A型地铁车辆ZMA080型转向架牵引装置_朱向阳
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3.5 中心销组装强度计算 3.5.1 载荷分析
由于中心销组装是由中心销和中心销座经压配合组 成，因此作为一个整体进行计算。中心销组装受力为牵引 分力 F 和减振器分力 FH 组成的复合力，F 和 FH 的方向相 互垂直。由于中心销组装为对称结构，而在压缩和拉伸时 中心销组装产生的应力分布是完全相同的，因此只计算 工况一、三、五。详见表 3。
表 1 牵引座的载荷工况
载荷工况 左侧销孔受力 /kN 右侧销孔受力 /kN 减振器安装座受力 /kN
一
35
35
- 6.2
二
35
35
- 6.2
三
104
104
- 6.2
四
104
104
- 6.2
五
174
174
- 6.2
六
174
174
- 6.2
在导向筒与复合弹簧接触的内孔施加位移约束，在 与连杆组装连接的销孔及与减振器连接座处施加力。 3.3.2 材料及机械性能
1 功能
本牵引装置的功能为：传递牵引力与制动力；适应转 向架与车体的相对旋转；兼作车辆整体起吊时的转向架 构架垂向支撑。
2 结构
本牵引装置安装在转向架构架的中部，采用中心销 式低位“Z”形双拉杆结构，轴重转移小，有利于牵引力的 发挥，牵引点高度 272 mm，如图 1 所示。
中心销压装在中心销座上，组成中心销组装，通过螺 栓安装在车体底架上。隔座、复合弹簧、调整垫板、压座、 开槽螺母从上到下依次安装在中心销上。装在复合弹簧 外部的牵引座则通过横向减振器和连杆组装与转向架构
-10-
第 33 卷 第 3 期 2010 年 5 月 20 日
◆ 研究开发 ◆
电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles
Vol. 33 No. 3 May 20th，2010
A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架牵引装置
朱向阳
（南车株洲电力机车有限公司， 湖南 株洲 412001）
复合弹簧是以一个单圈螺旋钢圆弹簧为骨架，与橡 胶硫化出来的圆筒体，钢圆弹簧被包裹在橡胶中而不可 见。安装时，复合弹簧先套到中心销上，此时复合弹簧与 中心销、牵引座之间均存在径向间隙。复合弹簧轴向被压 缩时发生径向膨胀，使间隙消失，将中心销与牵引座连接 成为一个弹性的关节。复合弹簧的主要作用是缓和转向 架对车体的冲击，保持车体的平稳，同时保证转向架能相 对于车体在一定范围内旋转。压座与开槽螺母用于控制 复合弹簧的压缩。为了防止在压缩过程中压座相对复合 弹簧转动而使之损坏，用圆柱销将压座与中心销轴向连 接，使压座只能沿中心销轴向移动。复合弹簧和压座之间 可使用调整垫板，保证压座与牵引座之间的间隙。
-8-
朱向阳·A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架牵引装置·2010 年第 3 期
架连接。连杆组装由连杆体、连杆销、套管、止挡等部件组 成。
中心销是牵引装置中最主要的连接与承载部件，从 选材、设计到加工都有严格的要求，安全性能要求很高。 对其使用应力必须严格控制。中心销座除了起与车体连 接的作用外，还兼作横向止挡的限位。
3 强度校核计算
采用 I- deas 三维软件分别对牵引装置的三大钢结构 部件— ——牵引座、连杆体、中心销组装作强度有限元校核 计算。有限元模型均选用非线性四面体单元进行网格划 分。 3.1 计算载荷工况
根据 UIC 615- 1《动力元件－转向架和走行部－结构 部件的一般规定（第 1 版）OR》，牵引装置的计算工况分 为以下 6 种：
根据强度评定依据，对照表 2 可知，所有工况均满足 强度要求。
-9-
电力机车与城轨车辆·2010 年第 3 期
不再示出）；工况一、三、五的最大 Von- Mises 应力分别为 93，279，490 MPa，均出现在中心销座孔与中心销配合段 的下端边缘处。
表 4 40CrNiMoA 钢和 GS-20Mn5V 钢的机械性能
文献标识码：A
文章编号：1672- 1187（2010）03- 0008- 03
Traction device of type ZMA080 bogie on type A metro vehicle
ZHU Xiang- yang
（CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China）
Key words：type A metro vehicle；type ZMA080 bogie；traction device；technology parameter；structure characteristic；intensity
ZMA080 型转向架是南车株洲电力机车有限公司在 引进西门子公司为上海明珠线二期工程开发的 SF2100 改进型地铁车辆转向架的基础上，自主化设计的 A 型地 铁车辆转向架，最高持续运行速度 80 km/h。
牵引座全部由 16MnDR 钢组焊而成。根据 GB 3531 《低温压力容器用低合金钢板》以及《科教装（2001）21 号》 附件 1 《200 km 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验 鉴定暂行规定》的附录 A，其材料的机械性能见表 2。
表 2 16MnDR 钢的机械性能
材料牌号
强度极限 / 屈服极限 /
[3] GB 3531，低温压力容器用低合金钢板[S]. [4] 科教装（2001）21 号附件 1，200 km 及以上速度级铁道车辆强度设
计及试验鉴定暂行规定[S]. [5] GB/T 3077，合金结构钢[S]. [6] DIN 17182，带改良焊接适用性和韧性的用于一般用途的铸钢技术
供货条件[S].
材料牌号 40CrNiMoA GS- 20Mn5V
强度极限 /MPa 980
500～650
屈服极限 /MPa 835 360
疲劳极限 /MPa 128 110
图 2 工况一作用下牵引座应力分布
3.4 连杆体强度计算 连杆体也全部由 16MnDR 钢组焊而成，因此其计算
结果及其判定与牵引座的相似。 计算结果表明：在所有工况下均满足强度要求。
牵引座是钢板焊接件，是复合弹簧、横向减振器、连 杆组装等部件的安装基础。其辅助功能是作为整体起吊 的垂向限位。
连杆组装将牵引装置与构架弹性连接起来，传递牵 引力与制动力，同时保证牵引装置与构架的连接能适应 空气弹簧高度的变化。其中连杆体为焊接件。
在牵引座上方，转向架构架上安装了 4 个螺栓，每侧 2 个。当车辆整体起吊时，牵引座随着车体提升直到被螺 栓挡住，然后构架乃至整个转向架也会随之被提升。在空 载状态下，螺栓端面与牵引座的上顶面之间的距离应避 免两者在非起吊状态时碰撞。
1—螺栓；2—牵引座；3—隔座；4—中心销；5—中心销座；6—复合弹簧；7—调整垫板；8—圆柱销；9—开槽螺母；10—压座；11—连杆体；12—套 管；13—止挡；14—连杆销。
图 1 牵引装置
收稿日期：2009- 11- 28 作者简介：朱向阳，高级工程师，1994 年毕业于湘潭大学机械设计专业，现从事电力机车转向架的总体设计开发工作。
载荷工况一：考虑纵向冲击，纵向启动时牵引机构承 担牵引拉力 kFqmax；
载荷工wk.baidu.com二：考虑纵向冲击，纵向启动时牵引机构承 担牵引压力 kFqmax；
载荷工况三：牵引机构承担 3g 纵向冲击拉力 3gmzh； 载荷工况四：牵引机构承担 3g 纵向冲击压力 3gmzh；
载荷工况五：牵引机构承担 5g 纵向冲击拉力 5gmzh； 载荷工况六：牵引机构承担 5g 纵向冲击压力 5gmzh。 其中，已知参数：转向架质量 mzh＝7.1 t；最大启动牵 引力 Fqmax＝50 kN；动载系数 k 取 1.4。 故有：kFqmax＝70 kN；3gmzh＝208 kN；5gmzh＝348 kN。 此外，横向减振器最大阻尼力 FH＝6.2 kN。 3.2 强度评定依据 在载荷工况一和二的载荷作用下，最大应力不得超 过材料的疲劳极限；在载荷工况三和四的载荷作用下，最 大应力不得超过材料的屈服极限；在载荷工况五和六的 载荷作用下，最大应力不得超过材料的强度极限。 3.3 牵引座强度计算 3.3.1 载荷分析 牵引座受到牵引（冲击）力和横向减振器阻尼力的作 用。由于牵引座为对称结构，牵引拉力和牵引压力对牵引 座产生的应力分布完全相同，故这里可以只考虑拉力。载 荷工况详见表 1。
摘 要：ZMA080 型转向架是在 SF2100 改进型地铁转向架的基础上设计的 A 型地铁转向架。文章主要介绍 ZMA080
型地铁转向架牵引装置的技术参数、结构特点及其强度校核计算。
关键词：A 型地铁车辆；ZMA080 型转向架；牵引装置；技术参数；结构特点；强度
中图分类号：U260.331+.7
Abstract：Type ZMA080 bogie is a kind of type A metro bogie based on the type SF2100 ameliorated metro bogie. This paper mainly presents the technology parameters，structure characteristics and intensity checking of traction device of type ZMA080 metro bogie.
表 3 中心销组装的载荷工况
载荷工况 一 三 五
F / kN 70 208 348
FH / kN 6.2 6.2 6.2
在中心销座上底面施加位移约束，在中心销上的安 装复合弹簧的轴段施加力。 3.5.2 材料及机械性能
中心销材料为 40CrNiMoA，中心销座材料为GS- 20Mn5V。 根据 GB/T 3077《合金结构钢》和 DIN 17182《带改良焊接 适用性和韧性的用于一般用途的铸钢技术供货条件》以 及《科教装（2001）21 号》附件 1《200km 及以上速度级铁 道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》的附录 A，其材料 的机械性能见表 4。
MPa
MPa
疲劳极限 /MPa 母材 焊缝
16MnDR（t =6~16 mm） 490～620
315
110
84
3.3.3 计算结果及其判定 工况一下的 Von- Mises 应力分布图如图 2 所示 （其
余工况的应力分布图由于分布规律基本一致，故不再示 出）； 不 同 载 荷 工 况 的 最 大 Von- Mises 应 力 分 别 为 56.3，58.1，169，171，281，283 MPa，均出现在侧板一、支座 二与上盖板的焊接交会角点。
3.5.3 计算结果及其判定 中心销组装在工况三下的 Von- Mises 应力分布图如
图3 所示（其余工况的应力分布图由于分布规律一致，故
图 3 工况三作用下中心销组装的应力分布
根据强度评定依据，对照表 4 可知：中心销和中心销 座均满足强度要求。
4 结束语
本中心销式牵引装置是城轨车辆转向架上的两种典 型的牵引结构之一（另一种为牵引杆式），可以作为模块 化部件使用。优点是牵引点低、轴重转移小，缺点是结构 较复杂。主要应用于低、中速重载车辆系列。前述计算表 明：牵引座的强度裕量不大，对于载荷工况大于本文工况 的使用场合，应当考虑加强。
参考文献：
[1] 朱向阳. A 型地铁 ZMA080 转向架悬挂系统［J］.电力机车与城轨车 辆，2008（4）.
[2] UIC 615- 1 OR，Tractive units- Bogies and running gear- General conditions applicable to component parts[S].
由于中心销组装是由中心销和中心销座经压配合组 成，因此作为一个整体进行计算。中心销组装受力为牵引 分力 F 和减振器分力 FH 组成的复合力，F 和 FH 的方向相 互垂直。由于中心销组装为对称结构，而在压缩和拉伸时 中心销组装产生的应力分布是完全相同的，因此只计算 工况一、三、五。详见表 3。
表 1 牵引座的载荷工况
载荷工况 左侧销孔受力 /kN 右侧销孔受力 /kN 减振器安装座受力 /kN
一
35
35
- 6.2
二
35
35
- 6.2
三
104
104
- 6.2
四
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104
- 6.2
五
174
174
- 6.2
六
174
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- 6.2
在导向筒与复合弹簧接触的内孔施加位移约束，在 与连杆组装连接的销孔及与减振器连接座处施加力。 3.3.2 材料及机械性能
1 功能
本牵引装置的功能为：传递牵引力与制动力；适应转 向架与车体的相对旋转；兼作车辆整体起吊时的转向架 构架垂向支撑。
2 结构
本牵引装置安装在转向架构架的中部，采用中心销 式低位“Z”形双拉杆结构，轴重转移小，有利于牵引力的 发挥，牵引点高度 272 mm，如图 1 所示。
中心销压装在中心销座上，组成中心销组装，通过螺 栓安装在车体底架上。隔座、复合弹簧、调整垫板、压座、 开槽螺母从上到下依次安装在中心销上。装在复合弹簧 外部的牵引座则通过横向减振器和连杆组装与转向架构
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第 33 卷 第 3 期 2010 年 5 月 20 日
◆ 研究开发 ◆
电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles
Vol. 33 No. 3 May 20th，2010
A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架牵引装置
朱向阳
（南车株洲电力机车有限公司， 湖南 株洲 412001）
复合弹簧是以一个单圈螺旋钢圆弹簧为骨架，与橡 胶硫化出来的圆筒体，钢圆弹簧被包裹在橡胶中而不可 见。安装时，复合弹簧先套到中心销上，此时复合弹簧与 中心销、牵引座之间均存在径向间隙。复合弹簧轴向被压 缩时发生径向膨胀，使间隙消失，将中心销与牵引座连接 成为一个弹性的关节。复合弹簧的主要作用是缓和转向 架对车体的冲击，保持车体的平稳，同时保证转向架能相 对于车体在一定范围内旋转。压座与开槽螺母用于控制 复合弹簧的压缩。为了防止在压缩过程中压座相对复合 弹簧转动而使之损坏，用圆柱销将压座与中心销轴向连 接，使压座只能沿中心销轴向移动。复合弹簧和压座之间 可使用调整垫板，保证压座与牵引座之间的间隙。
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朱向阳·A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架牵引装置·2010 年第 3 期
架连接。连杆组装由连杆体、连杆销、套管、止挡等部件组 成。
中心销是牵引装置中最主要的连接与承载部件，从 选材、设计到加工都有严格的要求，安全性能要求很高。 对其使用应力必须严格控制。中心销座除了起与车体连 接的作用外，还兼作横向止挡的限位。
3 强度校核计算
采用 I- deas 三维软件分别对牵引装置的三大钢结构 部件— ——牵引座、连杆体、中心销组装作强度有限元校核 计算。有限元模型均选用非线性四面体单元进行网格划 分。 3.1 计算载荷工况
根据 UIC 615- 1《动力元件－转向架和走行部－结构 部件的一般规定（第 1 版）OR》，牵引装置的计算工况分 为以下 6 种：
根据强度评定依据，对照表 2 可知，所有工况均满足 强度要求。
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电力机车与城轨车辆·2010 年第 3 期
不再示出）；工况一、三、五的最大 Von- Mises 应力分别为 93，279，490 MPa，均出现在中心销座孔与中心销配合段 的下端边缘处。
表 4 40CrNiMoA 钢和 GS-20Mn5V 钢的机械性能
文献标识码：A
文章编号：1672- 1187（2010）03- 0008- 03
Traction device of type ZMA080 bogie on type A metro vehicle
ZHU Xiang- yang
（CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China）
Key words：type A metro vehicle；type ZMA080 bogie；traction device；technology parameter；structure characteristic；intensity
ZMA080 型转向架是南车株洲电力机车有限公司在 引进西门子公司为上海明珠线二期工程开发的 SF2100 改进型地铁车辆转向架的基础上，自主化设计的 A 型地 铁车辆转向架，最高持续运行速度 80 km/h。
牵引座全部由 16MnDR 钢组焊而成。根据 GB 3531 《低温压力容器用低合金钢板》以及《科教装（2001）21 号》 附件 1 《200 km 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验 鉴定暂行规定》的附录 A，其材料的机械性能见表 2。
表 2 16MnDR 钢的机械性能
材料牌号
强度极限 / 屈服极限 /
[3] GB 3531，低温压力容器用低合金钢板[S]. [4] 科教装（2001）21 号附件 1，200 km 及以上速度级铁道车辆强度设
计及试验鉴定暂行规定[S]. [5] GB/T 3077，合金结构钢[S]. [6] DIN 17182，带改良焊接适用性和韧性的用于一般用途的铸钢技术
供货条件[S].
材料牌号 40CrNiMoA GS- 20Mn5V
强度极限 /MPa 980
500～650
屈服极限 /MPa 835 360
疲劳极限 /MPa 128 110
图 2 工况一作用下牵引座应力分布
3.4 连杆体强度计算 连杆体也全部由 16MnDR 钢组焊而成，因此其计算
结果及其判定与牵引座的相似。 计算结果表明：在所有工况下均满足强度要求。
牵引座是钢板焊接件，是复合弹簧、横向减振器、连 杆组装等部件的安装基础。其辅助功能是作为整体起吊 的垂向限位。
连杆组装将牵引装置与构架弹性连接起来，传递牵 引力与制动力，同时保证牵引装置与构架的连接能适应 空气弹簧高度的变化。其中连杆体为焊接件。
在牵引座上方，转向架构架上安装了 4 个螺栓，每侧 2 个。当车辆整体起吊时，牵引座随着车体提升直到被螺 栓挡住，然后构架乃至整个转向架也会随之被提升。在空 载状态下，螺栓端面与牵引座的上顶面之间的距离应避 免两者在非起吊状态时碰撞。
1—螺栓；2—牵引座；3—隔座；4—中心销；5—中心销座；6—复合弹簧；7—调整垫板；8—圆柱销；9—开槽螺母；10—压座；11—连杆体；12—套 管；13—止挡；14—连杆销。
图 1 牵引装置
收稿日期：2009- 11- 28 作者简介：朱向阳，高级工程师，1994 年毕业于湘潭大学机械设计专业，现从事电力机车转向架的总体设计开发工作。
载荷工况一：考虑纵向冲击，纵向启动时牵引机构承 担牵引拉力 kFqmax；
载荷工wk.baidu.com二：考虑纵向冲击，纵向启动时牵引机构承 担牵引压力 kFqmax；
载荷工况三：牵引机构承担 3g 纵向冲击拉力 3gmzh； 载荷工况四：牵引机构承担 3g 纵向冲击压力 3gmzh；
载荷工况五：牵引机构承担 5g 纵向冲击拉力 5gmzh； 载荷工况六：牵引机构承担 5g 纵向冲击压力 5gmzh。 其中，已知参数：转向架质量 mzh＝7.1 t；最大启动牵 引力 Fqmax＝50 kN；动载系数 k 取 1.4。 故有：kFqmax＝70 kN；3gmzh＝208 kN；5gmzh＝348 kN。 此外，横向减振器最大阻尼力 FH＝6.2 kN。 3.2 强度评定依据 在载荷工况一和二的载荷作用下，最大应力不得超 过材料的疲劳极限；在载荷工况三和四的载荷作用下，最 大应力不得超过材料的屈服极限；在载荷工况五和六的 载荷作用下，最大应力不得超过材料的强度极限。 3.3 牵引座强度计算 3.3.1 载荷分析 牵引座受到牵引（冲击）力和横向减振器阻尼力的作 用。由于牵引座为对称结构，牵引拉力和牵引压力对牵引 座产生的应力分布完全相同，故这里可以只考虑拉力。载 荷工况详见表 1。
摘 要：ZMA080 型转向架是在 SF2100 改进型地铁转向架的基础上设计的 A 型地铁转向架。文章主要介绍 ZMA080
型地铁转向架牵引装置的技术参数、结构特点及其强度校核计算。
关键词：A 型地铁车辆；ZMA080 型转向架；牵引装置；技术参数；结构特点；强度
中图分类号：U260.331+.7
Abstract：Type ZMA080 bogie is a kind of type A metro bogie based on the type SF2100 ameliorated metro bogie. This paper mainly presents the technology parameters，structure characteristics and intensity checking of traction device of type ZMA080 metro bogie.
表 3 中心销组装的载荷工况
载荷工况 一 三 五
F / kN 70 208 348
FH / kN 6.2 6.2 6.2
在中心销座上底面施加位移约束，在中心销上的安 装复合弹簧的轴段施加力。 3.5.2 材料及机械性能
中心销材料为 40CrNiMoA，中心销座材料为GS- 20Mn5V。 根据 GB/T 3077《合金结构钢》和 DIN 17182《带改良焊接 适用性和韧性的用于一般用途的铸钢技术供货条件》以 及《科教装（2001）21 号》附件 1《200km 及以上速度级铁 道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》的附录 A，其材料 的机械性能见表 4。
MPa
MPa
疲劳极限 /MPa 母材 焊缝
16MnDR（t =6~16 mm） 490～620
315
110
84
3.3.3 计算结果及其判定 工况一下的 Von- Mises 应力分布图如图 2 所示 （其
余工况的应力分布图由于分布规律基本一致，故不再示 出）； 不 同 载 荷 工 况 的 最 大 Von- Mises 应 力 分 别 为 56.3，58.1，169，171，281，283 MPa，均出现在侧板一、支座 二与上盖板的焊接交会角点。
3.5.3 计算结果及其判定 中心销组装在工况三下的 Von- Mises 应力分布图如
图3 所示（其余工况的应力分布图由于分布规律一致，故
图 3 工况三作用下中心销组装的应力分布
根据强度评定依据，对照表 4 可知：中心销和中心销 座均满足强度要求。
4 结束语
本中心销式牵引装置是城轨车辆转向架上的两种典 型的牵引结构之一（另一种为牵引杆式），可以作为模块 化部件使用。优点是牵引点低、轴重转移小，缺点是结构 较复杂。主要应用于低、中速重载车辆系列。前述计算表 明：牵引座的强度裕量不大，对于载荷工况大于本文工况 的使用场合，应当考虑加强。
参考文献：
[1] 朱向阳. A 型地铁 ZMA080 转向架悬挂系统［J］.电力机车与城轨车 辆，2008（4）.
[2] UIC 615- 1 OR，Tractive units- Bogies and running gear- General conditions applicable to component parts[S].