（车辆工程专业论文）广州地铁转向架结构改进研究.pdf

北京交通大学工程硕士学位论文 8 7 8 8 7 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。对车辆结构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。 本文首先分析裂纹产生的原因：如焊接缺陷，设计中缺乏有效的、切合 实际的载荷；其次，介绍了地铁转向架构架一些相对成熟的标准；再次，对 ，“州地铁转向架进行有限元强度计算分析；最后，针对广州地铁转向架电机 支架和齿轮箱出现的问题，通过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方案，提高了构架的可靠性。 关键词：转向架，结构强度，改进 北京交通大学工程硕+ 学位论文 a b s t r a c t r a j lt r a 塌co fc i t yh a si t sa d v a t a g eo fc a r r y i h g 啪mp a s s e n g e 删，m o 忡 e 仿d e m t ，m o r ec o m f o r t a b l e ，m u c hs a f e bo nt i m ee t c i ti st h ep n f e r r e dm o d e l o fp u b 】i ct r a f n ci ni t e m a t i o n a lc l n e s t h em o s ti m p o r t a n tr e q u i r e m e tf o r v e h i c l e s 缸s e c u r i t y a di no r d e rt oa s s u mt b es e c u r i t yo fav e h i c l e ，曲e r e l i a b m t yo fa up a n so f i ts h o u mb ei n v e s t l g a t e d t h eb o g l ei st h e m o “i i l l p o r t a n ta c c e s s o r yo fr 0 gs t o c k 譬；i t s r e h a b t yi sa s s i a t e dw j t ht h es e c u r 姆o ft h ew h i c kd i r e c t l y - t h eb o g i e s ， w h i c hw e r em a d en om a n e rj c h i n ao ra b r o a d ，h a v ep r o b k m si d i m 此t l e v e l s t h ep m b l e m sa r es o m ei m p o r t a 日tp a r t so fb o g i eh a v ef a 廿g u ec r a c k s ， w h i c hw e 忡c r u c i a lt ot h es e c m i t yo f t r a m c i nt h i sp a p e r ，r s t 】yt h en a s o n st h 时c a u s e dt h ec r a c k ss u c ba sw e l d i n g d e f e c i a c ko fp n c j s e u e s s ，e b c v ea a i y s 缸a n de x 珏c tv a l 埘a t i o nm e t h o d d u r i n gt h eb o g i e sp m d c t i o nw e r ea a i ”e d s e c o n d l y t h ed e s i 弘s t a n d a r d s f o rv e h i c i ea n db o g i ew e mi 味t r o d u c e d t h i r d l y an n i t ee l e m e ta a i ”i sf o r g u a h 鲜h o ub o g i ew a sc a r r i e d f i a i l y ， a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m so f g u a n g 曲o ub o g i eg e a r b o xb r a c k e t 粕dm o t o rc 蛐s o l e ，t h ed y n a m i cs t r e 盼 d u r l n gb o g i e u n er u n n i n gw a sm e a s n d ，t h ew e a kp a r t sw e r ef o u n do u ta n d i m p r o v i n gp i a sw e rp tf o r w a r d t h e s ep a r bc a ni n c r e a s et h er e l j a b j l i t yo f t h ep 州u c t k e yw o r d sib o g i e ；s t m c t u r es t r e g t h ；i m p r o v ep l a i j 北京交通大学工程硕上专业学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 自改革开放以柬，我国的城市规模和经济建设都有了飞速的 发展，城市化进程在逐步加快，城市人口在急剧增加，大量流动 人口涌进城市，人员出行交流频繁，使城市交通面临着严峻的挑 战，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混 乱的现象。如何解决城市交通问题己成为全社会关注的焦点和大 众的迫切呼声。 我国人口众多，目前百万人口以上的特大城市已发展到3 5 个，而5 0 1 0 0 万人口的大城市也达到4 3 个，但这些城市的公 共交通方式，绝大多数是采用传统的运量不大的公共汽车和无轨 电车。而客流量大现象已很普遍，低运量的交通工具已远远不能 满足民众出行的需要，这些都是困扰城市发展越来越严峻的重要 因素。 城市交通是保持城市活力最主要的基础设施，是城市生活的 动脉，制约着城市经济的发展。展望未来的城市交通事业，将给 我们提出了高速度、大运量、低污染的高效、快捷和舒适的运输 要求，靠运量和速度较低的公共汽车、无轨电车等己无法满足需 要，而唯一的解决办法就是建设快速轨道交通运输系统，即大、 北京交通大学工程硕士专业学位论空 中运量的地铁、轻轨系统，而且这已经成为解决城市交通问题的 共识。 随着城市建设的日新月异、迅猛发展，我国许多大城市都纷 纷策划修建大、中运量的地铁或轻交通项目，近十年来已有2 0 多个大城市，都不断投入大量人力和物力，进行了不同程度的轨 道交通项目建设前期工作和可行性研究。随着经济的发展，打算 修建轨道交通的城市将越来越多。因此对车辆的需求将臼趋迫 切。 随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，对车辆的性能 也提出了较高的要求。如铝台金或不锈钢轻量化车体，优良的运 行品质( 即高加减速度、优良的舒适性) 、高安全可靠性( 即按 国际标准要求的质量考核标准、防火标准) 、舒适的旅行环境、 高技术含量的牵引和制动系统、先进的列车自动故障诊断和控制 系统等。通过项目的实旌，不但能满足城市发展对轨道交通车辆 提出新的和更高的要求，而且还可蛆带动相关技术和产业的发 展，形成新的经济增长点。同时还能培养出一批专业技术人才， 使我国城市快速轨道交通接近和达到国际先进水平。 我国地铁车辆的分娄 ( i ) b 型地铁车 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 9 北京交通大学工程硕士业学位论文 年，我国最早的北京地铁通车。地铁建设投资大、工期长，在相 当长的时间旱，只有北京、天津建有少量地铁，使用的都是长春 客车厂( 以下简称“长客”) 生产的地铁车。长客是中国地铁车 辆工业的摇篮。参照苏联莫斯科型地铁车，该厂于1 9 6 7 年研 制出2 辆d k l 型地铁车，填补了国内的空白。长客还向朝鲜平壤 出口1 1 4 辆、向伊朗德黑兰出口2 l7 辆地铁车，到2 0 0 0 年长客 累计生产了3 1 个品种( d k l d k 3 1 ) 总计8 8 8 辆地铁车。这些地 铁车也吸收了日本地铁车有益的经验。 国标g b 7 9 2 8 把这种地铁车定为b 型车，主要参数：车体长 19 m ，车辆最大宽度2 8 m ，车辆定距1 2 6 m 。 ( 2 ) a 型地铁车 2 0 世纪9 0 年代，上海地铁1 、2 号线和广州地铁1 号线一 共从德国进口了4 3 2 辆地铁车。这些车辆的主要参数：车体长约 2 2 m ，车辆晟大宽度3 m ，车辆定距1 5 7 m 。标准g b 7 9 2 8 把该车 确定为a 型车。发达国家生产的地铁车价格昂贵，但技术上十 分先进。该车的引进把德国及欧洲地铁车辆的设计理念和相关标 准引入到中国，对我国地铁车辆的制造和使用产生了深远的影 响。 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 北京交通大学丁程硕士专业学位论文 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。 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，验证汁算的合理性；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。 1 2 本文的主要内容 本论文针对广州地铁转向架局部结构出现的裂纹问题，对构 架改进方案开展了以下研究工作： l 、分析了焊接构架裂纹产生的原因 2 、介绍了转向架的设计标准 3 、对广州地铁转向架构架的结构进行了强度分析 4 、针对广卅i 地铁电机支架和齿轮箱出现的问题，通过线路 动应力测试提出了疲劳试验载荷，并对改进方案进行了验证性试 验。 北京交通大学工程硪士专业学位论文 第二章焊接构架缺陷的分类与产生原因分析 2 1 受交变载荷而形成的疲劳裂纹 从1 9 世纪初叶首次发现疲劳破坏现象以来，人们对疲劳进 行了大量的实验研究，并越来越认识到疲劳破坏是机械产品的一 种主要失效形式。工程结构和机械设备在载荷的反复作用下都会 产生疲劳问题，疲劳破坏的现象遍及每个运动的零部件。据统计， 在现代工、【k 的各个领域，艮期承受随机载荷的机械大约有8 0 以上的结构失效是由于疲劳破坏造成的。 铁道车辆在运行过程中，作为走行以及支撑车体结构的转向 架，其各部分所承受的实际应力是连续的随机过程。在随机载荷 的长期作用下，转向架上承载构件将不断的产生疲劳损伤，当累 积损伤达到一定程度，就会导致疲劳破坏，严重危及行车安全。 钢的成分及组织不均匀，钢中存在的冶金缺陷都可能成为疲 劳源。表面加工情况如缺口、划伤等，也可能在交变应力作用下 形成疲劳裂纹。疲劳裂纹一般出现在应力集中处，其方向与受力 方向垂直， 疲劳裂纹的磁痕特征是：裂纹中问粗，两头细，中部磁粉聚 集较多，而两端逐渐减少，显示清晰。有时成群出现，在主裂纹 的旁边还有一些平行的小裂纹。 北京交通大学工程碗士专业学位论文 2 ，2结晶裂纹及其形成机理 结晶裂纹是热裂纹的一种，是在焊缝金属凝固过程中，低 熔点共晶被排挤在晶界形成液态薄膜( 如图2 1 所示) ，在焊 缝金属结晶的过程中，由于收缩而受到拉伸应力，这时焊缝中 的液态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在 这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。 21 结品裂纹 焊缝结晶过程可分为液相、液一固相、固一液相和固相四个 阶段，其中前两个阶段由于液相仍可在固相之间流动补充，最后 一个阶段结晶的固相形成刚性整体，具有良好的强度和塑性，都 不会产生裂纹，只有在固一液相阶段，由于低熔点共晶形成的液 态薄膜受到拉伸应力，在拉伸应力作用下就有形成结晶裂纹倾 向，该结晶温度区间称为脆性温度区间( 如图22 所示) 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图2 2 结晶过程的脆性温度区 p 一塑性y 一流动性 t n 一脆性温度区 因此，晶界间的液膜存在时问越长，也就是材料的固一液相 区间越宽，产生结晶裂纹的倾向就越大。 影响结晶裂纹的因素，大致可归纳为三个方面：冶余因素、 工艺因素与结构因素。 ( 1 )冶金因素对产生结晶裂纹的影响 由前面的分析可知结晶裂纹主要发生在结晶 过程巾的脆性温度区，合金的脆性温度区大小随着该台金的整个 结晶温度区问的增加而增加，阴影部分即表示脆性温度区大小。 当合金元素进一步增加时，结晶裂纹倾向反而降低，一直到 共晶点，整个台金几乎在同一个温度下结晶，此时，结晶裂纹的 北京交通大学工程硕士专业学位论文 倾向最小。 合金元素是影响裂纹倾向既复杂又本质的因素，它不仅影响 脆性温度区的大小和金属的塑性，同时也影响在脆性温度区内 的变形增长率。 ( 2 )工艺因素对产生结晶裂纹的影响 焊接速度：焊接速度增大焊缝宽度减小，增大了焊缝深度与 焊缝宽度比( 即增大焊缝形状系数) ，使柱状晶成长方向转向内 侧，不仅产生更强裂的中心线偏析，而且在同一部位更集中地 发生收缩变形，加大结晶裂纹倾向。 焊接线能量( q v ) ：适当增加焊接线能量，降低焊缝金属的冷 却速度，从而降低结晶裂纹的倾向。 焊根间隙：焊根留有间隙，焊缝受到的拉伸应力增加，易产 生裂纹。 焊接顺序：尽量使大多数焊缝在较小刚度的条件下焊接，使各 条焊缝都有收缩的可能，减少裂纹倾向。 ( 3 ) 焊接结构因素对产生结晶裂纹的影响 焊缝应变是由焊缝金属在其结晶过程中受到接头较冷部分 拘束所产生的收缩引起的，在焊接移动热源下应力分靠如图2 6 所示，随着结晶冷却，由于收缩，焊缝金属逐渐从受压应力转为 北京交通大学工程硕士专业学位论文 受拉应力作用的状态，因此，增加结晶裂纹倾向。 一 图23 焊接时焊接接头金属的结晶与应力状态 拘束应力的影响：拘束应力与焊件的结构钢性有较大关系，钢 性大，则焊缝受到的拘束应力就大，因此就容易产生结晶裂纹。 9 啭 北京交通太学工程砸士专业学位论文 2 3 焊接造成的缺陷 焊接裂纹可能在焊接过程中产生，也可能在焊后，甚至在放 置一段时间以后产生。 焊接裂纹形成的主要原因有以下几种： 1 ) 母材金属的碳含量或硫、磷含量过高时，其焊接 性变差，容易产生裂纹。 2 ) 焊条、焊剂等焊接材料中的合金元素和硫、磷含 量越高时，产生裂纹的倾向也就越大。 3 ) 低温或有风的情况下焊接，致使焊缝冷却速度过 快也容易产生裂纹。 4 ) 焊接厚板或其结构的刚性大也容易产生裂纹。 焊接裂纹从不同角度有以下4 ；同的分类方法。 2 3 1 热裂纹和冷裂纹 按形成裂纹的温度可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹一般产生 在1 1 0 0 1 3 0 0 高温范围内的焊缝熔化金属内，由于焊缝凝固过 程的拉应力和晶界上低熔点共晶体的存在，导致焊缝上产生裂纹 并沿晶扩展，有的延伸至基体金属内。热裂纹有纵向裂纹和横向 裂纹，露 h 工件表面的热裂纹断u 有氧化色。 冷裂纹一般产生在l0 0 一3 0 0 低温范围内的热影响区( 基体 北京交通大学工程硕士专业学位论文 金属和熔合线上) ，由于焊缝冷却过程的收缩应力，敏感的淬硬 组织和由氢气造成的接头脆化，导致在热影响区和弧炕上产生冷 裂纹。冷裂纹可能在焊完马上产生，也可能在焊完后数日、数月 才开裂。大多数冷裂纹是纵向的，深浅不一，长短不等。露出工 件表面的冷裂纹断口未氧化，发亮。 2 3 2 焊缝裂纹、热影响区裂纹和熔合线裂纹 根据裂纹产生的位置，焊接裂纹可分为三类： 1 )焊缝裂纹 焊缝裂纹是焊接裂纹中常见的。种，它产生在焊缝金 属中。按其形态与取向主要有三种，即纵向裂纹( 平行于 焊缝方向) 、横向裂纹( 垂直于焊缝方向) 和树枝状裂纹 ( 或放射状裂纹) 。 2 ) 热影响区裂纹 它产生在母材的热影响区内。这类裂纹多数向母材方 向扩展，而止于熔合线，个别情况也有穿过焊缝的。 3 ) 熔合线裂纹 它产生在焊缝与母材的交界处即熔合线上。 当焊件被固定时，在焊后的冷却过程中由于收缩应力的关系 北京交通大学工程硕士专业学位论立 而产生应力裂纹。它可以是横向的或纵向的，有时可以延伸到热 影响区。 在单道焊接时，所山现的应力裂纹通常是横向的，在多道焊 接时，所出现的应力裂纹通常是纵向的。 在开始焊接或停止焊接时，由于热源使用不当常可产生火口 裂纹。此时检查，要注意焊接开始的地方和焊接停止的地方。火 口裂纹具有不同的形状和方向，有星状裂纹、横向裂纹和纵向裂 纹。 焊接裂纹的大小不一，长度由儿毫米至数百毫米，深度较小 者为几毫米，而较大者可穿过整个焊缝厚度。 2 3 3 未焊透 熔化金属和基体金属间及焊缝层间的材质在焊接后没有熔 合称为未焊透。在探伤结果中，未焊透的磁痕较松敞，多呈带状。 未焊透主要是出以下原因产生的： 1 ) 电弧的电流和电压不足，而且焊接速度又过快。 2 ) 基体金属未充分加热就开始焊接。 3 ) 焊工技术不熟练或工作粗心。 4 ) 因有锈蚀、熔渣和氧化皮等污垢，影响基体金属边缘 熔化。 苎皇奎望盔兰三里堡圭童些兰垡堡苎 5 )坡口开度过小，电弧达不到坡口底部等。 2 3 4 气孔 焊缝上的气孔是在焊接过程中，气体在熔化金属冷却之前来 不及逸出而保留下来的孔穴。 产生气孔的主要原因是： 1 )基体金属含气体过多或表面有油污、铁锈存在。 2 ) 焊药或溶剂过于潮湿。 3 )焊接速度过快，熔化金属的快速冷却防碍气体逸出， 以及埋弧自动焊时没有溶剂保护。 这些气孔有的单独出现，有的成群出现。 2 3 5 夹渣 夹渣通常是由于气割后没有将焊接边缘的氧化铁皮或其他 不洁物去除干净、点焊时熔渣没有充分清除以及多层焊接情况 下，未将上一层的熔渣充分清除等原因所造成的。 另外夹渣也可能是由于熔化金属溶液中的某些化合物在其 冷却和凝固过程中沉淀于焊缝内，以及焊缝令属加入某些金属成 分被氧化所致。 夹渣在焊缝内分布情况，尺寸、数量及其性质是各不相同的。 北京交通大学工程颇上专业学位论文 夹渣的化学成分决定于焊条涂料的成分，填充棒的质量，以及熔 池内反应过程的温度条件等。 点状夹渣常存在于金属焊缝中，位置小固定；长条夹渣和间 断夹渣在焊缝的层间或熔合线上、手工焊与自动焊交接处、多层 焊的层与层之间。此种缺陷往往与未熔合同时存在。 2 4 本章小结 本章从焊接构架受交变载荷而形成的疲劳裂纹、结晶裂纹及 其形成机理、焊接造成的缺陷等三个方面详细论述了转向架裂纹 产生的原因，为后续的设计、运用维修和结构改进打下了基础。 北京变通太学工程硕士专业学位论文 第三章转向架构架改进结构的强度分析 3 1 转向架基本参数 广州地铁转向架设计参数如表3 1 所示。 表31转向架主要技术参数 表31转向架主要技术参数 序号参数名称单位 数值 i 空车质量 k g 3 6 0 0 0 2 最大载员数( a 驰) 人 2 9 0 3 每个载员重量 k g 6 0 4 单个转向架重量 k g 6 6 0 0 5单个牵引电机重量 垤 5 9 0 6 齿轮箱重量 k g 3 5 0 7联轴器重量 k g 3 0 8 同定轴距 2 5 0 0 9最大轮周牵引力 k n2 4 9 1 0 轮对重量 蚝 1 0 4 0 l l 车轮直径( 半磨耗) 8 0 5 1 2 齿轮箱传动比 7 6 9 1 3牵引电机重心距构架中心距离 7 2 8 1 4齿轮箱吊座承载点距车轴中心距离 4 2 9 1 5 每个轴箱弹簧垂向刚度 m n n0 7 1 6每个轴箱弹簧横向刚度 m n ，m2 1 1 7 每个轴箱弹簧纵向刚度 m n ，m32 1 8转向架材料的拉伸弹性系数e g p a2 1 0 1 9 泊松比系数u o 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 2 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。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， 如国际铁路联盟的标准u i c 6 15 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。 3 2 1 国际铁路联盟标准u i c 6 1 5 4 u i c 6 15 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l o o 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 北京交通大学工程顶上专业学位论文 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o 。，核算出该点的平均应力和应力幅值， 即a 。= 鱼誓 j ；旦! 二! 血( 31 ) 2 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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基的评估咀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 2 2 日本标准j i se4 2 0 8 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 虑的事项和在焊接接头设计中需考虑的事项。 ( 4 ) 刚度设计条件 刚度设计条什分为弯曲刚度和扭转刚度。 ! ! 塞奎望查堂三翌堡圭皇! ! 兰堡丝苎 3 2 21 载荷条件 ( 1 ) 载荷 静载荷为车辆在静止状态下转向架构架所承受的载荷，由 下式( 3 2 ) 决定： w = w 1 + w 2 + w 3 ( 3 2 ) 其中w ：转向架构架所承受的静载荷n ( k g f ) 。 w 1 ：一个转向架所分担的车体重量载荷n ( k g f ) 。 w 2 ：一个转向架所分担的装载重量载荷n ( k g f ) 。 w 3 ：由转向架构架零部件的重量所形成的载荷n ( k g f ) 。 ( 2 ) 动载荷 动载荷是车辆在运行状态下转向架构架所承受的载荷，作 为静载荷的附加成分。如表3 2 所示。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表3 2电动车转向架构架动载荷说明表 分类起因 动载荷取值 由静载荷垂直振动产生的载荷静载荷03 由安装的零部件的 牵引电机 牵引电机自重4 垂直方向振动引起的载荷驱动装置 驱动装置自重1 3 x 4 相当于轴重0 3 的粘着力，作 由驱动引起的载荷 用在驱动装置座t 的力 横向由横向振动和离心力引起的载荷静载荷03 纵向 由纵向振动和牵引力引起的载荷静载荷o3 相当于在转向架对角车轮位置垫 扭转 由外轨超高等引起的载荷 入1 2 m m 垫板所承担的载荷 3 2 2 2 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 ) 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1 ，2 ，再加上静载荷引起的 北京交通大学工程硕士专业学位论文 应力。 b 1 动应力 动应力为动载荷产生的应力，按式( 3 3 ) 进行计算 占。= 缸虿再万i 可 ( 3 3 ) 式中 s a 一动应力 s l 、s 2 、s ”s 。一各动载荷下的计算鹿力 但是，对脉动载荷所产生的应力s i ，则用该应力的1 2 进行 合成，并按式( 3 4 ) 进行计算 s 。=f i 再 、驰跏+ + 。坩； ( 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。 平均应力 图3 1 疲劳强度极限图 ( 3 4 ) 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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。 3 ，3 构架的疲劳强度分析 广州地铁转向架构架的强度计算，采用美国m s c n 盯r a n 、 m s c n a s t r a n 软件进行。计算载荷的确定方法和强度评估的 方法参照u i c 6 15 4 标准 3 3 1 构架实体建模、结构离散 应用m s c h 玎r a n 、m s c n a s t r a n 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町以对非承载结构进行简化处 北京交通大学_ ：_ 【= 提硕士专业学位论文 理，计算精度能够得到保证。 整个构架呈“h ”型，丈体模型如图3 2 所示。 北京交通大学工程硕十专业学位论文 图3 2 实体模型 侧梁、横梁以及内部加强筋板的设计厚度如图3 3 所示。 北京交通大学工程硕士专业学位论史 图3 3 板厚设计 构架上的不同焊缝类型如图3 4 所示。 北京交通大学工程硕士专业学位论立 北京交通大学工程硕士专业学位论文 罔3 - 4 构架上的不同焊缝类型 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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1 1 0 0 0 0 个节点，1 2 1 0 0 0 个 板单元，离散模型见下图3 5 所示。 图35 有限元模型国 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 3 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 o 7 m n m ，横向2 1m n m ，纵向3 2m n m 。 3 3 3 载荷条件 1 ) 垂直静载荷 构架所受垂直静载荷的作用位置为空气弹簧座和电机吊座。 空气弹簧座所受垂向载荷为： w 2 w 1 十w 2 + w 3 = ( 空车重量+ 最大载重一转向架重量) g 2 = ( 3 6 0 0 0 + 2 9 0 6 0 6 6 0 0 ) 9 8 2 = 2 1 0 k n 牵引电机自重= 5 9k n 2 ) 扭转载荷 在转向架对角车轮与钢轨接触位置施加1 2 5 m m 的固定位 移来模拟扭转载荷。 3 ) 牵引电机载荷 牵引电机对构架电机吊座的载荷，有两种情况，一种是车 辆的垂向振动引起的载荷，另一种是牵引电机施加牵引力、制动 北京交通大学工程硕士专业学位论文 力时的反作用力。计算时应该选取数值大的。牵引电机载荷垂直 作用在电机的重心位置。 由于车辆的垂向振动，动荷系数取3 9 ，加上自重l g ，实际 计算时电机吊座旄加载荷为2 4 2k n ( 4 9 ) 。 牵引电机输出的轮周牵引力为2 4 9 k n ，车轮的计算直径为 半磨耗状态8 0 5 m m ，换算至电机重心处的载荷为2 4 9 4 0 2 5 5 0 3 ：1 99k n 相比较可以得出由于振动的原因，对构架电机吊座所产生 的载荷相对比较大，用此载荷对构架进行考核。 4 ) 驱动装置载荷 驱动装置对构架齿轮箱吊座的载荷也分为两种情况，一种是 由车辆的垂向振动引起的载荷，另一种是牵引电机施加牵引力、 制动力时，在齿轮箱吊座处产生的反作用力。驱动装置载荷作用 在与齿轮箱吊座接口的位置。 驱动载荷 = ( 空车重量+ 最大载重) g 4 0 3 车轮半径驱动半径 = 4 1 5 k n 5 ) 纵向载荷 每牵引拉杆的纵向载荷 f x = 2 74k n 6 ) 横向载荷 f y = 6 8 2 k n 北京交通太学工程砸+ 专业学位论文 3 3 4 有限元计算结果 计算构架l 各单独载荷工况下的应力，如图3 6 3 1 l 所示。 单独载荷工况计算结果表明，在垂向载荷作用下，构架上 的摄大应力为8 5m p a ，发生在侧梁下盖板弯角部位，如图3 6 ； 在扭转载荷作用下，构架上的最大应力为4 3m p a ，发生在横侧梁 连接部位侧梁下盖板拐角部位，如图37 ；在驱动载荷作用下， 构架上的最大应力为8 1m p a 发生在齿轮箱吊座下盖板根部，如 图3 8 ；在电机载荷作用f ，构架上的最大应力为8 4 帅a ，发生在 电机吊座与横粱连接根部，如图39 ；在纵向载荷作用下，构架 上的最大应力为4 0 m p a ，发生在牵引拉杆座与横梁连接根部，如 图3 1 0 ；在横向载荷作用f ，构架上的最大应力为4 6 m p a ，发生 在侧梁上盖板弯角部位，蜘l 图3 1 l 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 6 垂向载荷作用下构架整体应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 7 扭转载荷作用下构架整体应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 北京交通大学工程硕+ 专业学位论文 图38 驱动载荷作用下构架楚体应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 北京交通太学工程硕士专业学位论文 图3 一g 电机载荷作用下构架整体应力云图 图3 一1 0 纵向载荷作用下构架整体应力云图 北京变通大学工程硕士专业学位论文 图3 1 1 横向载荷作用下构架整体应力云图 将各单独工况组合后，得到该构架上的动应力范围及其安 全系数，如图3 一1 2 图3 15 所示。 由图可见，整个构架的疲劳强度满足u i c 6 l5 4 规范的要求。 构架上的大应力部位为：侧梁下盖板弯角部位、横侧梁连接区侧 梁中央下盖板拐角部位、电机吊座与横粱连接根部，齿轮箱吊座 与横粱连接根部等，因此必须确保这些部位的焊接质量，认真打 磨。 北京交通大学_ _ r ：程硕士专业学位论文 圈3 1 2 合成载荷作用下构架应力云图 北京交通大学工程硕上专业学位论文 图3 1 3 合成载荷作用下构架局部应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 1 4整体构架疲劳安全系数 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 一1 5 构架内部筋板焊接部位疲劳安全系数 图31 6 齿轮箱吊座焊接部位疲劳安全系数 北京交通太学工程砸士专业学位论文 图3 1 7构架横梁焊接部位疲劳安全系数 北京交通太学工程硕士专业学位论殳 3 4 本章小结 在阐述构架设计规范的基础上，本章对，1 州地铁转向架构架 进行了细致的有限元计算和强度分析，结果表明，所设计的构架 满足u i c 6 1 5 4 规范的强度要求，结构设计基本合理。 ! ! 里墨望查兰三矍堡主主些兰堡堕壅 第四章 转向架电机与齿轮箱支架结构改进设计 4 1 转向架电机与齿轮箱支架疲劳问题 为广州地铁设计的转向架在运用一段时间后，在电机与齿轮 箱支架处发生了疲劳破坏，破坏的位置如图4 1 到4 4 所示。 图4 1 转向架电机支架疲劳裂纹 ! ! 塞奎塑查兰三塑堕主主些兰堡堡苎 图4 2 转向架齿轮箱疲劳裂纹 图4 - 3 转向架齿轮箱疲劳裂纹 北京交通大学工程硕十专业学位论文 图4 4 转向架齿轮箱支架疲劳裂纹 4 2 转向架电机与齿轮箱支架载荷测试 如前所述，为了对上述结构进行改进，首先需要掌握转向架 电机与齿轮箱支架的实际受载情况。 转向架电机与齿轮箱支架的动应力测点布置图见图4 5 到 4 7 6 。 根据图4 - 8 的载荷力系，将测试的应力数据进行统计分析并 转换成等效载荷值。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图4 5 转向架电机动应力测点布置图 图4 - 6 转向架齿轮箱动应力测点布置图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图4 - 7 转向架齿轮箱动应力测点布置图 图4 8 识别的载荷力系 北京交通大学工程硕士专业学位论文 通过测试结果识别的最大等效载荷见表4 1 。 表4 1实测最大等效载荷 静态力动态力 最大摄小最大最小 z 1 电机x 方向+ 3 19 k n 3 19 k n + 2 2 4 k n 一2 24 k n z 2 电机y 方向 + 2 0 7 k n2 07 k n+ l55 k n一1 5 5 k n z 3 电机z 方向+ 1 6 8 k n 2 80 k n + 134 k n2 4 6 k n z 4 牵引杆 + 1 6 o k n一1 6 o i ：n + 1 50 k n - 15 o k n z 5 齿轮箱支架 + 4 40 k n4 40 k n+ 2 9o k n2 9 0 ，( n 北京交通大学工程硕士专业学位论文 4 3 转向架电机与齿轮箱支架改进方案验证 4 3 1 转向架电机与齿轮箱支架改进方案 转向架电机与齿轮箱支架改进方案见图4 9 和4 1 0 。 图4 9 转向架电机及齿轮箱支架改进方案 43 2 转向架电机与齿轮箱支架改进方案验证试验 43 2 1 测试条件 坐标系统使用笛卡儿直角坐标系。 北京交通大学工程俩上专业学位论文 原点在轨面上面，转向架中间。横轴( x 轴) 正向为列车行 进方向。纵轴( y 轴) 指向车辆左侧。 力和位移的正向在实际结构静载荷致。 在将构架装夹在测试台上之前需要完成一个引入的构件检 查。如果发现一个裂纹，必须立即更换。 电机所加的加速度都由实测而来。 在夹具上施加三个方向的力( 见图4 8 ) ： 电机的扭矩由在圆柱体z 1 上施加一个垂直方向的偏移产 生。 纵向力旆加在圆柱体z 4 ( x 方向) 上。 齿轮箱的动应力施加在圆柱体z 5 ( z 方向) 。 载荷通过液压系统加到结构上，所有的作用头应该由力所 控制( 力经过测量来控制) 。所有的载荷经过了合适的方法来测 量。 4 3 2 2 静态测试 ( 1 ) 标定测试 这些测试是为了对测试的设备和测试仪器进行标定。测试 机构可以按照标定的要求进行测试。 ( 2 ) 载荷 北京交通大学工程硬士奇业学位论文 载荷不应该超过静态测试值( 见表4 2 ) 。 载荷应该以渐增的方法来加载，以便可以观察到所有的应 变计。如果有一个应变计超过了屈服极限，那么试验应该立即 结束。 曲模仿测试峰值的静力测试 载荷代表着在实测中的只发生一次的最大值，力应该按照 表4 2 进行加载。 表4 2静裁荷 静载测试的最大峰值 ( k n ) s 0 1s 0 2s 0 3s 0 4s 0 5s 0 6s 0 7s 0 8s 0 9s 1 0 电机x3 1 9 3 19 向( z 1 ) 电机y 2 072 07 向( z 2 ) 电机z16 82 8o 向( z 3 ) 牵引杆1 6 o1 6 o ( z 4 ) 齿轮耥 4 40 支架 ( z 5 ) 4 4o 北京交通大学工程硕士专业学位讫文 b ) 载荷施加步骤 载荷旋加在单一传力点，在这些试验过程中需要注意应变计测 得的应变大小。如果任何一个应变计得到的值大于屈服极限，那 么就应该立即停止试验。 4 3 2 3 动态测试 这次试验所加的载荷是由广卅f 的实测数据根据转向架的疲 劳寿命以3 0 年( 5 0 0 0 0 0 次循环) 而计算出来的。对施加的每一 个力都选择最大值。 ( 1 ) 扭矩到力的转换 沿x 方向施加一个偏离原点n m m 的力来产生作用在电机上 的扭矩( 见图4 8 ) 。 m m o 仁f m o p n m m o c _ 20 0 0 n m n = 8 9 m m ( 2 ) 动应力与载荷的关系 在试验过程中通过进行动应力测试，监测施加的载荷，监测的结 果列于表4 3 。 北京交通大学工程硕士寺业学位论立 表4 3监测的动载荷 力( k n )实测载荷 顺序偏移 z 1电机x 方向的力0 士2 24n = 8 9 m m z 2 电机y 方向的力 o 1 55 z 3 电机z 方向的力5 6 4 l g0 z 4牵引杆o 1 5 0 z 5 齿轮箱支架o 士2 90 在上述试验条件下，转向架电机与齿轮箱支架改进方案通过 了试验验证。 北京交通丈学工程硕士专业学位论文 4 4 本章小结 本章针对广卅i 地铁转向架电机与齿轮箱支架出现的疲劳裂 纹问题，通过现场调查，确定了通过测试转向架电机与齿轮箱支 架的动应力计算实际受载情况的方案。 在上述测试的基础上，针对改进结构计算了对应转向架疲劳 寿命为3 0 年的疲劳加我方案。 在上述试验条件下，转向架电机与齿轮箱支架改进方案通过 了试验验证。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第五章总结与展望 51 论文的总结 本文主要完成了以下工作： 1 、分析了焊接构架裂纹产生的原因