摘要：随着人们生活水平的不断提高，对交通的要求越来越高。本文针对某项目转向架构架使用寿命无法满足运营要求的情况，通过对线路动应力测试数据的时域图和频域图对比分析，提出优化结构方案，并运用理论计算、有限元分析以及实际运行线路的测试，对优化结构方案进行验证。优化结构关键部位测点应力大幅降低，所有测点等效应力均小于标准限度70MPa，满足了车辆正常使用寿命的要求。
关键词：地铁；转向架构架；结构优化
引言
转向架是城轨B型车辆的重要技术部件，它除了发挥支承、导向和隔振等重要作用外，还要起传递发挥牵引力和制动力的作用，对车辆的运行性能起着决定性的作用。根据相关的技术资料和部分城市提出的要求，进行了城轨B型车转向架的方案设计。
1构架既有结构
既有B型地铁转向架构架横梁通常采用无缝钢管结构型式，在横梁上根据功能需要焊接有电机吊座、齿轮箱吊座及牵引拉杆座；小纵梁采用4块板焊接箱型结构，几何中心与横梁中心平齐，实现无缝钢管的联接。
图1 横梁组成
2016年4月，在某B型地铁转向架构架动应力测试过程中，发现构架上部分测点等效应力幅值超过标准限度70MPa，且均位于吊座与横梁联接处，详见表1和图2。其中，最大等效应力为132.7MPa，位于电机吊座中部立板与横梁连接燕尾处（测点44）。需要说明的是，标准限度70MPa没有相关标准规定，此数值源于试验单位结合Miners线性累积损伤法则和JISE4208标准推算出来的经验值，适用于焊缝接头疲劳强度评估。
图2 超限测点位置
2构架结构优化
2.1 动力学优化
设计要求建立精确的B型车辆系统非线性数学模型，经过多方案的动力学优化分析，确定转向架的一、二系主要悬挂参数，保证车辆系统的蛇行运动稳定性、曲线通过安全性和运行平稳性符合要求。
（1）蛇行运动稳定性计算为确保B型车辆系统运动稳定性，要求车辆系统的蛇行失稳临界速度要高于其最高运行速度，并且应具有足够的余量。临界速度的计算应考虑新轮与磨耗后的旧轮、空簧无气、空车、减振器失效、一系纵横向刚度制造公差和长期使用的参数变化等各种工况下的情况，确保列车的运行安全。
（2）运行平稳性计算设计要求在合格的线路上，B型车辆系统在任何载荷和速度的工况下，车体横向及垂向平稳性指标不大于2.5，且车体的垂向和横向平均最大振动加速度需满足；经过150000km运行后，2个方向的平稳性指标不大于2.7。在计算时应考虑到空气弹簧无气、减振器失效、一系垂向刚度变化、踏面磨耗等不利工况的影响。
（3）曲线通过性能计算计算和分析B型地铁车辆以不同速度分别通过不同半径的曲线线路时，转向架参数对B型地铁车辆系统的轮对横移量、轮对摇头角、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等的影响。应充分考虑轮、轨之间的动态作用，降低轮轨间横向作用力，减少磨耗。在计算时要考虑到空气弹簧无气、风力、一系悬挂刚度变化等不利工况对曲线通过性能的影响。由于城轨交通对车辆限界要求较高，B型车的动力学优化还要充分考虑车体的动态轮廓，在正常运行情况下，不得使车辆超过给定车辆限界。
2.2 强度分析
转向架设计应保证各主要承载件在车辆运用的各种最不利工况下其静强度、疲劳强度满足安全要求。B型车转向架构架不仅要考虑普通客车构架所受各种载荷工况，还要充分考虑分析牵引电机吊座和传动齿轮箱吊座及其相邻区域的结构强度和疲劳强度，当构架受线路的随机激扰频率与电机本身固有频率接近时，该部位会成为高应力区域，应选择合适的动载荷或安全系数保证强度。某经对上海地铁车辆进行实测，试验转向架电机最大加速度为3.3g，因此在对构架强度计算时，对电机的动载荷取4g。另外还要进行构架可靠性评估，预测生命周期，以保证在使用期间（不低于车体30a寿命）不产生危害行车安全的裂纹等重大缺陷。构架完成首件产品后，要进行静强度和1000万次疲劳强度试验。
2.3结构优化的结果与轻量化方案
本次构架的尺寸优化共迭代了４步，各部件的厚度可用彩色云图表示，不同的颜色代表不同的单元厚度，优化前后的部件厚度云图如图7及图8所示，优化的部件厚度变化及位置如表2所示。
图7 优化前厚度云图
表2 优化数据
由于转向架质量主要集中在横梁、侧梁纵梁、扣板等部位，要着重对这些部件进行优化，这样既能节省时间又能做到符合实际要求地进行改进优化。结构优化过程结束后，按照优化后的部件厚度结果对其进行强度计算分析。结果表明：构架的最大应力和变形均在材料的弹性范围之内，满足要求。
结语
在满足既有系统接口的前提下，通过增大构架横梁管截面面积，可以有效增加横梁刚度，降低自振频率，缓减横梁垂弯弹性振动，从而实现降低横梁上电机吊座、齿轮箱吊座等部位的应力水平，提高地铁车辆转向架构架使用寿命。主要结论如下：①由于运营线路条件恶劣，轮轨振动冲击加大，激起了构架横梁垂弯方向固有频率，引起构架横梁高频往复振动，致使构架横梁部位应力超过标准限度。②通过增大横梁抗弯刚度和优化结构有效地缓减垂弯弹性振动，减小了横梁上各类吊座的应力水平，满足了构架使用寿命要求。③受到外部系统接口和转向架构架空间限制，通过增大横梁无缝钢管规格提高强度和刚度，势必会引起构架重量的增加。虽然构架增重对整车性能影响较小，但不利于节约能耗和轻量化设计理念，建议从改善轮轨冲击振动方面着手解决此类问题。
参考文献：
［1］李炳威．结构优化设计［Ｍ］．北京：人民交通出版社，1989．
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论文作者:李想
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/24
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