蒋秋林 王莲芝

(1.武汉钢铁(集团)公司运输部，430083，武汉;2.苏州大学城市轨道交通学院，215317，苏州∥第一作者，高级工程师)

直线电机车辆的牵引力是在车载定子和感应轨间直接产生，不需齿轮传动装置，因而减少了转向架的质量;其车轮仅起支撑承载作用，不传递牵引力，因而不再受到轮轨粘着因素的制约。非粘着的牵引模式使其具有较好的爬坡能力，并能在恶劣的环境和轨面条件下保持良好的性能。直线电机车辆线路的最大坡度可达60‰。从动力学性能方面看，直线电机车辆转向架多采用径向转向架，提高了车辆的曲线通过性能。目前使用直线电机车辆的线路其最小曲线半径可到80 m。此外，该种车辆还可降低曲线区段轮轨的磨耗，且车辆重心低，运行平稳性好。副构架交叉杆式径向结构直线电机车辆转向架是众多直线电机车辆径向转向架的一种实现形式［1－4］。

副构架交叉杆式径向结构直线电机车辆转向架能很好地增强车辆的曲线通过性能［4－6］。但在实际运行中，载荷及振动情况十分复杂，如果副构架与轴箱/轴的连接方式不适当的话，会对径向装置的结构产生很大的影响［7］。采用该种径向结构形式的某型货车转向架就曾经在副构架与轴箱连接处出现过裂纹［8］。为此，本文在对该型转向架进行简单介绍之后，将对其径向装置的连接方式及其在运行过程中不同连接形式下连接处应力进行较深入的研究分析。

1 副构架转向架及其径向装置结构

1.1 副构架交叉杆直线电机车辆转向架

轴箱内置式副构架交叉拉杆自导向直线电机车辆径向转向架结构如图1所示。该转向架主要结构特点为:①一系采用内置轴箱定位装置，跨距小;采用锥形橡胶弹簧与圆锥形橡胶堆进行定位与悬挂，结构简单实用。②直线电机悬挂方式选用5点轴箱悬挂，电机通过5根吊杆悬挂在前后轴的轴箱上，气隙稳定。③径向导向装置采用副构架交叉杆式自导向机构，通过合理的副构架参数设置，能保证转向架在直线上具有较高的临界速度，又能使车辆通过曲线时轮对趋于径向位置，减小轮轨之间的磨耗与噪声。④转向架无心盘、摇枕、摇动台，完全由空气弹簧承载全部的车体自重及载重;构架是采用高强度结构钢板和无缝钢管组焊而成的H型构架，构架侧梁为箱形封闭断面的U型梁。⑤基础制动采用外置盘形制动装置，便于更换和维修，并加装磁轨制动机用作紧急制动。

1.2 副构架径向装置

副构架直线电机车辆转向架的径向装置采用两根相互不连接的交叉杆将两副构架耦合起来，副构架通过螺栓连接与副构架座相连，副构架座抱在轴上。这种方式既能让转向架的两个轮对可以相互约束，提高车辆的蛇行临界速度，又能使车轮在通过小半径曲线时，趋于径向位置，减小车轮与轨道间的冲角、横向力以及相互间的磨耗。副构架径向装置总体图如图2所示。

图1 副构架交叉拉杆自导向直线电机车辆径向转向架

图2 副构架径向装置

设计了如图3所示的3种连接方式，用以进行轴箱副构架强度和疲劳的分析比较。

1)图3(a)方案:铸造结构的U形梁通过螺栓与连接件结合，材料为B+级钢，连接件的侧表面上半圆与轴箱上盖板焊接;力的传递路线由U形架传到连接件上，然后横向力经由连接件(图中B，C面)传递给轴箱(图中A，D面)，纵向力经由连接件传递给轮轴使轮对实现径向位置。副构架需要承受交叉拉杆传来的交变载荷、连接件的反力以及转向架振动产生的惯性力。这种连接的优点是将一个较大质量的副构架分散为3个较小质量的组成部分，可减小振动工况下的惯性力;缺点是组件结合的面较多，需要仔细考虑每个连接面的受力。

2)图3(b)方案:U形梁、连接件上盖板及轴箱上盖板均铸成一体，材料为B+级钢，纵向力与横向力都经由一体化的副构架来传导。此种连接的优点是副构架自身不容易失效;缺点是质量比较大，可能会由于自身振动带给轴承的冲击载荷导致轴承失效。

3)图3(c)方案:轴箱与连接件铸成一体，材料为B+级钢，U形副构架尾端通过螺栓与轴箱连接。此种由两轴箱、U形梁构成的副构架，组成装置结构简单，质量分布合理，预计只有螺栓结合处会产生疲劳破坏。

图3 径向装置连接方案

2 副构架3种结构形式的强度研究

2.1 静强度分析

通过有限元法对图3所示的3种方案的副构架结构进行分析。首先根据动力学分析得到副构架在运用中所承受的载荷，通过有限元软件ANSYS进行模拟计算。在有限元模型中，将图3(a)和图3(c)方案中的副构架与轴箱的连接螺栓直接同副构架及轴箱考虑为一体，约束施加在轴箱上部±60°的圆弧面上，为固定约束，载荷施加在交叉杆与副构架连接的铰接孔圆面上。然后，确定其在安全、可靠条件下运用时所允许产生的最大应力和最大变形，并对其结构进行优化设计和分析。

轴箱承受的载荷主要有:①竖向静载荷(Pst);②竖向动载荷(Pv);③径向交叉拉杆制动时对副构架结构的同侧作用力(F1)，运行时反向作用力(F2);④振动载荷(Pc)。考虑运行实际情况和现有的相关要求，将以上载荷组合为4种工况，如表1所示。

表1 组合工况

由于第4种工况时最接近实际运行情况，且该工况时副构架受力最大，因此选取该工况时进行3种副构架组成方案的强度计算，结果如图4所示。

3种副构架组成方案的最大应力及出现位置见表2。

图4 第4种工况静强度计算结果

表2 副构架最大应力节点

2.2 疲劳分析

为了使计算结果更加贴合实际情况的疲劳载荷工况，加载载荷时间历程时综合考虑了运用SIMPACK软件在相当于美国5级线路谱激扰输入下时域积分后处理的动力学结果，并对比参照相关车辆试验数据资料选择的载荷－时间历程，如图5所示。采用疲劳累计损伤理论进行疲劳寿命计算。3种方案的具体疲劳寿命情况见表3。

图5 疲劳计算载荷－时间历程

表3 副构架最大应力节点寿命

经过强度及相应的疲劳分析计算，可以得到:①3种结构的副构架静强度中，方案(b)副构架最大静应力接近许用应力，容易破坏;(a)、(c)两方案的副构架组成装置静强度安全裕量较大。②3种副构架的螺栓连接处以及副构架连接臂处为应力集中部位，在设计和制造中需要引起注意。③采用副构架连接臂与轴箱侧板焊接结构的副构架(方案(a))，其焊接处存在应力集中的情况，动应力变化很大，容易疲劳失效。④采用一体式铸造的副构架(方案(b))受力最为均匀，但在运行中，这种结构对轴箱轴承的冲击载荷最大，另外这种结构还会带来制造困难、对连接件强度要求高等问题。⑤采用一体式轴箱连接臂与U形梁螺栓连接的副构架(方案(c))，不仅受力分布均匀，危险节点的动应力变化最为缓和，疲劳寿命最长，而且便于装配，对轴箱轴承的冲击载荷较小，因此在3种方案中综合性能最优。

3 结语

在副构架直线电机车辆径向转向架其它结构不变的基础上，给出了轴箱与副构架连接的3种方式，并进行静强度及疲劳分析。在轴箱副构架3种连接方式中，轴箱与连接件铸成一体、U形副构架尾端通过螺栓与轴箱连接的方案，其最大应力为3种方案中最小而且具有较大的安全裕量;同时，一体式轴箱连接臂与U形梁螺栓连接形式的副构架，其受力均匀，危险节点动应力变化平缓，疲劳寿命长，对轴箱轴承的冲击载荷较小，为3种方案中的最优。

［1］ 魏庆朝，蔡昌俊.直线电机轮轨交通概论［M］.北京:中国科学技术出版社，2010.

［2］ 范瑜，李文球，杨中平，等.国外直线电机轮轨交通［M］.北京:中国科学技术出版社，2010.

［3］ 胡用生，万庸宝，杨利军.直线电机径向转向架在城市轨道交通中的应用［J］.城市轨道交通研究，1998(3):52.

［4］ 张济民，周力，王永强，等.交叉杆结构的副构架式径向转向架动力学性能研究［J］.城市轨道交通研究，2011(2):17.

［5］ 张济民，周和超，胡用生.副构架直线电机转向架车辆动力学及振动研究［J］.振动与冲击，2008，27(12):164.

［6］ Smith R E.North America Tries out Self-Steering Bogies［J］.Railway Gazette International，1986，142(10):750.

［7］ 韩金刚，傅茂海，卜继玲，等.转K7型转向架副构架优化设计［J］.铁道机车车辆，2009(12):10.