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．５Ｏｃｔ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－００２４－０３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：２０１２－０５－２５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ｉｇｅｓ格式后导入有限元软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ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１６ＭｎＲ，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·５２·　２０１２年第５期 杜子学，等：某型地铁车辆转向架构架强度及模态分析 从以上模态计算结果及振型图可知：构架前６阶为刚体模态，故没有振型变化；构架第７阶振型频率值为３０．４５Ｈｚ，自振频率数值较高，具有一定的扭转刚度，利于适应轮轨面的垂向不平顺性；第８阶、１１阶振型表明构架有一定的横向弯曲刚度；构架第９阶振型为平面剪切，且频率值较大，表明构架侧梁和端梁具有较大的刚度；第１０阶、１２阶振型说明构架有一定的横向、垂向弯曲刚度，构架整体刚度较大，其承载性较好。

通过模态分析可以得出，地铁车辆转向架构架自身振动频率较高，振型主要为两侧梁的扭转弯曲，并具有一定的扭转、弯曲刚度。

构架的最低固有频率为３０．４５Ｈｚ，远离６Ｈｚ～１０Ｈｚ的激振频率，与车体的振动频率的耦合性不高，能有效地避免与车体发生共振。

３　结论通过对某型地铁转向架构架结构强度分析以及模态分析可知，构架在４种工况下最大应力值为１０９．９ＭＰａ，低于许用应力值，满足设计要求；构架主要侧梁以弯曲摆动为主，其自振频率较高，最低固有频率远离６Ｈｚ～１０Ｈｚ的激振频率，其动态特性较为合理。

参考文献：［１］　严隽耄．车辆工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００３．［２］　范平清．ＭＢ＿１新型客车转向架构架强度疲劳寿命分析［Ｄ］．长春：吉林大学，２００７：２６．［３］　张胜兰，严飞．基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的车架模态分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００５（４）：１０－１１．［４］　杜子学，朱兴高．跨座式单轨车辆转向架构架模态分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１１（１１）：２２２－２２３．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｕｂｗａｙ　Ｂｏｇｉｅ　ＦｒａｍｅＤＵ　Ｚｉ－ｘｕｅ，ＸＵ　Ｄａｏ－ｌｅｉ，ＬＩＵ　Ｊｉａｎ－ｘｕｎ（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｓｕｂｗａｙ　ｂｏｇｉｅ　ｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ＣＡＴＩＡ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅｂｏｇｉｅ　ｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｙ　ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｒａｉｌｗａｙ　ｓｔａｎｄａｒｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ，ｔｏｏ．Ｂｙ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄ　ｍｏｄａｌ　ｓｈａｐｅ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｓｕｐｐｌｙ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｂｏｇ櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆ｉｅ（上接第２３页）参考文献：［１］　廖常初．ＰＬＣ的编程方法与工程应用［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００１．［２］　陈远龄．机床电气自动控制［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００４．［３］　王红．可编程控制器使用教程［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．［４］　王永华．现代电气控制及ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．［５］　谢克明，夏路易．可编程控制器原理与程序设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［６］　高勤．可编程控制器原理及应用（三菱机型）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６．［７］　贺哲荣．流行ＰＬＣ实用程序及设计［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００６．［８］　王磊，陶梅．精通ＬａｂＶＩＥＷ　８．０［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．［９］　杨乐平，李海涛，肖相生，等．ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１．［１０］　李向东．电气控制与ＰＬＣ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．［１１］　乔瑞芳．基于单片机和计算机的多媒体抢答器设计［Ｊ］．电子科技，２００９，２２（８）：４３－４７．［１２］　张晖．基于ＬａｂＶＩＥＷ的ＦＸ２Ｎ型ＰＬＣ与计算机通信实现［Ｊ］．自动化博览，２００８（８）：７８－８０．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒｕｓｈ－ａｎｓｗｅｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ａｎｄ　ＰＣＣＡＩ　Ｘｉａｏ－ｌｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｌｏｎｇ，ＤＯＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｌｉｎ，ＨＵ　Ｘｕｅ－ｍｉｎ，ＺＨＡＮ　Ｆｅｎｇ－ｗｅｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５１２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　ＦＸ２ＮＰＬＣ　ａｓ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　ｂｉｔ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｓ　ａ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａ　ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ｒｅｓｐｏｎｄｅｒ　ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｇｒａｐｈｉｃ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｓｔｒｅａｍ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＬａｂＶＩＥＷ８．６，ｓｏ　ｔｈｅＬａｂＶＩＥＷ８．６ａｎｄ　Ａｃｃｅｓｓ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｃｏｕｌｄｂｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｗｅａｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｒｕｓｈ－ａｎｓｗｅｒ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ８．６；ｒｕｓｈ－ａｎｓｗｅｒ　ｍａｃｈｉｎｅ；ＰＬＣ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ·６２·机械工程与自动化 ２０１２年第５期　。