陳喜紅 王生華 羅華軍 陶功安 彭福盈

(1.南車株洲電力機(jī)車有限公司,412001,株洲;2.上海軌道交通維護(hù)保障中心,200070,上?！蔚谝蛔髡?教授級(jí)高級(jí)工程師)

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)

陳喜紅1王生華2羅華軍1陶功安1彭福盈1

(1.南車株洲電力機(jī)車有限公司,412001,株洲;2.上海軌道交通維護(hù)保障中心,200070,上?！蔚谝蛔髡?教授級(jí)高級(jí)工程師)

主要介紹了ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與上海軌道交通1、2號(hào)線原 SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別,介紹了ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和國(guó)內(nèi)地鐵A型車的運(yùn)營(yíng)要求。

地鐵車輛;轉(zhuǎn)向架;構(gòu)架;試驗(yàn)

First-author's addressCSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

上海軌道交通3號(hào)線二期車輛采用引進(jìn)德國(guó)西門子技術(shù)并由南車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)的SF2100改進(jìn)型轉(zhuǎn)向架。而在原上海軌道交通1、2號(hào)線的車輛采用了從國(guó)外進(jìn)口的原SF2100型轉(zhuǎn)向架。SF2100改進(jìn)型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基礎(chǔ)上改進(jìn)開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的,其構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)型式基本相同,但針對(duì)原SF2100轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的裂紋部位進(jìn)行了重點(diǎn)研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

ZMA080型轉(zhuǎn)向架,是南車株洲電力機(jī)車有限公司在上海軌道交通3號(hào)線二期地鐵車輛項(xiàng)目引進(jìn)SF2100改進(jìn)型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上,通過(guò)系統(tǒng)地消化吸收國(guó)外的設(shè)計(jì)、工藝、制造、質(zhì)量檢驗(yàn)等成熟技術(shù)和國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行系統(tǒng)集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造的轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架適用于國(guó)內(nèi)A型地鐵車輛,最大軸重為16 t,最高運(yùn)營(yíng)速度為80 km/h,最高運(yùn)行速度為90 km/h。

ZMA080型(SF2100改進(jìn)型)構(gòu)架如圖1所示。構(gòu)架由低合金高強(qiáng)度的鋼板通過(guò)焊接而形成H形中空梁結(jié)構(gòu),鋼板經(jīng)表面處理后具有極強(qiáng)的耐腐蝕性,設(shè)計(jì)壽命為35年。

構(gòu)架由兩根側(cè)梁和中間橫梁組成,兩根側(cè)梁由中間橫梁連接。構(gòu)架的側(cè)梁在中間降低以便安裝空氣彈簧,側(cè)梁上有制動(dòng)單元的安裝座。中間橫梁上有支撐電機(jī)和齒輪箱的托架。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架被支撐在一系人字橡膠彈簧上。

構(gòu)架的設(shè)計(jì)和焊接按照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN6700焊接體系的要求進(jìn)行,并進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。

圖1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

1 ZMA080型與原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別

原SF2100轉(zhuǎn)向架構(gòu)架發(fā)生裂紋部位主要集中在(按發(fā)生頻次的高低排序):電機(jī)安裝座,齒輪箱吊掛座,橫向止擋安裝座等處。以下針對(duì)這三個(gè)部位發(fā)生裂紋的原因及在ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1.1 電機(jī)安裝座

在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)安裝座上蓋板的圓弧折彎區(qū)及兩側(cè)隔板,發(fā)現(xiàn)大面積貫穿型裂紋。電機(jī)安裝座結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示,系由上下蓋板及4塊8 mm厚的垂直隔板組成箱形結(jié)構(gòu);其中間兩塊隔板被1塊橫向隔板隔斷,與構(gòu)架橫梁并不連接。因此,在電機(jī)安裝座的橫向隔板與構(gòu)架橫梁箱形梁的外部立板之間,電機(jī)安裝座的抗彎截面系數(shù)變化太大,造成了應(yīng)力突變。

圖2 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)安裝座側(cè)視圖

圖3 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)安裝座俯視圖

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)安裝座相對(duì)原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有較大的設(shè)計(jì)改進(jìn),其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、圖5。雖然中間隔板由原來(lái)的2塊改為1塊,但是中間隔板直接與橫梁立板連接,同時(shí)將兩側(cè)的隔板由8 mm分別增加到14 mm和18 mm;另外,改進(jìn)了電機(jī)下座的結(jié)構(gòu),使整個(gè)電機(jī)懸掛部位結(jié)構(gòu)更趨于合理,不僅隔板加強(qiáng)了力的傳遞能力,而且橫梁上蓋板與電機(jī)安裝座過(guò)渡結(jié)構(gòu)沒(méi)有截面突變。經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示,在承受電機(jī)豎向10 g、橫向5 g以及縱向5 g動(dòng)載荷的超常載荷工況下,其應(yīng)力分布見(jiàn)圖6所示。從圖6中可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁下蓋板的圓弧過(guò)渡處,其應(yīng)力值為131.901 MPa,小于16MnDR材料的屈服強(qiáng)度值345 MPa。

圖4 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)安裝座側(cè)視圖

圖5 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)懸掛座俯視圖

圖6 ZMA080型轉(zhuǎn)向架電機(jī)安裝座在超常載荷工況下的應(yīng)力云圖

1.2 齒輪箱吊掛梁

在原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架齒輪箱吊掛箱的上蓋板對(duì)接焊縫部位及兩側(cè)立板,發(fā)現(xiàn)大面積貫穿型裂紋。齒輪箱吊掛梁的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。齒輪箱吊掛梁也是箱形結(jié)構(gòu),其上下蓋板以及兩側(cè)腹板都是 8 mm鋼板。由于牽引拉桿座的影響,齒輪箱吊掛梁箱形結(jié)構(gòu)存在偏轉(zhuǎn),同時(shí)存在截面突變。由于齒輪箱吊掛座的上下蓋板在同一截面位置均存在對(duì)接焊縫,所以運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常在上蓋板對(duì)接焊縫處及兩側(cè)立板處發(fā)生裂紋。

圖7 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架齒輪箱吊掛座

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架齒輪箱吊掛梁相對(duì)于原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架已有很大的改進(jìn),如圖8所示。一是延長(zhǎng)了構(gòu)架橫向止擋橫梁至齒輪箱吊掛座,消除齒輪箱吊掛梁的截面突變,增加了抗彎截面系數(shù);二是將齒輪箱吊掛座承載的箱形結(jié)構(gòu)向外平移,使吊掛梁結(jié)構(gòu)不再存在偏轉(zhuǎn)。在垂向50 kN的超常載荷工況下,其強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示的齒輪箱吊掛梁應(yīng)力分布如圖9所示。從圖9中可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱吊掛座座體的一塊筋板上,其應(yīng)力值為116.593 MPa,小于ZG20SiMn材料的屈服強(qiáng)度值295 MPa。

1.3 橫向止擋安裝座

原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向止擋安裝座的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。橫向止擋安裝座由6塊厚度為8 mm的鋼板拼焊而成,在前面加焊左、右定位塊,在后面焊有橫向止擋座用的緊固螺栓的長(zhǎng)方形擋塊。

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向止擋安裝座與上海軌道交通1號(hào)線車輛轉(zhuǎn)向架的橫向止擋安裝座相比有了很大的改進(jìn),其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。首先是將中間拼焊而成的主要承載部分改為整體鍛造成形經(jīng)機(jī)械加工而成的橫向止擋座體;橫向止擋座除2塊小筋板厚度為8 mm,其余部分的厚度都超過(guò)10 mm。在承受124.6 kN的超常載荷工況下,其強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示的應(yīng)力分布如圖12所示。從圖12中可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向止擋座體中間孔的頂部,其應(yīng)力值為179.671 MPa,小于16MnDR材料的屈服強(qiáng)度值345 MPa。

圖8 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架齒輪箱吊掛座

圖9 ZMA080型轉(zhuǎn)向架齒輪箱吊掛座在超常載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖10 原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向止擋安裝座

圖11 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向止擋橫梁及座體

圖12 橫向止擋座安裝座應(yīng)力云圖

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相對(duì)于上海軌道交通1、2號(hào)線原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在電機(jī)安裝座、齒輪箱吊掛座和橫向止擋安裝座都進(jìn)行了改進(jìn)。從目前的ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架計(jì)算結(jié)果來(lái)看,這三者在超常載荷工況下的靜強(qiáng)度是安全的,其疲勞強(qiáng)度也是安全的。

2 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度計(jì)算

在ANSYS有限元分析軟件中,針對(duì)構(gòu)架基本由鋼板組焊而成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),構(gòu)架的主要板件離散成為三維殼單元,部分安裝座離散成三維實(shí)體單元,一系簧安裝座根據(jù)實(shí)際受力情況離散成縱向、橫向和豎向彈簧單元,以便較好地模擬實(shí)際情況。ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖13。

2.1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷組合工況

在參照西門子的構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告和國(guó)內(nèi)相關(guān)院校計(jì)算報(bào)告的基礎(chǔ)上,對(duì)ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架按照UIC 615-4《動(dòng)力車-轉(zhuǎn)向架和走行部-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)》和《上海軌道交通4號(hào)線二期工程地鐵車輛技術(shù)規(guī)格書》的要求,對(duì)豎向載荷、橫向載荷、縱向載荷以及軌道扭曲進(jìn)行組合,組合了15種工況,詳見(jiàn)表1。現(xiàn)對(duì)表1說(shuō)明如下:

圖13 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型圖

1)α為側(cè)滾系數(shù),β為浮沉系數(shù),Fz和 Fze為構(gòu)架每側(cè)所受豎向載荷,Fy和Fye為構(gòu)架所受橫向載荷,Fx為構(gòu)架所受縱向載荷,F5g為構(gòu)架所受沖擊載荷;

2)工況1模擬動(dòng)車靜載工況,疊加了電機(jī)自重載荷;

3)工況2～13模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷工況,疊加了特殊載荷,包括電機(jī)、減振器、制動(dòng)器等產(chǎn)生的載荷;

4)工況14模擬超常載荷組合工況,疊加了電機(jī)扭矩載荷以及電機(jī)動(dòng)載荷;

5)工況15模擬5g沖擊載荷工況,疊加了左右側(cè)梁靜載荷以及電機(jī)自重載荷。

表1 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架計(jì)算工況表

2.2 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算的邊界條件

計(jì)算模型的邊界條件見(jiàn)圖14。

2.3 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果

構(gòu)架在所有工況下的靜強(qiáng)度能滿足要求。圖15為動(dòng)車構(gòu)架在工況14(模擬超常載荷組合工況)下的Top面應(yīng)力云圖。

構(gòu)架在模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷工況2～13下的疲勞強(qiáng)度滿足要求。圖16為動(dòng)車構(gòu)架在工況2～13(模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷工況)下的Top面節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)定Goodman圖。

圖14 計(jì)算模型邊界條件簡(jiǎn)圖

圖15 在工況14(模擬超常載荷組合工況)下的構(gòu)架Top面Von Mises應(yīng)力云圖

圖16 在工況2～13(模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷工況)下的構(gòu)架Top面節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)定Goodman圖

3 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)ZMA080型(SF2100改進(jìn)型)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的加載圖如圖17所示。

圖17 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞試驗(yàn)加載圖

在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的第一階段,動(dòng)載荷的循環(huán)次數(shù)為600萬(wàn)次,沒(méi)有出現(xiàn)裂紋;在第二階段,動(dòng)載荷的循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次,試驗(yàn)載荷的靜力部分不變,準(zhǔn)靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分為第一階段的1.2倍,沒(méi)有出現(xiàn)裂紋;在第三階段,動(dòng)載荷的循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次,試驗(yàn)載荷的靜力部分不變,準(zhǔn)靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分為第一階段的1.4倍。試驗(yàn)結(jié)果符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

委托西南交通大學(xué)于2007年9月在上海軌道交通4號(hào)線418號(hào)列車的一個(gè)ZMA080型(SF2100改進(jìn)型)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。在構(gòu)架上計(jì)算應(yīng)力較大的部位,貼了39個(gè)單向應(yīng)變片和11個(gè)三向應(yīng)變片。

動(dòng)應(yīng)力測(cè)試參照TB/T 2368—2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》執(zhí)行。對(duì)應(yīng)力較大、應(yīng)力梯度也較大的動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后給出關(guān)鍵危險(xiǎn)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力譜,進(jìn)行疲勞可靠性評(píng)估。

最大主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果:經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在所有測(cè)點(diǎn)中,應(yīng)力較大的地方集中在齒輪箱支座處。從運(yùn)營(yíng)工況下測(cè)得的動(dòng)應(yīng)力結(jié)果來(lái)看,構(gòu)架的最大主應(yīng)力均未超過(guò)相應(yīng)材料在運(yùn)用工況下的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

疲勞強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果:對(duì)各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的二維應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,所有測(cè)點(diǎn)的測(cè)試應(yīng)力值均在材料和焊縫的Goodman圖內(nèi),且有比較大的安全裕量,所有測(cè)點(diǎn)部位的疲勞壽命均是無(wú)限長(zhǎng)。

最大主應(yīng)力和應(yīng)力幅值均較大的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

ZMA080型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架針對(duì)上海軌道交通1、2號(hào)線原SF2100型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大批量長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的裂紋部位進(jìn)行了重點(diǎn)研究和改進(jìn)設(shè)計(jì),其可靠性已達(dá)到穩(wěn)定;采用了不需要整體退火的焊接工藝,嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了板材的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、耐低溫沖擊試驗(yàn)、各種焊接接頭的焊接工藝試驗(yàn),并對(duì)整個(gè)構(gòu)架進(jìn)行了DIN6700的焊接工藝評(píng)定;對(duì)整個(gè)構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試和評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果均表明,該構(gòu)架符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求,滿足國(guó)內(nèi)地鐵A型車的運(yùn)營(yíng)需求。

表2 構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力測(cè)試中應(yīng)力最大的測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

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Structural Characteristic and Test of Type ZMA080 Bogie Frame for Metro A-type Vehicle

Chen Xihong,Wang Shenghua,Luo Huajun,Tao Gong'an,Peng Fuying

This paperpresents the results of strength calculation,fatigue test and on-line dynamic stress test of ZMA080 bogie frame for metro A-type vehicle,in which the structural differences between the bogie frame of ZMA080 and SF2100 used in Shanghai Metro Line 1&Line 2 are analyzed.The calculation and test results show that ZMA080 bogie frame could meet the requirements of the related standards and the operation in A-type vehicle used in metro lines of China.

metro vehicle;bogie;bogie frame;test

U 270.331

2009-06-18)