法国TGV高速列车焊接转向架构架的设计
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第 1 阶段对转向架构架寿命期 内工 作 的 受 力 情 况 有 了 更 深 的 了 解 。通过线路上的若干次试验 ,测
收稿日期 :1999 —03 —26
出了转向架各连接部件产生于构架 的各种负荷 、应力和加速度 。
第 2 阶段应用了计算机的现代 化计算手段 。通过一些合适的软 件 ,用有限元法可计算出很小尺寸 上每点的应力 。单元网格尺寸与应 变仪尺寸相近 ,因此可在计算与试 验之间建立一种对应关系 ,构成数 学公式 。
加速度/ (km·h - 1) ·s - 1
313 VVVF 逆变控制 (1M 控制) ,3 点 动电机
减速度/ (km·h - 1) ·s - 1
式 ,含轴重移动补偿控制
列车无线
常用 : 317 制动
感应无线 2 重系收发式 ( IR)
非常 : 417 ATC 装置连动电气指令式电空并
16
国外铁道车辆 1999 年第 4 期
法国 TGV 高速列车焊接 转向架构架的设计
Jacques Raison 等 (法)
提 要 介绍了法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的受力情况和设计原理 ,并对构架进行了尺寸验 证。
主题词 高速列车 转向架 构架 法国 分类号 U270. 33 Abstract The design principles and loading conditions of the welded bogie frame on TGV high speed train in
代表性 。研究采纳的焊接形式有 3 种 :对接焊 、角焊及凸件和板件之间 的焊接 。
前 2 种是传统的焊接方式 。第 3 种是经分析运营试验中发现的问 题后确定的 。实际上裂缝产生在如 凸台之类的外接件焊缝根部 ,过去 用于衡量角焊的标准并不严格 。在 这 3 类有代表性的焊接形式的试件 上进行抗弯疲劳试验 。另外为了使 试件的焊接质量与转向架构架的焊 接质量接近 ,试件制作按工厂生产 条件进行 。焊接质量为法国标准 NF F 012812 1 级 。试验按热应力要 求进行 。试件的加载部位为裂纹区 (焊缝根部) ,所受负荷为四点呈波 形单正弦交变弯曲载荷 。
力 (图 3) 二者的对比 ,核实不会有 出现疲劳裂纹的可能性 。
如果试验结果令人满意 ,再对
验台测出的或计算出的应力对照 。 当然 ,如果在前述各种试验过
程中出现临界值或裂缝 ,可采取有 效措施去消除隐患 。视隐患程度大 小 ,可通过有限元法计算或模拟静 态试 验 或 在 一 个 新 构 架 上 进 行 试 验 ,对改善效果予以证实 。只有在 进行上述所有试验并获得良好结果 的条 件 下 , 结 构 设 计 才 能 得 到 验 证 。
7 结论
图 4 TGV2A 高速列车承重转向架构架
图 5 必须遵守的标准
6 尺寸检验校核
转向架构架进行疲劳试验 ,以验证 构架的疲劳强度并找出可能隐藏的
为验证结构尺寸是否合理 ,做 薄弱点 。这些试验按次序反复实
一些试验是必要的 。这些试验按国 施 ,以反映车辆在左曲线和右曲线
际铁路联盟的程序进行 。该程序经 行驶时的接近静态和动态载荷 。
France are described. The dimensions of the frame are inspected. Key words high speed train ; bogie ; frame ; France Serial No. U270. 33
为普及并掌握高速列车技术 , 需在以下两方面改进转向架构架的 设计与制造 :首先是减轻构架重量 以降低线路的负荷 ;其次是控制质 量 ,以便在满足安全性及舒适度的 前提下优化构架结构 ,达到节省维 修保养费用的目的 。转向架构架设 计方面的改进经历了 3 个阶段 。
空间波无线 (SR)
转向架
用制动 ,迟入方式 (含再生 、保安 、 ATC
CS2ATC 装置
单拉杆式无摇枕 ,单元制动 ,固定 对雪制动装置)
监控器
轴距 2 100 mm
电动空压机
牵引 、制动指令直列传输 、故障监
主电动机
C22500LB 型 : 2 500 l/ min 控及车上检查装置综合的车辆信
最后 ,为满足设计者的需要 ,制 定了 Goodman 曲线图 (图 3) 。根据 不断裂概率为 9917 %和对焊结构 架在使用状态下分析得出的安全系 数 ,确定允许应力疲劳极限为 107 循环次数 。
在减轻结构质量研究方面 ,又 探索出另外两种途径即精加工和采 用高弹性极限钢材 。
精加工方面的研究涉及前面提 到的 3 种焊接形式 。对 2 种处理方 法进行了测试 : 焊接根部 TIG 重熔 后进行应力回火热处理 ;焊接根部 重熔后进行应力回火热处理后 ,再 进行预应力部位表面喷丸处理 。对 高弹性极限钢材也进行了同样方式 的试验 。
试验进行至试件出现约 1 mm 深的裂纹或至 107 次加载循 环 为 止。
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国外铁道车辆 1999 年第 4 期
按 Bastenaire 程序 (根据法国标 准 NF A 032405) ,在 30 多个试件上 进行几组试验 。经数据处理后 ,每 组试验均获得具有 50 %幸存概率 的疲劳极限及一个已知载荷比的标 准偏差 。该结果用伏勒曲线表示 (图 2) 。
(1) 对焊 、角焊 、凸件焊接 ; (2) 焊接的精加工 ; (3) 高弹性极限钢的应用 。 所有这些数据结果对进行以下 工作是必不可少的 : (1) 转 向 架 构 架 的 计 算 与 设 计; (2) 通过在试验台上进行静态 和动态试验以及通过线路上试验 , 对尺寸设计的正确性进行验证 ; (3) 对转向架构架进行验证 ; (4) 研究针对构架使用过程中 出现的缺陷而应进行的修改 。 显然焊接的质量和状态也是保 证转向架良好工作性能的 2 项基本 和必要的条件 。
计算须将转向架构架置于各种 载荷条件下 ,模拟直线 、曲线 、浮沉 和侧滚产生的应力动态变化 、线路 扭曲 、特殊应力 。
曲线产生的力可用一个横向力 (Fy) 表示 ,侧滚可通过垂直力 ( Fz) 的百分比β确定 。力的动态变化表 现为弹跳 ,也可通过垂直力 Fz 的百 分比β确定 。
图 3 法国国营铁路的 Goodman 曲线图
第 3 阶段获得了与生产构架使 用的材料和各种焊接方式的疲劳极 限相匹配的应力值 ( 计算和/ 或实
测) 。
1 转向架构架
转向架构架的主要作用是通过 悬挂装置 、减振装置和传动装置 ,连 接轮对与车体 ,并传递牵引力及制 动力 。
列车性能 (特别是车速和载重) 的不断提高 ,要求降低自重 ,提高安 全性和舒适度以及降低维修费用 , 这些因素促使法国国营铁路不断改 进机车车辆的基本部件 。
弹性极限和疲劳极限是用于核 定转向架构架尺寸是否合理的 2 项 基本标准 ,在特殊载荷的作用下 ,构 架各部分不应产生永久变形 (即构 架任何部位均应处于弹性极限范围 内) ,在车辆行驶时 ,通常遇到的合 成载荷作用下产生的应力应小于疲 劳极限 。
欧洲标准) 。这些计算标准对解决 一般领域范围内的问题无疑是有效 的 (如桥梁计算) ,但用于转向架构 架的设计则非常不合适 。
空调
注 对雪制动装置 ———降雪时给予指令 后 ,EP 阀输出 40 kPa～60 kPa 空气压力 ,牵引 、 惰行中闸缸保持低压 ,使闸瓦轻压车轮踏面 , 防止制动效果恶化 。
控制
4818 kW、集中型 、逆变控制 、全自
陈宝印 张维国 校
法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的设计 Jacques Raison 等 (法)
法国国营铁路建议进行过修改 ,以
经试验后 ,如构架没有出现裂
使其更能反映运营中的实际条件 。 缝 ,按照规定里程随即对构架进行
据此 ,一个有代表性的系列转 线路试验并测试受力较大部位的应
向架先经过常规静载试验 。这些试 力 。这一试验可验证受力结构所处
验目的在于通过实测应力与允许应 的振动环境的影响 ,同时可与在试
三相鼠笼式异步电动机 ,205 kW、
交流电机驱动 : 17 kW 息监控管理装置 ( TIS)
1 100 V 、140 A 、2 295 r/ min 驱动装置 平行轴齿形联轴器 ( WN 式) ,齿
数比 7179 (109/ 14)
辅助电源 170 kW DC/ DC 变换器 碱蓄电池 DC100 V250 Ah
多年来 ,制造转向架构架常用 要焊缝形式的疲劳特性是十分必要
钢材的允许应力均符合 ERRI B 12 的 。
委员会的 RP17 报告规定 (图 1) 。
法国国营铁路和阿尔斯通公司
一些工厂和铁路公司曾经使用 合作开展了 1 项研究 。虽然研究的 一些计算标准 (英国标准 BS 5400 、 基本焊接形式减少了 ,但有足够的
17
2 作用力
作用于转向架构架的作用力由 多种力 、位移及加速度构成 。这些 力可分为 2 类 :
(1) 外力 列车行驶时直接产 生的力 ,由列车荷重产生的垂直力 、 列车在曲线行驶和列车通过线路特 定点时产生的横向力 、列车通过扭 曲线路而产生的作用力 。
(2) 内力 其大小随着不同类 型转向架 ( 动力或承重) 构架而变 化 ,内力主要来源于转向架以下部 件如制动机 、减振器 、防侧滚扭杆 、 电动机 。总之 ,这些力都是固定在 转向架构架上承受加速度作用的部 件产生的力 。
所 得 应 力 应 符 合 UIC ORE man 曲线图中的极限要求 (图 5) 。
B12/ RP 17 技术文件规定的 Good2
使用非常精细的三维网格对凸
法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的设计 Jacques Raison 等 (法)
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缘 、铸件进行研究 ,可以看出组件的 特殊受力部位 ,从而能够优选最佳 构架结构 。
图 2 伏勒曲线
5 构架结构的计算原理
结构计算结果取决于计算模式 及处理方式 (网格划分和各种极限 条件精确程度) ,因此在计算过程中 须十分注意 。以 TGV2A 承重转向 架构架 (图 4) 为例 ,构架呈现一个 简化的壳体网格 (板单元) ,但可正 确模拟与悬挂装置和车体连接部件 相关的自由度 。这样可迅速地确认 钢板厚度及整个几何尺寸 。
目前现有的各种测试工具均有 一些误差 ,其所有结果与线路上试 验获得的结果难以吻合 :
(1) 确定的应力不精确 ; (2) 仅有 2 种焊接方式 ,并且 也不准确 ; (3) 没有说明焊接质量 ; (4) 没有考虑回火热处理和精 加工方法 ( TIG 回熔和表面喷丸处
4 允许应力
理) 。
因此确定转向架构架制造的主
每种载荷均包含静载荷 (准静 载荷) 和动载荷部分 。
最后 ,载荷分析包含 2 个方面 : 一是在车辆常规行驶时进行分析 ; 二是在特殊条件下 (重载 、碰撞 、脱 轨 、紧急制动等) 进行分析 。
3 尺寸设计标准
图 1 P275 NL1 钢的 Goodmanቤተ መጻሕፍቲ ባይዱRP17 曲线图
迄今为止 ,法国国营铁路的现 代化车辆主要使用按法国标准 NF EN 1002823 (esc A42FP) 用 P275 NL1 钢板焊接而成的转向架构架 。这些 构架都经过残余应力回火热处理 。
转向架构架是铁路所有车辆的 基本部件 ,其尺寸设计应在满足安 全性和舒适度标准的前提下 ,达到 轻量 、可靠和尽可能减少维修费用 的目的 。
应根据受力情况采用材料和焊 接形 式 , 使 转 向 架 构 架 尺 寸 最 佳 化 。
实际应用试验证明了需更精确 测定主要焊缝类型疲劳特性的必要 性 ,因此法国国营铁路和阿尔斯通 公司为建立涉及以下方面的数据资 料开展了研究 :
杨文波 译自《R. G. C. F》1998 , №5 ,17～23
王其利 校
收稿日期 :1999 —03 —26
出了转向架各连接部件产生于构架 的各种负荷 、应力和加速度 。
第 2 阶段应用了计算机的现代 化计算手段 。通过一些合适的软 件 ,用有限元法可计算出很小尺寸 上每点的应力 。单元网格尺寸与应 变仪尺寸相近 ,因此可在计算与试 验之间建立一种对应关系 ,构成数 学公式 。
加速度/ (km·h - 1) ·s - 1
313 VVVF 逆变控制 (1M 控制) ,3 点 动电机
减速度/ (km·h - 1) ·s - 1
式 ,含轴重移动补偿控制
列车无线
常用 : 317 制动
感应无线 2 重系收发式 ( IR)
非常 : 417 ATC 装置连动电气指令式电空并
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国外铁道车辆 1999 年第 4 期
法国 TGV 高速列车焊接 转向架构架的设计
Jacques Raison 等 (法)
提 要 介绍了法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的受力情况和设计原理 ,并对构架进行了尺寸验 证。
主题词 高速列车 转向架 构架 法国 分类号 U270. 33 Abstract The design principles and loading conditions of the welded bogie frame on TGV high speed train in
代表性 。研究采纳的焊接形式有 3 种 :对接焊 、角焊及凸件和板件之间 的焊接 。
前 2 种是传统的焊接方式 。第 3 种是经分析运营试验中发现的问 题后确定的 。实际上裂缝产生在如 凸台之类的外接件焊缝根部 ,过去 用于衡量角焊的标准并不严格 。在 这 3 类有代表性的焊接形式的试件 上进行抗弯疲劳试验 。另外为了使 试件的焊接质量与转向架构架的焊 接质量接近 ,试件制作按工厂生产 条件进行 。焊接质量为法国标准 NF F 012812 1 级 。试验按热应力要 求进行 。试件的加载部位为裂纹区 (焊缝根部) ,所受负荷为四点呈波 形单正弦交变弯曲载荷 。
力 (图 3) 二者的对比 ,核实不会有 出现疲劳裂纹的可能性 。
如果试验结果令人满意 ,再对
验台测出的或计算出的应力对照 。 当然 ,如果在前述各种试验过
程中出现临界值或裂缝 ,可采取有 效措施去消除隐患 。视隐患程度大 小 ,可通过有限元法计算或模拟静 态试 验 或 在 一 个 新 构 架 上 进 行 试 验 ,对改善效果予以证实 。只有在 进行上述所有试验并获得良好结果 的条 件 下 , 结 构 设 计 才 能 得 到 验 证 。
7 结论
图 4 TGV2A 高速列车承重转向架构架
图 5 必须遵守的标准
6 尺寸检验校核
转向架构架进行疲劳试验 ,以验证 构架的疲劳强度并找出可能隐藏的
为验证结构尺寸是否合理 ,做 薄弱点 。这些试验按次序反复实
一些试验是必要的 。这些试验按国 施 ,以反映车辆在左曲线和右曲线
际铁路联盟的程序进行 。该程序经 行驶时的接近静态和动态载荷 。
France are described. The dimensions of the frame are inspected. Key words high speed train ; bogie ; frame ; France Serial No. U270. 33
为普及并掌握高速列车技术 , 需在以下两方面改进转向架构架的 设计与制造 :首先是减轻构架重量 以降低线路的负荷 ;其次是控制质 量 ,以便在满足安全性及舒适度的 前提下优化构架结构 ,达到节省维 修保养费用的目的 。转向架构架设 计方面的改进经历了 3 个阶段 。
空间波无线 (SR)
转向架
用制动 ,迟入方式 (含再生 、保安 、 ATC
CS2ATC 装置
单拉杆式无摇枕 ,单元制动 ,固定 对雪制动装置)
监控器
轴距 2 100 mm
电动空压机
牵引 、制动指令直列传输 、故障监
主电动机
C22500LB 型 : 2 500 l/ min 控及车上检查装置综合的车辆信
最后 ,为满足设计者的需要 ,制 定了 Goodman 曲线图 (图 3) 。根据 不断裂概率为 9917 %和对焊结构 架在使用状态下分析得出的安全系 数 ,确定允许应力疲劳极限为 107 循环次数 。
在减轻结构质量研究方面 ,又 探索出另外两种途径即精加工和采 用高弹性极限钢材 。
精加工方面的研究涉及前面提 到的 3 种焊接形式 。对 2 种处理方 法进行了测试 : 焊接根部 TIG 重熔 后进行应力回火热处理 ;焊接根部 重熔后进行应力回火热处理后 ,再 进行预应力部位表面喷丸处理 。对 高弹性极限钢材也进行了同样方式 的试验 。
试验进行至试件出现约 1 mm 深的裂纹或至 107 次加载循 环 为 止。
18
国外铁道车辆 1999 年第 4 期
按 Bastenaire 程序 (根据法国标 准 NF A 032405) ,在 30 多个试件上 进行几组试验 。经数据处理后 ,每 组试验均获得具有 50 %幸存概率 的疲劳极限及一个已知载荷比的标 准偏差 。该结果用伏勒曲线表示 (图 2) 。
(1) 对焊 、角焊 、凸件焊接 ; (2) 焊接的精加工 ; (3) 高弹性极限钢的应用 。 所有这些数据结果对进行以下 工作是必不可少的 : (1) 转 向 架 构 架 的 计 算 与 设 计; (2) 通过在试验台上进行静态 和动态试验以及通过线路上试验 , 对尺寸设计的正确性进行验证 ; (3) 对转向架构架进行验证 ; (4) 研究针对构架使用过程中 出现的缺陷而应进行的修改 。 显然焊接的质量和状态也是保 证转向架良好工作性能的 2 项基本 和必要的条件 。
计算须将转向架构架置于各种 载荷条件下 ,模拟直线 、曲线 、浮沉 和侧滚产生的应力动态变化 、线路 扭曲 、特殊应力 。
曲线产生的力可用一个横向力 (Fy) 表示 ,侧滚可通过垂直力 ( Fz) 的百分比β确定 。力的动态变化表 现为弹跳 ,也可通过垂直力 Fz 的百 分比β确定 。
图 3 法国国营铁路的 Goodman 曲线图
第 3 阶段获得了与生产构架使 用的材料和各种焊接方式的疲劳极 限相匹配的应力值 ( 计算和/ 或实
测) 。
1 转向架构架
转向架构架的主要作用是通过 悬挂装置 、减振装置和传动装置 ,连 接轮对与车体 ,并传递牵引力及制 动力 。
列车性能 (特别是车速和载重) 的不断提高 ,要求降低自重 ,提高安 全性和舒适度以及降低维修费用 , 这些因素促使法国国营铁路不断改 进机车车辆的基本部件 。
弹性极限和疲劳极限是用于核 定转向架构架尺寸是否合理的 2 项 基本标准 ,在特殊载荷的作用下 ,构 架各部分不应产生永久变形 (即构 架任何部位均应处于弹性极限范围 内) ,在车辆行驶时 ,通常遇到的合 成载荷作用下产生的应力应小于疲 劳极限 。
欧洲标准) 。这些计算标准对解决 一般领域范围内的问题无疑是有效 的 (如桥梁计算) ,但用于转向架构 架的设计则非常不合适 。
空调
注 对雪制动装置 ———降雪时给予指令 后 ,EP 阀输出 40 kPa～60 kPa 空气压力 ,牵引 、 惰行中闸缸保持低压 ,使闸瓦轻压车轮踏面 , 防止制动效果恶化 。
控制
4818 kW、集中型 、逆变控制 、全自
陈宝印 张维国 校
法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的设计 Jacques Raison 等 (法)
法国国营铁路建议进行过修改 ,以
经试验后 ,如构架没有出现裂
使其更能反映运营中的实际条件 。 缝 ,按照规定里程随即对构架进行
据此 ,一个有代表性的系列转 线路试验并测试受力较大部位的应
向架先经过常规静载试验 。这些试 力 。这一试验可验证受力结构所处
验目的在于通过实测应力与允许应 的振动环境的影响 ,同时可与在试
三相鼠笼式异步电动机 ,205 kW、
交流电机驱动 : 17 kW 息监控管理装置 ( TIS)
1 100 V 、140 A 、2 295 r/ min 驱动装置 平行轴齿形联轴器 ( WN 式) ,齿
数比 7179 (109/ 14)
辅助电源 170 kW DC/ DC 变换器 碱蓄电池 DC100 V250 Ah
多年来 ,制造转向架构架常用 要焊缝形式的疲劳特性是十分必要
钢材的允许应力均符合 ERRI B 12 的 。
委员会的 RP17 报告规定 (图 1) 。
法国国营铁路和阿尔斯通公司
一些工厂和铁路公司曾经使用 合作开展了 1 项研究 。虽然研究的 一些计算标准 (英国标准 BS 5400 、 基本焊接形式减少了 ,但有足够的
17
2 作用力
作用于转向架构架的作用力由 多种力 、位移及加速度构成 。这些 力可分为 2 类 :
(1) 外力 列车行驶时直接产 生的力 ,由列车荷重产生的垂直力 、 列车在曲线行驶和列车通过线路特 定点时产生的横向力 、列车通过扭 曲线路而产生的作用力 。
(2) 内力 其大小随着不同类 型转向架 ( 动力或承重) 构架而变 化 ,内力主要来源于转向架以下部 件如制动机 、减振器 、防侧滚扭杆 、 电动机 。总之 ,这些力都是固定在 转向架构架上承受加速度作用的部 件产生的力 。
所 得 应 力 应 符 合 UIC ORE man 曲线图中的极限要求 (图 5) 。
B12/ RP 17 技术文件规定的 Good2
使用非常精细的三维网格对凸
法国 TGV 高速列车焊接转向架构架的设计 Jacques Raison 等 (法)
19
缘 、铸件进行研究 ,可以看出组件的 特殊受力部位 ,从而能够优选最佳 构架结构 。
图 2 伏勒曲线
5 构架结构的计算原理
结构计算结果取决于计算模式 及处理方式 (网格划分和各种极限 条件精确程度) ,因此在计算过程中 须十分注意 。以 TGV2A 承重转向 架构架 (图 4) 为例 ,构架呈现一个 简化的壳体网格 (板单元) ,但可正 确模拟与悬挂装置和车体连接部件 相关的自由度 。这样可迅速地确认 钢板厚度及整个几何尺寸 。
目前现有的各种测试工具均有 一些误差 ,其所有结果与线路上试 验获得的结果难以吻合 :
(1) 确定的应力不精确 ; (2) 仅有 2 种焊接方式 ,并且 也不准确 ; (3) 没有说明焊接质量 ; (4) 没有考虑回火热处理和精 加工方法 ( TIG 回熔和表面喷丸处
4 允许应力
理) 。
因此确定转向架构架制造的主
每种载荷均包含静载荷 (准静 载荷) 和动载荷部分 。
最后 ,载荷分析包含 2 个方面 : 一是在车辆常规行驶时进行分析 ; 二是在特殊条件下 (重载 、碰撞 、脱 轨 、紧急制动等) 进行分析 。
3 尺寸设计标准
图 1 P275 NL1 钢的 Goodmanቤተ መጻሕፍቲ ባይዱRP17 曲线图
迄今为止 ,法国国营铁路的现 代化车辆主要使用按法国标准 NF EN 1002823 (esc A42FP) 用 P275 NL1 钢板焊接而成的转向架构架 。这些 构架都经过残余应力回火热处理 。
转向架构架是铁路所有车辆的 基本部件 ,其尺寸设计应在满足安 全性和舒适度标准的前提下 ,达到 轻量 、可靠和尽可能减少维修费用 的目的 。
应根据受力情况采用材料和焊 接形 式 , 使 转 向 架 构 架 尺 寸 最 佳 化 。
实际应用试验证明了需更精确 测定主要焊缝类型疲劳特性的必要 性 ,因此法国国营铁路和阿尔斯通 公司为建立涉及以下方面的数据资 料开展了研究 :
杨文波 译自《R. G. C. F》1998 , №5 ,17～23
王其利 校