（光学工程专业论文）北京城铁车辆转向架构架的研制.pdf

塑奎望奎兰三堡堡! 堡苎 ￥墨! 墨皇旦9 摘要 城市轨道交通具有运量大、效率高、舒适、安全和准点的突出优点， 是国际大都市城市公共交通发展的首选模式。中国发展大运量轨道交通 的历史已经有近四十年，北京是国内最早建地铁的城市，所使用的车辆 几乎全部为国内制造，对车辆来讲首先要满足的要求就是安全性。构架 在车辆结构中处于重中之重的地位，是地铁车辆最关键的部件之一，它 的可靠性直接关系到车辆的安全性。无论是国产车辆使用的构架、还是 进口车辆使用的构架，在不同程度上都出现过疲劳问题，即使用过程中 一些关键部位出现裂纹，严重影响车辆的安全运行。分析裂纹产生的原 因：主要是设计中缺乏有效的、切合实际的疲劳分析和验证造成的。对 于车辆转向架构架，它受随机载荷的作用，因此不仅应按照相关成熟的 标准进行有限元强度计算分析，了解构架上的应力分布规律：进行静强 度试验，验证计算的合理性；还必须通过室内疲劳试验和线路运行中实 测动应力，找出结构的疲劳薄弱部位，进而对薄弱部位进行改进、完善， 才能提高构架的可靠性。 本论文主要围绕北京城铁车辆用转向架构架的研制，详细地介绍在 设计、理论计算、试验的过程中所做的工作。 关键词：构架，有限元分析，强度试验 北京交通大学工程硕士论文 第一章绪论 2 0 0 1 年，北京城市铁路有限公司通过建设公司从长春轨道客车股份有 限公司采购一批城轨车辆( 共2 2 4 辆) ，所采用的传动方式是交流传动， 即牵引电机是交流电机，用于北京地铁1 3 号线的运营。 北京城铁列车是由四节车辆编组，含有m c 车、t 车的两节车辆为 一个单元，其中m c 车是有司机控制室的动车，t 车为不带动力的拖车。 每列车由二节动车和二节拖车组成，每节车辆装有两个转向架。转向架 分为动车转向架和拖车转向架。 转向架的基本作用是支承车体，承受并传递从车体至轮对之间或从 轮轨至车体之间的各种载荷，并使轴重均匀分配：保证车辆能灵活地沿 轨道安全运行；充分利用轮轨之间的粘着作用，传递牵引力和制动力。 北京地铁的高速发展，要求运营列车的高度安全和可靠，而转向架 的安全性是保证列车安全的最有力保障。 1 1 北京城铁车辆转向架简介 北京城铁所购城轨车辆的转向架是由长春轨道客车股份有限公司设 计和制造，见图1 1 。转向架采用了无摇枕、无摇动台和空气弹簧结构， 具有国际先进水平。该转向架有二种形式，一种为提供动力转向架即动 车转向架，另一种为无动力转向架即拖车转向架，两者的区别在于动车 转向架装有二台牵引电机、齿轮减速箱及联轴节。 转向架的结构主要包含有：轮对轴箱、一系悬挂装置、构架、二系悬 挂装置、牵引装置、基础制动装置、驱动装置( 包含牵引电机、齿轮减速 箱及联轴节) 、受流装置等。其中系悬挂装置采用圆锥形叠层橡胶弹簧， 一系悬挂装置采用低横向刚度的空气弹簧。 车体直接支撑于构架侧梁的空气弹簧上，并通过牵引装置进行联接， 可以实现相互的各种变位。 北京交通大学工程硕上论文 2 5二系悬挂横向阻尼( 每转向架) 9 0 ( k n s m ) 3 4 6 4 m m f 有 2 6虽大长度3 0 9 0 m m ( 没有排障器) 排障器1 2 7最大宽度2 5 3 0 m m 2 8空气弹簧上面距轨面高度8 9 5 m m 2 9空气弹簧横向间距1 8 5 0 m m 3 0空气弹簧有效直径o5 4 0 m m 单侧踏面单元制动 3 1基础制动装置 无石棉合成制动闸瓦 3 2电机悬挂方式架悬式 3 3牵引电机功率2 x 1 8 0 k w 3 4运行平稳性指标 2 5 3 5每台转向架重量7 0 0 0k g6 9 0 0k g 4 5 0 0k g 构架是转向架的承载体和传力体，通过它将轮对轴箱、两系悬挂 系统、牵引装鼍、基础制动装置、驱动装置等零部件组合成一个整体。 构架的主要作用是将车体的载荷传递给轮对，传递牵引力和制动力。 构架分为动车构架和拖车构架两种，二者的主要区别是：动车构架 含有电机吊座和齿轮箱吊座，拖车则没有上述装置。动车构架的结构主 要包含有：侧梁、横梁、纵梁、电机吊座、齿轮箱吊座、牵引拉杆座、 横向减振器座、横向缓冲器座等，侧梁是由低合金结构钢1 6 m n r 钢板 压制成型后，经焊接而成h 型箱形结构；横梁、纵梁采用进口无缝钢管， 钢管的内部兼做空气弹簧的辅助气室；其他吊座均由钢板焊接而成。电 机吊座、齿轮箱吊座、牵引拉杆座和横向缓冲器座在横粱上呈中心对称 布置。另外，构架还设有单个横向减振器座，在侧梁的上面中心位置设 有空气弹簧安装座，在侧梁的下面共设有八个一系弹簧座。动车构架结 构如图1 2 所示。 北京交通大学工程硕士论文 图1 2 北京城铁车辆转向架动车构架 1 2 国内城轨车辆转向架构架的发展综述 、中国自行研制的首台地铁构架 、我国地铁车辆的生产和使用均始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 4 年根据中 央修建北京第一条地下铁道的要求，铁道部组织了长春客车厂f 简称“长 客”) 、株洲电力机车研究所、唐山铁道学院、四方车辆研究所、大连内 燃机车厂和湘潭电机厂等单位进行了方案设计。在此基础上，参照前苏 联莫斯科“皿”型地铁车，1 9 6 7 年长客利用国产材料和配件，生产出2 辆d k l 型地铁车，填补了国内空白。 在这种结构的基础上，长春客车厂设计制造了用于北京地铁、天津 地铁、朝鲜平壤地铁客车用转向架，这些转向架均为无摇动台式d z 型转 向架，属于该系列且数量较多的有d k 3 、d k 4 、d k 8 、d k l 6 、d k 2 0 等多种 5 一一j ! 皇銮望盔竺三堡婴主笙苎 车辆型号。当时最早生产的d k l 型地铁车使用的转向架型号为c c d z l ， 构架采用整体铸造结构，如下图l 一3 所示，结构上分为侧梁、横梁、 系水平簧座、转臂定位座、牵引拉杆座、电机吊座、齿轮箱吊座、基础 制动装置安装吊座等。在当时设计的年代，由于各种理论计算分析、检 测手段的不完善，无法对每个部位进行整体的分析，只能是基于经验性 设计和实际的装车运行考验。 圈1 3c c d z l 型转向架构架图 二、从日本引进的地铁掏架 1 9 8 4 年北京地铁公司从日本东急车辆制造株式会社引进了 b s s a 3 0 0 0 型地铁电动客车。构架组成由构架和各种吊台及吊座等组成 ( 图卜4 ) 。构架是主要的受力构件，由材质为j i sg3 1 0 6s m 4 1 b 各种不 同厚度的焊接用钢板组焊而成。在水平面俯视呈“h 形，侧视呈曲梁形。 北京交通大学工程硕士论文 各个杠杆吊座、闸瓦吊座、电机吊座、齿轮箱吊座等均焊在横粱上。构 架外廓尺寸( 长宽高) 为：2 8 7 0 2 2 1 2 4 6 j m m 。侧梁由厚1 6 咖的上、 下盖板和厚1 2 m m 的立扳组焊成“i i ”形的箱形结构，中央断面尺寸为 2 5 0 x1 6 0 m m 。横梁由厚度1 0 唧的钢板轧成“ ”形的槽钢两块，组焊成 封闭状箱形结构，横断面尺寸为2 1 0 6 3 0 m m 。侧梁和横梁的内腔均设置 了多块加强筋扳，各个封闭内腔均设置中2 0 m m 的气孔，以便排除腔内积 水，减轻腔内金属腐蚀。横梁上设有承受垂直载荷的旁承座及中心销孔。 构架组成重量约1 2 0 0 k g ( 动车) 及1 0 6 0 k g ( 拖车) 。 图卜4 日本进口构架结构 三、中日合造车用地铁构架 1 9 8 7 年长春客车工厂与日本东急车辆制造株式会社合造的t j m _ 一 1 0 0o 型天津地铁电动车转向架为“车体直结式空气弹簧转向架”，采用 导框式轴箱定位装置、双列圆柱滚子轴承和推力滚子轴承、钢板焊接的 h 型构架、中5 5 0 一曲自由膜式空气弹簧、l v 一3 型自动高度调整阀、 北京交通大学工程硕士论文 o d 一5 0 8 2 型横向油压减振器、单侧踏面制动、m b 一3 2 3 2 一b 型牵引电 动机和k d 3 5 4 a m 型驱动装置。 该转向架是为中日合造天津地铁电动客车设计的。动车转向架为 t s 一8 3 3 m 型( 图1 5 ) ，拖车转向架为t s 一8 3 4 t 型( 图1 6 ) 。构架是以压延 钢材( j i sg3 1 0 6s m 4 l b ) 为主的焊接结构，其侧梁、横梁为箱形断面。 侧梁端部备有起吊转向架用的圆孔。在横梁上设有承受垂直载荷的旁承 座和做为转向架回转中心的中心销。在动车转向架( t s 一8 3 3 m 型) 上焊有 牵引电机座和齿轮箱吊座。构架经组装焊接、充分退火后再进行机械加 工。 图i 5t s 8 3 3 m 型动车转向架 北京交通大学工程硕十论文 而设定，以保证侧梁体的抗弯、抗扭性能。上下盖板宽度为1 6om m ， 两腹板的外侧距离为1 4 0m m 。上下盖板均为整体冲压成形，避免在该 处出现横向焊缝而影响整体强度。对横粱无缝钢管和侧梁的接合部位采 用圆形垫板补强。在横梁上布置有电机吊座、齿轮箱吊座、基础制动吊 座等。 一 固 i _ _ p 一 罩 簪 卜n 一 囵 垂 鼍 旺吲 w - w 山一啦t蚪山l “u 图1 7 构架 在该构架的设计阶段进行了理论分析计算，参照的标准为 u i c 5 1 5 4 ，对首件产品进行了参照日本标准j i se4 2 0 8 的静强度试验。 计算和试验的结果都满足相关标准的要求，并且，该产品已经装车运用 约7 0 万公里，未出现任何大的结构强度方面的问题。 五、出口伊朗的无摇枕转向架构架 1 9 9 6 年长春客车厂签订了为德黑兰地铁一、二号线的供车合同，当 时为了提高产品的可靠性，与韩国的韩进公司合作，引进了一个成熟的 无摇枕转向架方案，构架采用钢板轧形焊接结构，横梁采用无缝钢管结 构( 图l 一8 ) 。对构架进行了有限元分析，总体强度满足设计要求。对构 架又进行了静强度试验和疲劳试验，静强度试验按照日本标准j i se 北京交通大学工程硕上论文 4 2 0 8 执行，疲劳试验按照u i c 5 1 5 4 执行，但没有对电机吊座、齿轮箱 吊座施加动态载荷。 图1 8 德黑兰地铁构架 六、北京复八线地铁用构架 长春客车厂在设计德黑兰地铁转向架的同时，还设计了北京复八线 地铁用转向架，只是根据所含设备的不同，对构架进行相应变动，其主 干结构一一侧梁、横梁、纵梁的结构尺寸，都没有变化，如图卜9 所示。 对构架进行了有限元分析，总体强度满足设计要求；对构架又进行了静 强度试验和疲劳试验。静强度试验按照日本标准j i se4 2 0 8 执行，疲劳 试验是按照u i c 5 1 5 4 的要求进行l o o o 万次的疲劳。考虑到牵引电机、 齿轮箱吊杆对构架产生的载荷，在此基础上，对构架的电机吊座、齿轮 北京交通大学工程硕士论文 箱吊座，按照j i se4 2 0 8 中的动载系数施加2 0 0 万次的疲劳动态载荷。 构架最终通过了所有的试验检测。该构架现已运行近6 0 万公里，未出现 任何问题。 图卜9 北京复八线地铁构架 七、上海、广州地铁一号线转向架 上海地铁转向架构架是由s t 5 2 钢板压制成型后，经焊接而成h 型 结构，如图1 一1 0 。构架有两根横梁和两根侧梁，其侧梁和横梁为全封 闭的箱形结构，并在主要受力部位进行了适当的补强处理。构架两侧 梁的两端的轮拱为轴箱的导框，用以安装人字形橡胶弹簧，在轮拱的下 端有安装轴箱拉杆的安装座，侧梁的中部为空气弹簧安装座。构架的两 北京交通人学工程硕士论立 图卜l l 广州地铁二号线转向架构架 1 3 论文的主要研究内容 对于城轨车辆用转向架构架，不论是进口的产品，还是国内设计的 产品，在应用的过程中部出现过不同的问题，其主要原因是没有严谨地 按照科学的设计理念进行设计。在技术日益成熟的条件下，按照科学的 设计理念我们能够设计出适合应用于现场的产品。 本文的工作研究内容为： ( 1 ) 北京城轨项目用转向架构架的设计 ( 2 ) 北京城轨项目用转向架构架的结构强度计算 ( 3 ) 北京城轨项目用转向架构架的强度试验 本文将结合北京城轨项目用转向架构架的设计，在设计阶段贯彻执 行疲劳设计思想，结合地铁构架的受力情况，通过有限元强度计算、静 强度试验、疲劳试验，仔细地分析构架的设计薄弱部位和结构上不合理 的地方，完善构架的结构，提高构架的可靠性，使其能真正地适应北京 城轨项目。为今后其他项目用构架的设计提供宝贵的经验。 北京交通大学工程硕士论文 1 6 5 2 1 4 3 、中1 3 0 1 2 ，这两种规格的钢管广泛地应用在 日本的地铁构架，也是作为构架的横梁、纵梁；由于横粱是 电机吊座、齿轮箱吊座、牵引拉杆座等的安装基础，受力情 况非常复杂，使用圆形断面会使钢管的受力比较均衡。 构架的侧梁、横梁、纵梁之间的相互接口形式，对构架的整 体强度有很大的影响，根据以往的计算结果和试验数据，要 求横梁和纵梁之间的焊缝为完全焊透，并且焊缝表面打磨圆 滑过渡。横梁从侧梁内部穿过，与侧梁的立板间为带补强板 的坡口焊。 2 ) 电机吊座的设计。( 见图2 2 所示) 。车辆在正常运用过程中， 由于车辆频繁的启动、制动，牵引电机在工作时，会对电机 吊座产生相应的载荷：车辆系统受到线路的冲击，也会引起 牵引电机的振动，对电机吊座产生冲击载荷。牵引电机对电 机吊座产生的载荷属于交变载荷类型，设计电机吊座时要充 分考虑结构的抗疲劳性，结构断面过渡平缓，避免出现应力 集中。 图2 2 电机吊座 3 ) 齿轮箱吊座和牵引拉杆座的设计。( 见图2 3 所示) 。齿轮箱 吊座的功能是对齿轮箱起到吊挂的作用，承受齿轮箱振动时 所产生的冲击，以及提供电牵引、电制动时的支反力。所承 北京交通大学工程硕士论文 受的载荷大小与牵引电机的最大输出扭矩及齿轮箱振动冲 击。牵引拉杆座的功能是安装牵引拉杆，承受车体、构架间 的牵引力和制动力。这两个吊座在功能上是相互独立的，但 由于构架的空间狭小，在结构布置上，两个吊座间距过小， 施工过程中无法保证每个吊座与横梁间的焊缝质量，只能将 两个吊座合成在一起，共用一个筋板。两个吊座在使用过程 中受力情况比较复杂，会出现各种组合方式，需要共用的筋 板具有足够的强度。 嶙一 黝 图2 3 齿轮箱吊座和牵引拉杆座 4 ) 横向缓冲器座的设计。横向缓冲器座生根于纵梁的下部，功能 是安装横向缓冲器，承受由于车体与构架间发生横向变位所产 生的力。结构如图2 4 所示。 北京交通大学工程硕士论文 图2 4 横向缓冲器座 5 ) 横向油压减振器座的设计。每个构架设有一个横向油压减振器 座，它生根于纵梁的上部，功能是安装横向油压减振器。结构 如图2 5 所示。 图2 5 横向油压减振器座 6 ) 托板组成的设计。托板组成一方面用来安装单元制动缸，另一 方面用来给侧梁提供刚度，由于侧梁的断面相对比较小，在承 受车辆的垂向载荷时，会产生很大的变形：由于托板的存在， 降低了侧梁本身的变形量。结构如图2 6 所示。 图2 6 托板组成 北京交通人学工程硕士论文 7 ) 其他小件的设计。构架的小件还有一系弹簧座、空气弹簧座板、 辅助气室、高度阀杆座、受流器安装座和安全钢索座等，都根 据相关的接口关系进行设计，结构上以简单、可靠为前提。 2 3 小结 由于构架在车辆中的结构重要性，为了保证和提高其可靠性，在设 计时应尽最大可能采取综合措施来解决。所属于构架的每个部件都与 周围的部件有着密切的相互作用。部件间相互作用方式和每个部件的结 构，都要服从于保证整个构架的性能要求。在设计时，首先考虑各个部 件本身受力状态，据此使部件的结构优化；其次考虑各个部件间的相关 联部分，根据不同的受力情况，选择成熟的、有应用业绩的匹配结构方 案，这样才能充分提高构架的整体结构可靠性。 北京交通大学工程硕士论文 第三章构架结构强度计算 3 1 构架的理论计算方法 转向架构架是城轨车辆最关键的部件之一，由于其受力复杂，精确 分析其在各种工况条件下的受力状态是进行构架设计和分析研究的基 础。因此，首先应将构架所受载荷类型、施加的方式分析清楚，才能使 对构架进行分析时施加的工况接近于实际情况，才能准确地对构架强度 进行评定。对构架进行理论分析，关键是明确构架的受力状态，在对各 种载荷如何确定? 载荷的数值如何计算? 如何对各种载荷进行组合等方 面，我国还没有颁布相关的标准，只能参照国外的标准进行，如欧洲铁 路联盟的标准u i c 6 1 5 4 、日本的标准儿se4 2 0 8 等，这两个标准对所考 虑的载荷工况、载荷数值又不尽相同，对计算结果的评定方法也不一样。 下面就对这两个标准的内容进行分析。 3 1 1 欧洲铁路联盟标准u i c 6 1 5 4 u i c 6 1 5 4 的名称为“动车组转向架及走行部、转向架构架强度试验” 单行本，主要是阐明在试验台上所进行的试验。其目的是用以验证转向 架构架在运用载荷作用下的承载能力。 试验的内容按照载荷工况组合方式分为四种组合工况： 第一种工况为超常载荷作用下的静载荷试验。对构架同时施加运用 过程中出现的最大载荷，主要包括垂向载荷( 常用最大静载荷的1 4 倍) 、 横向载荷( 约常用载荷的1 3 5 倍) 和1 0 0 轮重减载量。要求构架上任 意点的应力值都不大于材料的屈服极限强度：当卸载后，不会产生永久 变形。 第二种工况为模拟运用中的主要载荷作用下的静载荷试验。对构架 同时施加运用过程中所承受的主要载荷，主要包括垂向载荷( 常用最大 静载荷) 、横向载荷( 常用载荷) 和5 的线路扭曲量。对于每个测点， 根据不同载荷工况下所产生的应力，取出最小值o 。和。一，核算出该 点的平均应力和应力幅值， 北京交通大学工程硕士论文 即瓯。= 鱼宰坚和盯= 垒乎 ( 3 1 ) 上 再根据相应材料的g o o d m a n 曲线图来评定各测点的疲劳强度是否满 足要求。 第三种工况为模拟运用中的个别特殊载荷作用下的静载荷试验。对 构架同时施加运用过程中所承受的特殊载荷，主要包括有：牵引电机和 传动装置的振动惯性力对构架产生的载荷，驱动车辆运动所产生的对构 架的力，牵引电机的反作用扭矩对构架产生的力，基础制动装置动作对 构架产生的力，每一个减振器在额定速度下产生的力，抗侧滚扭杆在车 体侧滚时对构架产生的力，以及通过小曲率半径时而对构架产生的力。 综合这些因素考虑各测点的应力值是否处于极限应力以下。 第四种工况为疲劳试验。对构架同时施加运用过程中所承受垂向静 载荷、垂向动载荷、横向载荷，及模拟通过曲线侧滚时的载荷等。在试 验的第一、第二阶段不应有裂纹出现，在第三阶段允许产生并不需要立 即修理的、极微小的裂纹。以确定转向架的使用寿命和进行安全余量的 评估以及发现在静载试验中未能发现的薄弱部位。 u i c 6 1 5 4 标准对构架的疲劳试验载荷要求中，没有明确牵引电机、 传动装置、牵引载荷等对构架疲劳强度的影响。 3 1 2 日本标准j i se4 2 0 7 1 9 9 2 铁道车辆转向架构架设计通用技术条 件 该设计通用条件分为载荷条件、强度设计条件、结构设计条件和刚 度设计条件等四类。 ( 1 ) 载荷条件 载荷条件分为静载荷和动载荷。 ( 2 ) 强度设计条件 强度设计条件分为应力计算及许用应力。 ( 3 ) 结构设计条件 结构设计条件包括形状、尺寸及材料、在结构设计中需考虑的事项 北京交通丈学工程顾士论文 二) 、强度设计条件 ( 1 ) 应力计算 应力计算要在构架承受静载荷及动载荷的情况下，按载荷的种类分别计 算应力，要区分开平均应力和动应力，然后合成。 应力的合成方法如下： a 1 平均应力 平均应力为静载荷引起的应力，但在具有脉动载荷的情况下，平均应力 应为动载荷引起应力的l 2 ，再加上静载荷引起的应力。 b 、动应力 动应力为动载荷产生的应力，按式( 3 3 ) 进行计算 s 。= s ? + s ；+ s ；+ + s ：( 3 3 ) 式中 s a 一动应力 s i 、s 2 、s 3 、s 。一各动载荷下的计算应力 但是，对脉动载荷所产生的应力s 。，则用该应力的1 2 进行合成， 并按式( 3 4 ) 进行计算 s 。=f i 聒 ( 2 ) 许用应力 许用应力应在下图3 1 疲劳强度极限图的限界内。 ( 3 4 ) 北京交通大学工程硕上论立 平均应力 图3 。1 疲劳强度极限图 图中 s b 一材料抗拉强度； s 】一材料屈服许用应力； s w l 、s w 2 、s w 3 一疲劳许用应力。 日本j i se4 2 0 7 标准对构架强度的理论分析要求，相对u i c 标准来 讲，在载荷种类、载荷数值、工况组合、评定标准等方面，要求都比较 明确，再有，该种构架的结构模式属于日本模式，采用日本标准进行分 析应能更准确。 3 2 构架的结构强度计算 北京城铁项目用构架的结构强度计算，采用美国a n s y s 公司商业版 a n s y s 5 6 软件进行。计算载荷的确定方法和强度评估的方法参照日本工 业标准j i se4 2 0 7 “铁道车辆转向架构架设计通用技术条件”。 3 2 1 构架实体建模、结构离散 应用a n s y s j 6 软件进行有限元计算，先要对研究实体进行建模。 为获得零部件在各工况下较真实的应力及变形，如实地反映零部件实际 结构的重要力学特性，在进行三维实体建模时，则按照零部件设计结构 北京交通太学工程硕士论文 采用整体结构建立计算模型。但是在实际制造过程中，有很多工艺尺寸， 若考虑在内是很困难的，也是不实际的。在建模时应结合实际需要，进 行简化建模。 构架的实体模型力求反映主要承载结构，以真实再现其实际的受力 状态为原则，依据构架的技术设计图纸建立实体模型。经验表明，构架 实体模型建立过程中可以对非承载结构进行简化处理，计算精度能够得 到保证。 取整个构架进行分析，采用四边形或三角形线性板壳单元建立有限 元模型。整个构架结构离散为3 5 7 1 2 个板单元，离散模型见下图3 2 所 不o j u l 图3 2 有限元模型图 3 ，2 2 约束条件 在轴箱弹簧座处施加弹性边界元约束。弹性边界元刚度的选取参 照实际结构中每个轴箱弹簧的各向刚度值，即垂向0 7 m n m ，横 向2 1m n m ，纵向3 2m n m 。 北京交通大学工程硕士论文 图3 3 整体合成平均应力云图 图3 - 4 整体合成动应力云图 3 2 北京交通大学工程硕士论文 图3 5 侧横梁连接区域平均应力云图 图3 6 侧横梁连接区域合成动应力云图 北京变通太空王强坎上谁g | 雩。b i 北京交通大学工程硕士论文 图3 1 l 电机动载荷下的动应力云图 图3 1 2 扭转动载荷下的动应力云图 北京交通丈学工程硕上论文 3 2 6 静、动强度评估 按第3 1 2 节的强度计算条件及表3 3 中的材料性能数据，绘制出构 架用材及其焊接接头的疲劳强度极限图，见图3 1 3 和图3 、1 4 。 将计算所得合成应力( 参见表3 5 ) 的均值与动应力( 幅值) 分别点入 上述相应材料的疲劳强度极限图，可见除电机吊座与横梁连接处之外( 动 应力幅值为6 9 5 m p a ) ，构架各零部件焊接接头的合成应力均未超出未修 磨焊缝应力界限图( 疲劳强度极限图) 的允许范围，构架母材的最大动 应力( 齿轮箱吊座筋板，动应力幅值为1 1 0 8 m p a ) 也未超出相应材料应 力界限图的允许范围。因此，如对电机吊座与横梁连接处的焊接接头进 行修磨处理，则构架静、动强度均满足日本工业标准儿s e 4 2 0 8 “铁道车 辆转向架构架设计通用技术条件”的要求。此外，齿轮箱吊座与横梁连 接处的动应力幅值为6 0 5m p a 、纵梁与横梁连接处的动应力幅值为6 2 4 m p a ，接近未修磨焊缝疲劳强度极限图的允许值，应保证该处焊缝的焊接 质量，以提高其疲劳强度。 一2 5 02 0 0一1 5 0一1 0 0 一5 0 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 平均应力( 应保证该处焊缝的焊接 北京交通大学工程硕士论文 图3 1 4s t k m l 3 b 疲劳强度极限图 3 3 小结 参照日本工业标准j i se4 2 0 7 “铁道车辆转向架构架设计通用技术 条件”，对北京城铁动车转向架构架进行了静、动强度评估，现总 结如下： ( 1 ) 合成工况下，最大应力为1 6 1 3 m p a ，发生在侧梁上盖板下弯 角，该应力小于相应材料的屈服许用应力，该构架静强度满 足日本工业标准儿se4 2 0 7 的要求； ( 2 ) 合成工况下，电机吊座与横梁连接处、齿轮箱吊座与横粱连 接处、纵梁与横梁连接处和侧梁上盖板下弯角等区域是动应 力较大的部位，其中电机吊座立板与横梁连接处的动应力为 6 9 5 m p a ，已超过未修磨焊缝应力界限图的允许范围，但仍 在修磨焊缝应力界限图的允许范围内，其它焊接接头均未超 出未修磨焊缝的疲劳应力界限图的允许范围； ( 3 ) 如对电机吊座与横梁连接处的焊接接头进行修磨处理，则构架 及吊座的动强度均满足日本工业标准j i se4 2 0 7 “铁道车辆转 向架构架设计通用技术条件”的要求： 我国构架的制造工艺水平和制造质量与日本有一定的差距，采用日 北京交通大学工程项士论立 第四章构架强度试验 4 1 构架的静强度试验 4 1 。】试验目的 根据静强度应力测试结果，从屈服极限和疲劳极限两方面评估构架 的整体强度。 4 1 ，2 试验方法与要求 按日本j i se4 2 0 8 标准中所规定的载荷工况编制构架静强度试验大 纲。该大纲主要规定了在试验台上进行试验的试验载荷和试验步骤验 证转向架构架在运用载荷作用下的承载能力。试验的对象为按照批量生 产工艺过程和要求而制造的。试验时要求安装一系悬挂系统。 4 1 3 应变片布点原则 由于转向架构架主粱基本为对称结构，根据施加的载荷工况，主梁 结构上的应变片布点可按1 4 区域安排。电机座、齿轮箱吊杆座和牵引 座的应变片布点按1 2 区域进行。主应力方向明确的测点，采用单向应 变片。主应力方向不确定的测点，采用4 5 0 应交花。所有测点的选择均 以预计可能发生较高应力的区域为对象。 应变片布置详见图4 1 应变片布置图； 单向应变片：2 5 个点( 序号n o 1 n o 2 5 ) ； 4 5 。应变花：2 0 个点( 序号3 l n o 5 0 ) 。 4 5 。应变花：2 0 个点( 序号n o 3 l 廿 o 5 0 ) 。 北京交通大学工程硕士论文 蓊稿颂贯蔼攮掌誊囊参誊芝爹亨差。 i 季；雾霉馨萋萋 箸薹i 一嚣童主童耋萋耋毫薹誊囊一 一i ? 囊誊主薹 i j ；薹誊警 誊薹墓羹i 蔓= _ | | 曩；i 砉耋罩薹墨囊嚣誊琵噩囊妻? 囊羔 北京交通大学工程硕士论文 4 1 4 试验设备 试验测试仪器设备见下表4 一l 。 表4 1测试仪器设备 测试仪器设备数量 d h 3 8 1 5 多通道程控数字自动巡检应变测量仪2 台 电液伺服作动器9 只 s t 一9 5 多通道电液伺服控制器l 套 力传感器9 只 电子测力仪2 台 手动液压缸和千斤项1 台+ 2 只 便携砂轮机2 只 4 1 5 载荷计算及加载方法 1 ) 垂向载荷 静载荷= 2 3 4 2 k n ； 动载荷= 2 3 4 2 o 3 = 7 0 t 3 k n 。 为了在两个空气弹簧的位置上施加相同的力，可以用专用加载装 置，在垂直加载梁中心，通过液压油缸顶施加载荷亦可以对每个空 气弹簧的位置上用两套加载装置。在两个空气弹簧座位置同时施加 ( 2 3 4 2 + 7 0 - 3 ) 2 = 1 5 2 3 k n 。加载方式示意如图4 2 所示。 北京交通大学工程硕士论文 图4 2 垂向加载示意图 2 ) 垂直斜对称载荷 在对角一系簧支承处加垫板，厚度为1 2 m m 。然后在两个空气弹簧 座位置同时施加2 3 4 2 2 = 1 1 7 1 k n 。加载方式示意如图4 3 所示。 图4 3 垂直斜对称载荷加载示意图 3 ) 牵引电机座载荷 电机自重5 9 k n ，联轴器o 3 k n ，动载荷取4 9 。通过试验工装将载 荷加在电机轴心上，相位同相。加载方式示意如图4 4 所示。 静载荷= 5 9 + o 3 2 = 6 0 5 k n ； 动载荷= 6 0 5 4 = 2 4 2 0 k n ： 向上载荷= 2 4 2 0 6 0 5 = 1 8 1 5 k n ； 向下载荷= 2 4 2 0 + 6 0 5 = 3 0 2 5 k n 。 北京交通大学工程硕士论卫 图4 4 牵引电机座载荷加载示意图 4 ) 齿轮箱吊杆座载荷 吊杆座载荷= ( f d 2 ) ( 1 + l i ) s 2 ( 2 4 9 0 0 8 0 5 2 ) ( 1 + 1 3 l o o ) 4 2 3 9 8 1 0 = 2 7 3 k n 。 载荷通过工装以1 8 。斜角施加在吊台平面上，相位反相。加载方 式示意如图4 5 所示。 图4 5 齿轮箱吊杆座载荷加载示意图 5 ) 纵向载荷 纵向载荷大小取垂直静载荷的0 3 倍，即2 3 4 2 o 3 = 7 0 3 k n 。通过 试验工装施加在两个牵引座上。加载方式示意如图4 6 所示。 图4 6 纵向载荷加载示意图 北京交通大学工程硕士论丘 6 ) 横向载荷 横向载荷大小取垂直静载荷的o 3 倍，即2 3 4 2 o 3 = 7 0 3 k n 。通过试验 工装单向施加在横向挡座上( 只受横向推力) 。加载方式示意如图4 7 所 不。 图4 7 横向载荷加载示意图 4 1 _ 6 强度评价依据 i ) 屈服强度 所有应变片测点的应力必须在每种材料的屈服强度范围内，应 变花测点的v o n m i s e s 应力也必须在屈服强度范围内。 转向架构架的材料特性如表4 2 所示： 表4 1 2转向架构架的材料特性单位：n m m 2 材料代号拉伸强度屈服强度弹性模量 泊松比 q 2 3 5 一b 3 7 52 3 52 1 1 0 5o 3 1 6 m n r5 1 03 4 52 1 1 0 50 3 s t k m l 3 b4 4 03 0 02 1 1 0 50 3 i i ) 疲劳强度 根据所有载荷工况的应力进行合成，得到的合成平均应力和合成动 应力，必须在每种材料的疲劳g o o d m a n 极限图内。 应力合成的计算方法见下节。 4 1 7 应力计算 i ) 应变花应力计算公式 设磊、岛；、岛。分别对应应变花o 。、4 5 。、9 0 。三个方向的 应变值。则： 北京交通大学工程硕士论丈 a ：垂直载荷( 1 3 9 ) 应力b ：垂直载荷( 1 9 ) 应力c ：斜对称应力 d 1 ：电机载荷应力d ：电机载荷应力e l ：驱动载荷 应力 e 2 ：驱动载荷应力g l ：纵向载荷应力g 2 ：纵向载荷 应力 h l ：横向载荷应力h 2 ：横向载荷应力 4 1 8 静强度试验结果 一) 、应变花测点的v o n m i s e s 应力 各载荷工况下应变花测点的v o n m i s e s 应力计算整理结果见表4 3 。 从表4 3 中分析：所有应变花测点的v o n m i s e s 应力未超出材料的屈 服极限。 表4 3 各片应变花的v o n m i s e s 应力( 一) 单位：m n m 2 工携 bacd 1d 2 e l e 2 g 1g 2h lh 2 例点 3 1 1 3 1 2 6 58 48 9 8 1 1 1 1l32 43 42 52 3 3 1 3 3 2 1 3 2 2 5 67 i1 9781 19 1 42 42 32 4 3 2 3 3 3 一l 3 3 2 2 53 43 51 42 3 3 1 3 5 1 l1 4 1 1 8 3 3 3 3 4 1 3 4 2 1 31 7 1 81 3 2 3 2 73 31 91 91 51 3 3 4 3 3 5 ，l 3 5 2 2 43 02 71 52 5 2 93 21 61 81 42 3 5 3 3 6 1 2 7 3 42 43 35 42 62 52 22 3 1 7 l 3 6 2 北京交通丈学_ = = 程硕士论文 4 7 2 4 7 ，3 4 8 1 4 8 2 5771 12 07778 22 4 8 3 4 9 1 4 9 2 o00121loo 9 l0 4 9 3 5 0 1 5 0 2 o1ooo 101l 1 2 0 o 5 0 3 二) 、单向应变片测点的应力 各载荷工况下单向应变片测点的应力计算整理结果见表4 4 。 从表4 4 中分析：所有单向应变片测点的应力未超出材料的屈服极 限。 表4 4 单向应变片应力单位：m n m 2 i 况 测 ba c d ld 2 e le 2g lg 2h 1h 2 15 97 66 371 31 11 19 1 378 24 86 25 26一1 1 1 0991 299 31 0 11 2 91 0 41 42 2 2 l 1 72 l 一2 91 61 6 49 61 2 0 8 9 1 52 5 2 42 5762 72 6 58 61 1 2 9 2 1 11 9 1 61 3782 42 3 65 57 1 6 27 1 2 75573 23 1 74 05 2 4 15776132 82 7 88 21 0 68 71 32 22 11 832 3 53 3 9 ( 坏)o0ooo0oo 00o l o8 71 1 49 6592 8 - 4 31 61 6 北京交通大学工程硕士论文 d = f z s 。1 4 f z q 1 4 。f z d = o 3 f z s = 3 0 15 k n ； e = 1 4 f y q + 1 4 x f y d = 0 ，7 2 q o = 9 3 4 5 k n ； f = 一1 4 x f y q 1 4 f y d = 一0 7 2 q o = 一9 3 4 5 k n 。 其他要求： a 在一次左、右曲线中动态交变次数2 0 次。 b 加载频率为5 h z 左右。 c 三点动载荷按同步相位施加，以利于产生最大应力组合。 疲劳试验的载荷历程曲线见下图4 1 1 。f z l 、f z 2 、f y 分别为左右空 气弹簧座和横向挡处的动载荷。 f z l f z 2 f y 图4 1 lu i c6 1 5 4 疲劳试验的载荷历程曲线 第二部分j i se4 2 0 8 标准工况下的载荷计算 本试验内容主要考核构架横梁上的6 个承载座的疲劳寿命。疲劳试 验施加的载荷如下： 构架垂向稳定辅助载荷( 静载荷) 北京交通大学工程硕士论文 旌加的静载荷大小以试验过程稳定为基本原则确定。 6 个承载座动载荷 动载荷大小按j i se4 2 0 8 标准确定，参见试验大纲。 1 ) 2 个电机座载荷 向上载荷= 1 8 1 5 k n ，向下载荷= 3 0 - 2 5 k n ，相位同相。 2 ) 2 个齿轮箱吊杆座载荷 齿轮箱吊杆座载荷= 2 7 3 k n ，相位反相。 3 ) 牵引座载荷 牵引座载荷= 7 0 3 2 = 3 5 1 5 k n ，通过工装分别施加在两个牵引座 上，一推拉。 此试验