欧阳斌

（广州地铁集团有限公司，广州 510380）

0 引言

工程车辆作为地铁运营中的重要车辆，很少被人们所熟知。在地铁运营中，有电客车的地方必然有工程车的存在，工程车的作用丝毫不亚于客车。工程车承担着在运送大量的材料、设备、物资[1]；配合段场内的作业；车辆进行冷、热滑；运送维修设备和进行事故救援等等。因此，每一条地铁线路都需要配备一定数量的地铁工程车。随着机车使用年限增加，逐渐出现集电靴断裂，转向架一系弹簧断裂等机械故障，严重影响行车安全。本文通过探索一种可以提前预知机车机械故障，或者机械薄弱之处的研究方法，以便轨道车辆日常维修保养。

1 构架载荷计算及工况组合

1.1 转向架构架模型的建立

如图1 所示，构架的整体由两条横梁、两条侧梁、两个电机安装座以及两个齿轮箱吊杆座相互焊接而成，构架是由低合金高强度结构钢板和型钢组成的全焊接封闭结构，由两根侧梁和两根横梁组成，两根横梁之间有钢板焊接连接，整体呈中心对称[2]。

图1 构架整体三维模型

1.2 各部件载荷计算

1.2.1 强度分析标准介绍

ZER-4 电力蓄电池工程车运行速度等级低，构架形式与动车组等客运车辆有较大的差别，对动力学性能和乘坐舒适度要求与客运车辆有所不同，转向架构架参照TB∕T 2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》与TB∕T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[3]，采用ANSYS Workbench 有限元仿真软件对ZER-4 电力蓄电池工程车转向架构架进行静强度和疲劳强度评估计算。构架约束条件及载荷形式如图2所示。

图2 构架约束条件及载荷形式

因此，本文选用TB∕T 2368-2005 标准进行静强度及疲劳强度分析。按标准中规定，机车转向架载荷类型有：超常载荷、模拟主要运营载荷和模拟特殊运营载荷，本文只研究构架由超常载荷类型组合的4种工况[4]。

1.2.2 超常载荷计算

本转向架采用抱轴式齿轮箱，齿轮箱吊座只承受其惯性载荷，牵引装置安装在车体与转向架之间传递牵引力和制动力，轮缘润滑装置主要安装在车体上，基础制动装置安装在侧梁上，构架上安装有两个牵引电机和两个集电靴，基础制动装置和集电靴的质量较小相比于整备质量而言可以忽略不计，后文不计此载荷。所以超常载荷只包括垂向载荷、横向载荷和扭曲载荷[5]。

（1）垂向载荷

垂向载荷[6]主要为转向架所承受的机车质量，作用在旁承座处，其大小为：

式中：Fz1max为转向架左侧的垂向载荷，kN；Fz2max为转向架右侧的垂向载荷，kN；g为重力加速度，取9.81 m∕s²;nb为整车转向架数，取2；mv为整备质量，取56 t；m+为转向架质量，取7.5 t。

（2）横向载荷

横向载荷[7]作用于横向止挡和二系橡胶堆的位置，其大小为：

式中：Fymax为横向载荷，kN；ne为每个转向架上的轮对数，取2。

（3）扭曲载荷

扭曲载荷[8]以位移形式作用在斜对称的车轮上，超常载荷工况下扭曲载荷取10‰轴距，其大小为：

式中：Smax为对应扭曲载荷下车轮位移，mm；D为转向架轴距，取2 200 mm。

该扭曲位移通过压缩一系悬挂装置实现，其等效载荷大小为：

式中：Ft为一系悬挂装置等效载荷；Smax为对应扭曲载荷下车轮位移，mm；T1为一系弹簧刚度，取361.5 N∕m；T2为一系减振器刚度，取500 N∕m。

1.3 工况组合的确定

按照我国铁路标准TB∕T 2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》中对载荷工况组合的方法，同时参考类似型号工程车转向架静强度及疲劳强度试验资料，超常载荷、模拟主要运营载荷和模拟特殊运营载荷的工况组成，本文选取超常载荷组合的4种工况进行分析[9]。机车在运营时可能出现的最大载荷作用下，共有4 个超常载荷工况，分析转向架构架是否会发生永久变形。组合工况的载荷如表1所示。

表1 超常载荷工况组合及载荷值

2 转向架构架强度计算与分析

2.1 网格划分的要求及选取

为节省计算成本，将构架模型进行了一些优化，把一些不影响分析结果的小部件省略。

2.1.1 车架的纵梁和横梁的连接模拟

本构架的侧、横梁均是通过焊接连接的。焊接点处的强度及刚度一般都会较大，因此纵、横梁在焊接处是满足变形协调关系的。在仿真平台Workbench 中，通过接触（Connections）建立纵、横梁的绑定（Bonded）关系，以此实现纵横梁之间的焊接处变形一致。

2.1.2 网格划分

遵照划分原则与方法，全面兼顾计算精度∕成本与构架特性，提出如下划分方案。

（1）网格大小设定成20 mm。通过这种设定，能够让电机安装座、纵横梁的截面、长度获得必须的网格数。

（2）由于构架纵横梁呈相对规则几何体，所以选择Sweep 划分法，可以获得四边形网格，从而避免计算占用过多时间。

综合以上策略，构架、电机安装座网格划分完成，如图3 所示，构架网格的总数量为269 554，节点总数量为108 192；网格划分是科学合理的。

图3 构架离散模型

2.1.3 材料属性

构架主体由Q345B 低合金高强度钢板焊接而成，其材料特性参数[10]：弹性模量为206 000 MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg∕m3。

2.2 构架在不同工况下的负载及约束条件

各种工况下的载荷值大小，已于前文中详细计算得出，按照计算结果逐一进行静力学计算分析。构架在实际状态下通过一系悬挂与轴箱连接，轴箱与轮对装配一体，模拟构架施加固定约束时，在侧梁上安装一系悬挂装置处设置固定约束模拟支撑；为了模拟横向止挡作用，在侧梁上的横梁圆柱面上施加固定约束[11]。

2.3 构架静强度计算及结果分析

根据材料力学中的4 种强度理论，本文采用第四强度理论作为结构发生塑性失效的依据，即受力后结构中任意一点的形状改变超过了该材料的屈服应力，则会产生结构严重变形并且失去原有的功效。若计算得到的数值小于Q345B 的屈服应力即为可靠。构架静强度评定标准参数[12]：许用应力为314 MPa，安全系数为1.1。

2.3.1 超常载荷工况组合静力学分析

超常载荷工况共4 个，考察在可能出现的最大载荷作用下，转向架构架最大应力是否小于该处材料许用应力。由表1 中计算得到的构架超常载荷工况载荷种类和大小数据进行加载计算超常载荷工况状态下构架的等效应力分布如图4～9所示。其中工况2与工况3分析情况结果一样，作用在左、右侧梁。

图4 工况1应力云图

图5 工况1变形云图

图6 工况2应力云图

图7 工况2变形云图

图8 工况4应力云图

图9 工况4变形云图

2.3.2 构架静力学结果分析

由上述4 个超常载荷工况下的构架静强度计算结果（表2）可知，构架在第4 个工况下应力值最大且最大值为201.97 MPa，最大应力发生在侧梁一系悬挂装置安装处。该处材料为Q345B，材料许用应力为314 MPa，故该构架在超常载荷工况下满足静强度要求。同时可以看出，4 个工况下构架最大应力位置发生在两个位置，分别为侧梁一系悬挂装置安装处和横梁与侧梁连接部位下方，说明该两处局部强度相对较薄弱；前3 个工况下构架的形变量较小，第4 个工况下构架的最大变形量为15.23 mm，位置在侧梁一系悬挂安装处上半部分，该位置安装着一系弹簧及一系减振器。

表2 超常载荷工况强度计算结果

3 现场应用情况

综合4 个工况的静力学分析，得知横梁与侧梁连接部位和侧梁端部即一系悬挂安装位置是构架刚度及强度最为薄弱之处。基于行车安全的考虑，应结合现有的技术规定及作业工艺流程进行优化，不断提高机车安全性。

3.1 优化整备作业工艺流程

目前电力工程车日常整备作业流程中已经包含转向架部件检查内容，但未有针对转向架构架薄弱之处的检查，故在流程中加入横梁与侧梁连接部位和构架上一系悬挂安装座位置的检查项目。每次作业前整备机车都能够检查确认构架薄弱之处的状态，以确保行车安全。

3.2 开展构架专项隐患排查

组织开展电力蓄电池工程车转向架构架专项隐患排查工作，针对整个构架都进行机械裂纹、变形等异常情况排查，重点检查构架的横梁与侧梁连接部位和构架上一系悬挂安装座位置，确保目前在用的机车构架状态良好。

3.3 定期检测构架薄弱位置

电力蓄电池工程车全年维修保养划分为系统修一、二、三、四，共计4 个季度维修，在维修保养技术文件中，走行部系统加入转向架构架检修保养内容，同时注明构架的横梁与侧梁连接部位和构架上一系悬挂安装座位置进行重点检修，每年全面检修一次。

4 结束语

转向架是电力蓄电池工程车的重要部件，构架则是转向架组成中的主要承载件。本文通过三维软件Solidworks 对电力蓄电池工程车转向架构架进行建模，参照TB∕T 2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》与TB∕T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，以及相关文献，采用ANSYS Workbench 有限元仿真软件对转向架构架进行静强度和疲劳强度评估计算，选取超常载荷模式共4 个组合工况，计算相应的载荷数值及模拟条件，构架进行静力学分析，校核构架的安全可靠性，同时获得各工况下构架应力应变值最大的部件位置，分析得知构架刚度及强度薄弱位置是侧梁端部即一系悬挂安装座位置；利用该分析结果，通过技术文件优化、作业流程优化等形式应用于实际作业中，多维度确保机车转向架构架状态良好。