某型地铁车辆转向架构架强度及模态

第５期（总第１７４期）

２０１２年１０月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５

Ｏｃｔ．

文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－００２４－０

３某型地铁车辆转向架构架强度及模态分析

杜子学，徐道雷，刘建勋

（重庆交通大学，重庆　４０００７４

）摘要：通过ＣＡＴＩＡ软件建立某型地铁车辆转向架构架的三维实体模型，采用ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ建立了该型地铁转向架构架结构强度分析的有限元模型，参照铁路相关标准，计算得到其强度分析应力结果，验证了该构架结构设计的合理性。通过模态分析，获得该构架的各阶模态频率及模态振型，为构架的动态特性设计提供参考。关键词：构架；强度分析；模态分析；转向架中图分类号：Ｕ２６０．３３１ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０１２－０３－１３；修回日期：２０１２－０５－２

５作者简介：杜子学（１９６２－）

，男，河北邯郸人，教授，博士，研究方向为现代车辆设计方法与理论、载运工具运行品质、交通安全。０　引言

地铁转向架是地铁车辆的重要组成部件，是支承车体并负担车辆沿着轨道走行的支承走行装置，其结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能和行车安全。地铁转向架构架在运动过程中不但要承受车体传递的载荷、

牵引电机部分载荷，而且需要传递牵引力、车钩冲击力、制动力和车辆通过曲线时的横向载荷

等各种垂向、纵向、横向力［１］

。因此，其结构安全是转

向架结构强度设计的首要目标。

１　地铁车辆转向架构架结构强度分析

１．１　构架结构分析有限元建模

本文研究的地铁车辆转向架属于无摇枕转向架，具有结构简单、零部件少、重量轻、噪声低、维修工作量少等优点。该转向架主要由构架、轮对轴箱装置、轴箱定位装置、二系悬挂及牵引装置、空气弹簧、横向油压减震器和横向橡胶缓冲止挡、基础制动装置以及传动装置等组成。其构架主要由侧梁、横梁、纵梁、托板、弹簧支座等组成，构架的主要连接形式为焊接。该转向架构架三维建模采用ＣＡＴＩＡ软件完成，如图１所示。将几何模型转换为ｉｇ

ｅｓ格式后导入有限元软件Ｈｙｐ

ｅｒｍｅｓｈ中进行前处理，经过修补缺失的几何信息及几何简化后，对各焊接薄板抽取中面，划分二维壳单元网格，各支座采用六面体网格模拟。构架材料为１６

ＭｎＲ，其弹性模量Ｅ＝２．０９×１０５　

ＭＰａ，密度ρ＝７．９×

１０３　

ｋｇ

／ｍ３，泊松比ｖ＝０．２８，屈服极限为３９６ＭＰａ，强度极限为５６６ＭＰａ，许用应力为３４５ＭＰａ

。边界条件的正确与否对有限元计算结果影响重

大。在空气弹簧座处施加弹性边界元约束，而与六面

体单元相连接的是板壳单元，两者自由度不同，所以约

束这８个支座Ｘ、Ｙ、Ｚ平动方向的三个自由度［２］

。构架有限元分析模型如图２所示。

图１　构架三维模型

图２　构架有限元分析模型

构架所受载荷计算参照ＴＢ１３３５－１９９６《

铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》

。该型地铁转向架构架载荷计算参数见表１。

表１

构架载荷计算参数

垂向静载荷Ｐｓ包括自重、载重和整车重量，Ｐｓ＝

３４２ｋＮ。垂向动载荷Ｐｄ由垂向静载荷乘以垂向动载

荷系数而定，Ｐｄ＝１０２．６ｋＮ。侧向力Ｈ包括风力及离心惯性力，Ｈ＝６４ｋＮ，离心惯性力按垂向静载荷的１０％取值。侧向力引起的附加垂向载荷Ｐｎ＝２６ｋＮ，纵向惯性力Ｑ按地铁车辆紧急制动时的最大减速度计算，Ｑ＝４２ｋＮ，纵向惯性力引起的垂向载荷Ｐａ＝５．３ｋＮ。１．２　强度分析

参照ＴＢ１３３５－１９９６《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》对构架进行有限元分析计算与评价。工况选取见表２。

表２　工况选取

序号工况构架受力情况

１满载静止垂向静载荷

２转弯垂向载荷＋侧向载荷及附加垂向载荷

３制动垂向载荷＋纵向惯性力及附加垂向载荷

４转弯制动

垂向载荷＋侧向载荷及附加垂向载荷＋纵向惯性力及附加垂向载荷

各工况下，除载荷的大小和施加位置不同外，网格单元类型、约束条件都相同。经有限元分析与计算，得到的各工况下构架最大应力如下：工况１为８２．５ＭＰａ；工况２为１０８．２ＭＰａ；工况３为１０９ＭＰａ；工况４为１０９．９ＭＰａ。

工况１与工况４的构架强度分析应力云图如图３所示。

由构架强度分析计算结果可知，４种工况下，构架的最大应力均不超过其材料的许用应力（许用应力为３４５ＭＰａ），表明该型地铁转向架构架结构设计合理。２　地铁车辆转向架构架模态分析

通过对结构的有限元模态分析，可以得到其各阶固有频率和相应的振型，然后通过对振型的分析，用以评价结构的动态特性，发现结构设计中的不足以及引起问题的原因，为结构的优化设计和疲劳分析提供必要依据［３］。车辆结构弹性体振动频率与多自由度刚体系统的振动耦合是影响乘坐舒适性的重要问题，

而振动耦合对车辆运行品质及其结构疲劳影响较大，故对地铁车辆转向架进行结构模态分析是十分必要的。

考虑到地铁车辆在运行过程中为低阶振动［４］，故提取构架前１５阶自由模态。根据模态计算结果，构架第１３阶振型频率为１４０．０５Ｈｚ，属于高阶振型，故只考虑构架的前１２阶振型。模态分析计算结果及振型见表３。

图３　工况１与工况４构架强度分析应力云图

表３　模态分析计算结果及振型

阶次频率值（Ｈｚ）振型

１～６　０无

７　３０．４５扭转振型，侧梁两端上下摆动

８　５２．９１侧梁横向摆动

９　６８．８９平面剪切

１０　７０．１９侧梁横向摆动，横梁垂向弯曲

１１　８９．９８侧梁横向弯曲

１２　９６．９１侧梁垂向弯曲

构架７阶～１２阶的振型图（放大２００倍）如图４所示。

图４　构架７阶～１２阶的振型图

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