市域快轨车辆转向架构架设计

付嘉庆，姜明昊，朱 戡，张 丽，刘东坡

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100071）

0 引言

转向架构架是列车的重要组成结构，是其他零部件安装的基础。它不仅需要强度满足要求，而且尺寸、形状和结构都应满足各个零部件的组装要求，保证各个部件在安装过程中有足够多的安装空间[1]。构架设计的安全性、可靠性必须满足要求，以确保列车在行驶过程中的安全性。市域快轨车辆动力转向架构架用于城际市域动车组列车，该列车既要满足在大铁路线路上运行，又要满足地铁线路上运行，所以对市域快轨车辆动力转向架构的设计也提出了较高的要求[2]。

1 构架的结构设计及其工艺

该动力转向架构架采用的是传统的二轴“H”形焊接钢结构转向架构架，由箱型焊结构的横梁和2 根侧梁组成，轮对与构架采用转臂轴箱和一系刚簧及橡胶簧相连，构架与构架通过空气弹簧相连。除横梁上个别安装座之外，整个动力转向架构架基本上是对称结构。构架的横梁和侧梁通过上下盖板对接焊接和横梁外腹板与侧梁内立板垂直焊接相连。动力转向架构架结构如图1 所示。

1.1 构架结构

构架侧梁为箱型焊接结构，根据侧梁各截面的应力情况在侧梁内部不同位置添加筋板，使侧梁各个截面的应力更加良好，提高侧梁的强度。该动力转向架构架侧梁为“弓”字形箱型梁体。侧梁的上盖板大体上分为三段，使得侧梁焊接更加简单的同时能够加强冒筒与侧梁上下盖板连接处的强度。侧梁上安装了抗蛇行减振器座和抗侧滚扭杆座等，可保证列车在高速运行过程中不会发生蛇行失稳，降低列车车厢的侧滚量，防止列车超出设定限界，提高列车动力学性能。

横梁采用箱型焊接结构，为安放牵引梁和减轻整个构架的重量，横梁为“口”型。横梁上盖板留有较大的空间，方便布置转向架制动管路。横梁上布有牵引电机上下支架、齿轮箱座和牵引拉杆座等。横梁整体由上下盖板、内外腹板、内部筋板以及各种安装座组成。通过在内部合理位置布置尽可能少的筋板来提高横梁的强度，保证横梁达到设计要求。

1.2 构架结构的工艺性

构架横侧梁采用钢板件组焊而成，采用板材压形件以减少焊缝。在布置构架焊缝时，应注意的事项：①每条焊缝都应布置在便于焊接的位置；②焊缝之间应留有较大的间隙，防止热影响区相互影响，使得构架发生较大变形，降低构架强度；③焊缝应尽量避开应力较大的地方；④多条焊缝应避免布置在同一截面；⑤尽量减少多条焊缝交叉布置，来降低交叉焊缝处的应力；⑥焊缝的布置应尽可能对称于截面的重心。

侧梁一系簧上方上盖板加厚，因此在与中部上盖板对接焊缝处设置斜坡，使得该处圆滑过渡，保证了合理的力流分布。对接处焊缝采用V 形焊缝，使得钢板得以焊透，并要求磁粉和超声波探伤来保证该处焊缝的质量。为保证一系弹簧套筒与下盖板连接处可以承受较强的载荷，套筒与下盖板双面均进行焊接，使得该处焊缝可以成受较强的交变载荷。构架上的安装座基本采用质密度高质量可靠的锻件加工而成，所有安装座结构简单，容易焊接。

构架是转向架其他零部件安装的基础，在设计过程中需合理分布各个零部件的安装位置，保证转向架在运行过程中时，构架上各个部件之间以及部件与构架之间不会发生干涉，造成安全隐患。在满足构架上焊缝具有可焊性的同时应该合理分布焊缝的位置，使得焊缝以较低的质量等级就可以满足所需的疲劳强度和安全性，进而降低生产成本。对构架关键焊缝进行无损检测，来保证构架的质量。

2 静强度和疲劳强度分析

该构架计算载荷和强度评估方法依据“DVS1612”和“EN13749”标准，结构应力计算采用Hyperworks 软件完成[3]。

2.1 有限元模型

取整个构架进行建模，转向架构架有限元模型包含以下单元：①4 节点六面体；②10 节点四面体；③2节点梁；④2 节点套管元件；⑤2 节点1 维间隙；⑥2节点单元。构架有限元模型大约包含0.98M 个单元和1.6M 个节点。

在构架有限元计算中，构架结构自重、牵引电机重量和齿轮箱分配到构架上的重量以质量形式在计算模型中进行计算，其他载荷根据作用方式分别以面载荷和节点载荷的形式作用于相应位置。

构架所用材料主要参数和主要性能参数见表1。

表1 主要参数（单位：MPa）

构架强度计算载荷和载荷工况主要依据DVS 1612《轨道车辆用钢焊接接头的设计和疲劳等级》和EN 13749《铁路应用一转向架构架结构要求的规定方法》。

2.2 构架强度计算及模态分析

2.2.1 超常载荷工况下构架计算结果及评定

在超常载荷工况下构架Von Mises 应力较大位置见表2。

表2 超常载荷工况下较大应力发生位置

由表2 可知，在超常载荷工况下构架最大应力出现在齿轮箱支架弯弧处，值为301 MPa，如图2 所示。

图2 超常载荷工况下构架Von Mises 应力最大处

计算结果表明，在超常载荷工况下构架最大应力值小于构架所用材料屈服许用应力（355 MPa），因此该构架静强度满足要求。

2.2.2 运营载荷下构架计算结果及评定

（1）构架基材分析

在疲劳荷载下，根据DVS1612 进行基材安全系数的评估。运营载荷情况下转向架构架基材安全系数较小的位置见表3。

表3 运营载荷情况下转向架构架基材安全系数

由表3 可知，在运营载荷工况下构架基材最小安全系数出现在电机上支架内侧弯弧处，值为1.11，如图3 所示。

图3 运营载荷工况下构架基材安全系数最小处

（2）构架焊缝分析

在疲劳荷载下，根据DVS1612 进行焊缝安全系数的评估。运营载荷情况下转向架构架焊缝安全系数较小的位置见表4。

表4 运营载荷情况下转向架构架焊缝安全系数

由表4 可知，在运营载荷工况下构架焊缝最小安全系数出现在制动吊座与侧梁连接处焊缝，值为1.01，如图4 所示。

运营载荷工况下构架焊缝安全系数最小处，构架最小安全系数为1.01，出现在制动吊座与侧梁连接处焊缝，其余位置最小安全系数均大于1，其中基材最小安全系数为1.11。构架基材和焊缝强度满足标准要求。

3 构架试验

为了进一步验证构架的静强度及疲劳强度，对构架按照UIC615-4-2003《动车转向架—走行机构—转向架构架结构强度试验》和BSEN13749-2011《铁路设施-转向架结构要求的规定》标准进行强度试验，并通过标准规定的疲劳极限图考核构架的疲劳寿命能否满足使用要求[4-5]。同时按照UIC615-4-2003《动车转向架—走行机构—转向架构架结构强度试验》执行1000 万次疲劳试验。

3.1 试验加载设备、测试仪器和环境条件

试验加载设备为MTS-16 疲劳试验机，应变数据采集采用TDS-530 静态应变仪。试验场地附近无影响测试精度的强磁场、噪声、振动干扰；试验室温度在15 ～25 ℃、空气相对湿度不大于60%。所用载荷传感器及测试设备均经过有资质单位的检定校准，并在校准有效期内。

3.2 实验内容

3.2.1 构架静强度试验

测试一个构架在静态最大载荷下的应力，判断其静强度是否满足要求；检验构架在最大载荷作用下是否产生永久变形（屈服）。

3.2.2 构架疲劳强度试验

测试一个构架在各营运工况下载荷下的应力变化值，检验构架能否满足1000 万次疲劳寿命的设计要求。

3.3 应力测点分布

根据构架仿真计算结果，在应力较大和关键部位进行贴片。

3.4 试验结果

根据UIC615-4 和EN13749 标准进行评估，静态载荷下，最大应力值为338.7 MPa，所有测点都在静强度许用应力范围内。

疲劳试验结果表明：测试数据均在UIC615-4 和EN13749 规定的疲劳极限范围内，如图5 所示；同时进行1000 万次疲劳试验，试验结束后无裂纹产生。

图5 UIC615-4 标准下构架各测试数据在疲劳极限图的位置

4 结论

市域快轨车辆动力转向架构架采用经典的“H”焊接结构设计，通过焊缝合理的布局、先进的焊接技术和工艺以及焊后打磨等方法，使得构架具有焊后残余应力分布均匀、变形量小和机加工之前不需要退火等特点。同时对构架进行仿真计算来分析构架的应力分布，并通过试验机构的静强度和疲劳强度试验证明，该构架满足市域快轨车辆对构架的要求。