一款米轨转向架的结构优化

邵瑾珑，王磊

一款米轨转向架的结构优化

邵瑾珑，王磊

（江苏瑞铁轨道装备股份有限公司，江苏 苏州 215600）

针对某货车用转向架出现的问题，考虑既有产品零部件的互换性，在改进使用性能的基础上设计研发了一款米轨转向架。介绍了转向架的结构特点、主要技术参数、在研发过程中对各零部件结构的优化。根据优化后的结构，采用ANSYS软件完成对侧架、摇枕静强度、刚度及疲劳的计算，并对新研发的组合式制动梁进行强度计算。计算结果均满足标准要求。对转向架的动力学性能进行计算分析，结果符合设计标准。对产品制造生产过程的监控及最终应用说明，该米轨转向架满足使用要求。

米轨转向架；组合式制动梁；技术参数；ANSYS

江苏瑞铁轨道装备股份有限公司为东南亚某客户研制的一款米轨转向架，使用铸钢三大件式转向架[1]，采用控制型常摩擦减振器，间隙旁承[2]，其使用性能不太理想，尤其已用的铸造制动梁，铸造质量不易控制，铸造缺陷明显，出现个别制动梁断裂情况，且制动梁组成后期维护困难；侧架、摇枕出现壁厚不均匀，关键部位未控制好，且其他一些零部维护成本较高。因此需要在考虑到现有转向架零部件互换及使用线路的基础上，优化现有转向架，并彻底解决基础制动问题。

优化后，基础制动装置采用锻造式组合式制动梁组成，杠杆制动、缓解灵活，整体转向架重量轻，且坚固耐用、检修维护方便。

1 主要技术参数

该米轨转向架主要技术参数如表1所示。

表1 米轨转向架主要技术参数

2 主要结构的优化

该米轨转向架主要结构如图1所示。

1.滚动轴承组成；2.侧架组成；3.减振装置；4.摇枕组成；5.悬挂装置；6.承载鞍；7.轮对组成；8.中心销；9.心盘磨耗盘；10.下旁承；11.基础制动装置。

2.1 轮轴及滚动轴承

轮对组装符合TB/T 1718.2[3]要求，轮对内侧距924 mm；使用780整体辗钢车轮，使用客户现有的锥形踏面；车轴符合TB/T 2945[4]要求，采用中部锥形车轴，经锻造加工制成。采用AAR（Association of American Railroads，美国铁路协会）C级（5″×9″）双列圆锥滚子轴承，轮对轴承满足客户现有产品互换要求。

2.2 侧架

侧架采用B+级钢，符合AAR M-201[5]要求。侧架静强度、静载荷和动载荷符合AAR M-203[5]要求。立柱磨耗板采用45钢的柱磨耗板，用ZT型折头螺栓固定在侧架上；采用T10钢滑槽磨耗板，镶嵌卡在侧架的滑槽内。立柱磨耗板与滑槽磨耗板为可拆卸式，降低了后期维修成本。

根据客户反馈既有转向架侧架壁厚问题，结合铸造工艺，对侧架中央承台面与立柱面、端头承载面与侧架两侧面的渐变壁厚进行大圆弧过渡优化，减少壁厚的突变。在优化过程中还要考虑侧架的整体重量控制，在各弯角处增加铸冷却筋，保证在制造过程中壁厚的均匀，铸造表面质量更好。

2.3 摇枕

摇枕采用B+级钢，符合AAR M-201[5]要求。摇枕静强度、静载荷和动载荷符合AAR M-202[7]要求。采用分体式铸钢下心盘材质为B+级钢，下心盘317 mm，采用高强度螺栓紧固在摇枕上；摇枕侧面焊接有铸造式固定杠杆支点座；斜面磨耗板焊接在摇枕八字面上，斜面磨耗板材质为06Cr19Ni10。

根据客户反馈既有转向架摇枕壁厚问题，结合铸造工艺，对摇枕上心盘安装面与摇枕上壁采用一小段渐变壁厚，对摇枕A区域采用变壁厚与大圆弧过渡优化，在摇枕旁承盒子底部也采用变壁厚与大圆弧过渡，减少壁厚的突变，既能保证旁承有效的安装高度，也能在浇铸后容易脱模。在各弯角处增加铸冷却筋，保证在制造过程中壁厚的均匀，铸造表面质量更好。

2.4 减振及悬挂装置

中央悬挂的弹簧采用内、外等高弹簧组。弹簧材料采用优质弹簧钢60Si2CrVA，弹簧组空车挠度9 mm，在保证与客户现有车辆平稳连挂的基础上，空车与重车时都具有足够的挠度及良好的动力性能。采用宽大的控制型常摩擦减振装置，可以增大转向架的抗菱形刚度，使车辆运行平稳。斜楔采用高耐磨的奥贝球铁铸造而成，减小运营中的磨耗与更换。

2.5 基础制动装置

转向架基础制动装置采用单侧闸瓦踏面制动，包括组合式制动梁、左右闸瓦托、制动杠杆、固定杠杆制动、制动梁安全链、下拉杆等。制动杠杆与铅垂方向的夹角为0°，闸瓦采用高磷铸铁闸瓦，厚度45 mm，基础制动倍率6。

了解到客户既有动梁组成采用了B+级钢铸造式制动梁架，结构如图2所示，制动梁架使用T型薄筋结构，两端部与中部结构整体较大，截面突变较急，铸造工艺难控制，容易在变截面处出现气孔与疏松。制动梁正火后，再对制动梁架两端头与闸瓦托配合的三面及中部进行整体机加工，制造成本高。支柱组焊接在制动梁中部，闸瓦托焊接在制动梁架上，最后将滚子焊接在闸瓦托上，结构如图3所示，焊接量较大，闸瓦托焊接变形大，尤其是与闸瓦配合的弧度变形难控制，导致后期闸瓦与闸瓦托安装配合困难。

图2 制动梁架

优化后，采用工艺成熟的整体锻造制动梁架，闸瓦托及端头一体式铸造，闸瓦托端头与侧架滑槽磨耗处增加非金属磨耗套。支柱端头采用U型扣压式结构，闸瓦托及支柱使用铁路货车专用铆钉铆接在制动梁架上，闸瓦与闸瓦托安装配合好。如图4所示，组合式制动梁结构可靠、成型方便，后续各零部件检修更换容易。

图3 制动梁组成

图4 组合式制动梁

2.6 其他主要部件

转向架采用结构简单的间隙铸铁旁承，放置在摇枕的旁承盒子内，当车辆通过曲线时，一侧旁承承担一定的垂向载荷，安装与维护方便。采用轻量化C型承载鞍，承载鞍材质符合AAR M-201[5]C级钢。在下心盘内设有可拆卸式尼龙心盘磨耗盘，安装与维护方便。在侧架导框与轴承间设有挡键，使得转向架可以整体起吊。转向架上设置有制动梁安全链、下拉杆安全托等运用安全装置，制动的各圆销孔中设置有高耐磨奥贝球铁材料衬套，减小磨耗，利于更换。

3 主要部件的计算

3.1 摇枕、侧架的静强度与刚度

依据AAR M-203[6]和AAR M-202[7]标准，对侧架、摇枕结构进行有限元建模分析，采用实体单元对结构进行离散。在侧架导框弹簧承台支撑处施加垂向约束，导框处施加横向约束；在摇枕两端八字面弹簧支撑处施加垂向约束，止挡结构处施加横向载荷，以模拟其支撑情况[8]。采用ANSYS软件建立模型及求解。针对主要考核工况，计算结果如表2和表3所示。

计算结果表明，侧架、摇枕的静强度和变形量（刚度）在设计载荷工况下，各处应力均小于B+级铸钢的许用应力评定标准，横向载荷和垂向载荷下，最大变形量均小于规定值，分别满足AAR M-203[6]和AAR M-202[7]的要求。

3.2 摇枕、侧架的疲劳强度

采用有限寿命设计理论的应力－寿命法，以B+级铸钢-曲线（脉动循环应力－寿命曲线）和规定载荷谱下的有限元计算应力为依据，根据线性累计损伤法则计算侧架、摇枕疲劳寿命[9]。对于正常铸造质量水平（疲劳缺口系数K＝1.5）的摇枕、侧架，计算结果如表4所示。

表2 侧架、摇枕静强度工况及计算应力最大值

注：为车轴载荷，MPa；为心盘垂向载荷，MPa

表3 侧架、摇枕刚度工况及计算变形量最大值

表4 疲劳载荷下大应力点疲劳损伤计算结果

注：n为第级应力范围下的应力循环次数；N为第级应力范围下发生疲劳失效时的循环次数。

由表4可知：在AAR M-203[6]规定的疲劳载荷及其加载次数下，制动梁滑槽边缘、立柱边缘和立柱导框边顶角是侧架的主要疲劳损伤部位，其疲劳载荷工况下应力幅均小于B+级钢的疲劳极限应力。在规定的弹簧承台垂向载荷、侧架立柱边缘横向载荷和侧架立柱扭转载荷的疲劳载荷下，侧架各处的疲劳累积损伤均小于1。因此，在正常铸造质量水平下，该侧架的疲劳强度和疲劳寿命满足设计要求。

在AAR M-202[7]规定的疲劳载荷及其加载次数下，摇枕八字面弹簧支撑附近的筋板圆角处是摇枕的主要疲劳损伤部位，其疲劳载荷工况下应力幅均小于B+级钢的疲劳极限应力。因此该摇枕能够通过疲劳试验。在规定的心盘中心沉浮载荷、心盘边缘沉浮载荷和旁承载荷疲劳载荷下，摇枕各处的疲劳累积损伤均小于1，因此，在正常铸造质量水平下，该摇枕能够通过疲劳试验。

3.3 组合式制动梁

依据TB/T 1978[10]试验载荷条件，采用ANSYS软件对开发设计的制动梁变形量、强度进行计算，依据TB/T 1335[11]评估表明：

（1）制动梁在制动力作用下（load case 1）的最大变形量为1.2 mm，该值小于制动梁的评定标准（许用变形量为2.5 mm），变形量满足标准要求。

（2）制动梁最大应力为185 MPa，出现在制动力与向下摩擦力共同作用时（load case 2）立柱与弓形杆交界处，该值小于TB/T 1335[11]的要求（223 MPa），刚度满足标准要求。

4 车辆动力学性能分析

采用美国V级线路谱，利用NUCARS软件对优化后的米轨转向架进行动力学性能分析。蛇行运动稳定性、直线运行平稳性、直线运行和曲线通过安全性计算结果表明：

（1）空、重车临界速度分别为113 km/h和118 km/h、能够满足空、重车100 km/h运行速度的要求，并具有一定的速度裕量。

（2）在110 km/h速度范围内，直线运行车体最大振动加速度、直线运行最大平稳性指标、直线运行安全性指标如表5、表6所示，均满足标准要求。

表5 直线运行参数

表6 直线运行安全性指标

（3）动态曲线通过安全性指标如表7所示，均满足标准要求。

（4）计算和分析表明，在空车100 km/h、重车80 km/h范围内运行，该米轨转向架动力学性能良好，满足GB/T 5599-1985[19]的要求。

表7 动态曲线通过安全性指标

5 结束语

制造时，对侧架、摇枕A、B部位进行剖切后密实度检查；对侧架、摇枕壁厚及单件的整体重量进行控制，均达到设计要求。

对侧架、摇枕表面按TB/T3105.3[20]进行磁粉检测；对侧架、摇枕的A，B部位按照TB/T 3105.2[21]进行超声波伤检测，按照TB/T 3105.4[22]进行射线检测，一次性全部合格通过。

该转向架于2019年6月交付用户，经过试验后装车运行。截至2022年6月，运行情况表明，优化后的转向架性能稳定，磨耗轻微，零部件可互换性强，运用情况良好。

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Design Optimization of a Meter-Gauge Bogie

SHAO Jinlong，WANG Lei

( Jiangsu Railteco Equipment Co., Ltd., Suzhou215600, China)

The article focuses on the problems of a wagon bogies, considering the interchangeability of existing product parts, and improving the performance of a meter-gauge bogie designed and developed. The structural characteristics of the bogie, the main technical parameters, and the optimization of the structure of various parts during the research and development process are introduced. According to the optimized structure, large-scale ANSYS software is used to complete the calculation of the static strength, stiffness and fatigue of the side frame and bolster, and the strength calculation of the newly developed composite brake beam. The calculation results meet the standard requirements. The calculation and analysis of the dynamic performance of the bogie are adopted, and the results meet the design standards. The monitoring of the product manufacturing process and the final application instructions meet the requirements for use.

meter-gauge bogie；brake beams；technical parameters；ANSYS

U270.331

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.007

1006-0316 (2022) 07-0042-06

2021-12-06

邵瑾珑（1987－），男，甘肃会宁人，工程师，主要从事转向架设计研发制造工作，E-mail：15862622675@163.com。