计方法，在设计策劃阶段，根据客户需求和功能分析，在以往的转向架产品中寻找类似的结构，并在方案设计阶段进行类比分析，确定变更点，着重对变更点进行分析验证。在进行三维方案设计的时候，只需要找到相似的子模块，在子模块的基础上进行修改。最后装配子模块按照新的接口关系。

以青岛四方股份公司为例，目前完成了SDB-80型转向架的模块化设计。SDB-80型地铁是公司B型地铁车辆成熟稳定的定型转向架。鉴于不同的转向的子系统厂家不同、接口不同，因此对各子模块设计了多个方案，例如构架模块目前就因接口不同存在A～E五个类型。在满足同样设计需求的情况下，优先采用模块化的方案，可以更好的对SDB-80型转向架的设计、工艺、制造、生产及售后服务等工作进行管理，缩短设计周期、简化制造过程、便于组织生产和生产管理、降低生产成本、提高产品质量。

3 转向架的参数化设计方法

参数化设计的目的就是通过尺寸驱动方式在设计或绘图状态下灵活的修改图形，方便设计过程，提高设计效率。参数化的产品设计在汽车领域有着广泛的应用，通过改变几个参数值，就可以形成新的结构，从而建立参数化的三维标准件库，但一般也只是用在小部件的参数化上。也有一些CAD二次开发的构架参数化设计程序，但是使用较为复杂且不够成熟。CATIA软件自带参数化设计模块，领先世界产品设计与创新解决方案领域，基于CATIA的骨架和参数可以方便的实现参数化设计。下面介绍基于CATIA的转向架的参数化设计方法。

转向架的参数化设计步骤主要有以下几点。

3.1 确定转向架的各项参数

转向架的各项参数可分为一级参数、二级参数和三级参数。一级参数包括：转向架与车体、轨道的外部接口尺寸，转向架子系统的接口尺寸，子系统公有的尺寸。例如：轴距、空气弹簧安装面高度、构架侧梁中心距、空气弹簧安装孔中心距、车轮直径、电机的横向纵向安装距离、横梁和侧梁的截面参数。二级参数包括各子系统的结构参数，子系统内部的接口尺寸。例如侧梁的长度、横梁的长度、横梁和侧梁上各个吊座的位置参数。子系统的组成模块的结构参数可作为三级参数。例如电机吊座属于构架子模块，但是自身的结构尺寸值就作为三级参数。

下级参数可以从上级参数中借用，因为子系统的外部接口参数对上层系统来说是内部接口参数，并且上层参数中包含一些子系统中共有的参数，例如横梁的截面参数作为一级参数，但是横梁上的吊座设计时也要用到横梁直径这个参数，它同时是二级或三级参数，但是可以从一级参数里借用。

3.2 建立转向架骨架

一级参数用来建立转向架的骨架。骨架其实是基于基准平面建立一系列的接口平面，接口平面到基准面的距离可以通过一级参数改变。转向架的基准平面推荐选轨面作为水平基准面，选转向架的纵向中心面作为纵向基准面，选转向架的横向中心面作为横向基准面。这样，通过一级参数可以定义接口平面。

例如通过空气弹簧安装面高度参数建立空气弹簧水平安装平面，通过空气弹簧安装孔中心距建立空气弹簧的横向的安装平面，这样就形成了空气弹簧的安装接口平面。子系统在装配到骨架时，只需要将子系统自身的基准平面对齐接口平面便可以快速装配。在调整一级接口参数时，转向架子系统位置随之改变，子系统自身结构不受影响。

3.3 建立参数化的子模块

对转向架的各子模块进行结构参数化设计。子模块的接口参数可以引用上级参数，子模块的内部参数用来改变子模块的结构，不受上级参数的影响。子系统设计师在共享上级参数的同时，对子系统进行分别开展参数化设计，互不影响。

3.4 将参数化的子模块装配到骨架上

子系统在装配到骨架时，只需要对齐接口平面便可以快速装配。在转向架总系统中，可以根据需要增加和删除子系统模块，其他模块不受影响。

基于CATIA的转向架参数化设计方法以模块化设计方法为基础，不同之处在于，模块化设计需要事先建立特定数量，特定尺寸的子模块，并且需要重新装配。当模块化的类型中没有所需的尺寸和结构类型时，需要重新建模，而参数化设计仅需根据需要改变一些参数就能完成设计。

4 结 语

本文介绍了转向架的一般设计流程，介绍了转向架的模块化设计方法和参数化设计方法。转向架的模块化设计方法是目前主流的转向架设计方法，参数化设计方法目前还处于研究阶段。转向架参数化设计的难点在于找到参数之间的关系和影响，这需要丰富的转向架设计经验。一旦建立起完善的参数体系，基于CATIA的转向架参数化设计便可大大提高转向架设计效率，尤其可以实现快速的方案设计。

参考文献：

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[3] 黄俊炫，张磊，叶艺.基于CATIA的大型桥梁三维建模方法[J].土木建筑工程信息技术，2012，（4）.