某型动车组动力转向架构架优化设计

何 宇，曾 飞，王安斌，陈思成

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620；2.中船重工第七二五研究所洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南洛阳 471023）

0 引言

转向架作为动车组中的关键部件之一，是支承轨道交通车辆车体的重要部件，不仅承担了车辆安全、稳定运行的责任，还传递了各类复杂的载荷，其性能决定轨道交通车辆的运营质量。在对转向架构架进行研究设计过程中，构架的强度试验是不可或缺的研究内容。其中，强度试验包含了静强度试验和疲劳强度试验，前者的强度试验是判断构架是否会有永久变形的危险，后者是判断构架是否会发生疲劳裂纹。RK Luo、B V Briekle、B L Gabbitas和WX Wu等[1-3]，通过使用有限元法估算了一辆轨道交通车辆转向架构架的疲劳寿命。有相关学者和文献采用有限元方法和多体仿真技术，并选取了铁路摆式车辆的转向架构架作为研究对象，并分析和判定了构架的强度[4-6]。方孝钟、刘晓静[7-8]通过使用有限元分析方法、三维建模和多体仿真技术，估算了铁路货车车辆的构架疲劳寿命，并且在结构上对转向架构架进行了优化设计，达到了轻量化的目的。这是一个新的估算构架疲劳寿命的方式，允许构架承受随机动态载荷，使用该方法可以节约有限元分析计算的时间。

1 转向架构架强度分析

构架作为转向架的安装基础，用来安装转向架的相关部件，并传递及承受载荷，如垂向载荷（即重力）、横向载荷（如离心力）、纵向载荷（如牵引力、制动力）。本文的构架选自某型转向架，整体结构的组成如图1所示。某转向架构架的材质为SMA490BW，完成简化处理后的模型导入Workbench后，首先需要定义模型的材料属性，如表1所示。某转向架构架的模型最小厚度处在15 mm左右，所以本文设置最大网格单元尺寸为15 mm。约束的主要施加部位是一系弹簧和转臂定位座处。构架一系弹簧的弹性支承用垂向约束来模拟，构架的垂向约束施加在一系弹簧处，构架的横向约束和纵向约束施加在转臂定位座处。

图1 动力转向架构架结构

表1 SMA490BW材料属性

1.1 构架静强度

对某型转向架根据JISE 4207进行计算，转向架构架材料为SMA490BW时，材料的具体属性如表2所示。

表2 SMA490BW材料力学属性MPa

根据某型转向架构架的技术参数，使用JISE 4207标准对转向架构架进行静强度进行分析[9-10]。由表2可知构架材料SMA490BW的屈服许用应力为305 MPa，转向架构架前3种工况下的应力云图如图2所示。

图2 3种工况下的应力云图

根据JISE 4207标准，在各种载荷的单独作用下时，转向架构架出现最大应力的位置主要有转臂座和侧梁的连接处、横向止挡座和纵向连接梁的连接区域、制动吊座和横梁的连接处。其中，出现的最大应力值为126.66 MPa，发生在转臂定位座区域，该值小于材料的屈服许用应力，所以在参考JISE 4207标准下，构架满足静强度的要求。

1.2 转向架构架疲劳强度

驱动工况时，在载荷的单独作用下的工况中，提取这5个关键区域的应力值，关键区域的应力结果如表3所示。

表3 关键区域点的应力结果

将表3中的应力计算的结果放入Haigh疲劳极限图中，具体位置如图3所示。从图中可见，选取的5个关键点均落在疲劳极限图的规定范围内，所以该轨道交通车辆在驱动的时候，转向架的构架符合疲劳强度的要求[11-12]。

图3 JIS标准的Haigh疲劳极限

2 转向架构架优化设计

从2.1节的静强度分析中可以知道构架在超常载荷的工况下，其最大应力离屈服许用应力还有一定余量。因此，对构架进行适当的优化设计，不仅增强转向架构架强度，而且可以达到轻量化的目的，从而节约构架的制造成本。本文的优化采用了ANSYSWorkbench中的Design Explorer模块。

2.1 转臂定位座区域的优化设计

从第1节的静强度分析的结果中，可以发现转臂定位座区域是出现最大应力次数最多的位置，并且也是疲劳强度分析中相对较为危险的区域。出现这样的情况主要是由于某型动力转向架构架的特殊结构导致的，车辆在行驶过程中，垂向力、横向力、纵向力都会经过转臂定位座，实现车体和车轮之间力的传递。

选择转臂定位座的厚度作为设计变量，参数如表4所示。分析该设计变量在超常工况时，能否对构架起到优化的作用。如图4所示。

表4 设计变量的参数

图4 设计变量的区域

本次优化设计中，Workbench自动给出了6个设计点，如图5所示，并且计算出了该设计点的最大应力，迭代如图6所示。

图5 设计点的数值

图6 设计变量和目标函数的迭代

通过迭代图可以看见当转臂定位座厚度在36.9 mm左右时，其应力达到了波谷，且Workbench给到的推荐设计点如图7所示，所以根据迭代图和推荐设计点选取36.869 mm为最优设计点，该值圆整为36.9 mm。

图7 推荐的设计点1

选取最优设计点36.9 mm作为转臂定位座的厚度，重新建模，导入ANSYSWorkbench中建立静强度分析，选取超常工况4的载荷加载和约束方式。最终，设计点1的校核应力云图如图8所示。从图中可以看见，在该工况下最大等效应力值为238.82 MPa，小于材料的屈服许用应力322 MPa，满足构架的静强度要求，而且和优化前的252.78 MPa相比，确实对构架的强度起到优化的作用。

图8 最优设计点的校核应力云图

2.2 侧梁的尺寸优化设计

从2.1节的优化可以发现，优化后的构架其最大应力距离屈服许用应力还有一定余量，所以选择侧梁的上盖板、下盖板作为设计变量，对构架进行轻量化的设计。仍然是选择超常工况作为极端工况，构架的变量参数如表5所示。

表5 设计变量参数

本次优化设计中，Workbench自动给出了10个设计点，如图9所示，并且计算出了该设计点构架侧梁的质量。

图9 设计点的数值

通过分析最终给到了3个推荐设计点，如图10所示，从图中可知最优的优化设计结果是上盖板16.7 mm和下盖板7.07 mm。从数据中可以知道，构架的侧梁质量减少了86.5 kg，构架的总体质量减少了4.4%，达到了构架轻量化的目的。

图10 推荐的设计点

对构架侧梁重新建模，导入ANSYSWorkbench中建立静强度分析，选取超常工况4的载荷加载和约束方式。最终，优化后的的校核应力云图如图11所示。从图中可以看见，在该工况下，优化后的构架最大应力值为253.41 MPa，低于材料的屈服许用应力322 MPa，所以满足构架的静强度要求。

图11 最优设计点的校核应力云图

3 结束语

本文参照JISE 4207标准对转向架构架进行强度评价时，根据应力云图可以得知，制动工况产生的应力最大，其值为152.38 MPa，出现于侧梁上的转臂定位座区域。因为其最大等效应力小于构架材料SMA490BW的屈服许用应力305 MPa，所以构架的静强度合格。

根据静强度的分析结果按照驱动工况提取关键区域的应力，计算平均应力和应力幅值，结合疲劳极限图评价构架的疲劳强度，选取的关键区域的点均落在疲劳极限图的规定范围内。结果表明，参照JISE 4207标准时，构架疲劳强度都满足要求。

优化设计部分，选取了转臂定位座厚度和侧梁的上、下盖板厚度作为设计变量，来达到提高构架结构刚度和构架轻量化的目的。最终结果表明，该设计保证了构架强度合格的同时，使构架的整体质量减少了4.4%，节约了生产的成本。