胡光忠，肖守訥，柳忠彬,

HU Guang-zhong1,XIAO Shou-ne2,LIU Zhong-bin1,2

（1. 四川理工學院，自貢 643000；2. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

0 引言

轉向架構架是轉向架中的最重要部件之一，把轉向架各部件聯(lián)接成為一個整體的承載部件，起著支撐、定位與承載的作用。構架功能和結構都具有相當?shù)膹碗s性，一直是轉向架設計開發(fā)的重點[1～5]，但是現(xiàn)有研究主要是針對構架的強度和可靠性進行材料、載荷測試和仿真優(yōu)化，很少有構架結構設計方面的研究。這主要是構架結構受各種零部件安裝位置的限制，其結構形式?jīng)Q定了轉向架的結構形式。

傳統(tǒng)的模塊化設計的模塊是基于系列化、標準化設計思想的，其模塊功能和結構實體都具有獨立性，模塊間的接口具有固定的形式。對于一些復雜機械零部件，如機車車輛轉向架構架，不同性能的轉向架，其構架變化不僅體現(xiàn)在結構的尺度上，其幾何拓撲結構也發(fā)生了變化，用傳統(tǒng)的以固定的尺寸系列的模塊化或者參數(shù)化很難描述出產(chǎn)品的系列變化，可重構設計是一種有效解決設計重用和創(chuàng)新問題的方法[6,7]。由于構架的復雜性，如果作為一個整體結構，其可重構度較低，如果將各種“子結構”獨立出來，其可重構性將發(fā)生顯著變化。通過分析構架的“子結構”也發(fā)現(xiàn)其具有相對獨立的功能和結構，因此本文提出基于廣義模塊化的構架可重構設計方法。

1 廣義模塊化設計

1.1 廣義模塊的定義

較早提出和應用廣義模塊化設計的原理和方法是在液壓機個性化的設計中[8]，隨后文獻[9,10]系統(tǒng)地闡述了廣義模塊化設計原理及方法。本文針對轉向架焊接構架的特征，進一步豐富廣義模塊化設計的內涵及應用。

廣義模塊：廣義模塊是具有既定功能、參數(shù)化結構和接口的結構實體模塊。廣義模塊可以描述為功能、幾何結構、結構參數(shù)、載荷、約束、材料和制造工藝等工程參量的函數(shù)：

式中：Fr—廣義模塊的功能集；

G—幾何拓撲結構，與功能相對應，是廣義模塊功能的承擔者，采用參數(shù)化的結構模型進行建模；

P—幾何模型的設計參數(shù)，即設計驅動變量；

R—模塊的約束條件；

L—模塊的載荷參數(shù)；

Pr—制造工藝方法，不同的制造工藝決定了模塊的性能特征以及接口的連接形式等。

1.2 廣義模塊的分類

與傳統(tǒng)的參數(shù)化模塊化相比，廣義模塊化具有以下兩點顯著特征：1）用參數(shù)化廣義模塊取代剛性模塊；2）用參數(shù)化廣義接口取代剛性接口。其分為參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊：

參數(shù)化模塊：即傳統(tǒng)的模塊，以一組尺寸參數(shù)驅動的模塊結構稱之為參數(shù)化模塊。尺寸參數(shù)不能改變模塊的幾何拓撲結構關系，只是結構的放大與縮小，全部參數(shù)確定后成為固定模塊。

柔性模塊：模塊參數(shù)的改變將影響模塊的拓撲結構的模塊，稱為柔性模塊，其相應的接口也是參數(shù)化的，稱為柔性接口。將影響模塊的拓撲結構的參數(shù)稱為柔性參數(shù)，柔性參數(shù)的取值受一定尺寸范圍的約束，也不能超出模塊規(guī)格的應用范圍。柔性參數(shù)一經(jīng)確定就變成參數(shù)化。

如圖1所示某構架邊梁（1/2模型），其參數(shù)主要有邊梁上蓋板的寬度、側板幾何參數(shù)等，其中加強筋板的數(shù)量N為柔性參數(shù)。當參數(shù)取不同值時，變形成不同類的邊梁。

圖1 柔性模塊示意圖

虛擬模塊：在某些結構實體零件中，存在一類模塊其實體結構上不能再分，但幾何實體在結構形式和尺寸參數(shù)等方面相對固定，且具有特定子功能，因此可進一步細分為不同的模塊特征，稱作虛擬模塊。虛擬模塊之間接口連接需要進行結構布爾運算，稱為虛擬接口。

如圖2所示，構架的各種安裝座，如牽引座、電機懸掛座等，是通過焊接工藝焊接的；有些本身是一個整體，如一系懸掛安裝座從制造的角度不能再分，但是可以在CAD意義上進行劃分。把上述模塊劃分為虛擬模塊。

圖2 虛擬模塊示意圖

1.3 產(chǎn)品廣義模塊劃分

產(chǎn)品廣義模塊化設計以廣義模塊為設計單元，廣義模塊除具備傳統(tǒng)模塊的特征外，增加了新的特點：1）廣義模塊的獨立性主要體現(xiàn)為功能獨立性，結構不一定獨立。由于引入了虛擬柔性模塊的概念，廣義模塊的劃分可在結構實體域內進行；2）廣義模塊的結構模型是具有不完全幾何拓撲結構的參數(shù)化模型。根據(jù)設計要求，通過結構參數(shù)定制可生成具體結構，稱為模塊實例，模塊實例等同于剛性模塊。根據(jù)式（1），結合傳統(tǒng)模塊化設計思想，采用分層建立產(chǎn)品的模塊結構體系，如圖3所示。

按照上述結構，廣義模塊化產(chǎn)品一般包含剛性模塊、參數(shù)化模塊和廣義模塊，剛性模塊可以進一步劃分為若干剛性模塊；參數(shù)化模塊可以進一步劃分為剛性模塊或參數(shù)模塊；廣義模塊中包含剛性模塊、參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊，其中柔性模塊可以進一步劃分為柔性模塊和虛擬模塊。

圖3 廣義模塊化產(chǎn)品的模塊層次結構圖

圖4 廣義模塊產(chǎn)品重構設計

2 廣義模塊化產(chǎn)品重構設計

由包含廣義模塊組成的產(chǎn)品，稱為廣義產(chǎn)品。廣義模塊化產(chǎn)品設計指由廣義模塊參數(shù)驅動生成系列產(chǎn)品的設計。廣義產(chǎn)品庫是由一組廣義產(chǎn)品的集合組成，當賦予其參數(shù)化數(shù)據(jù)結構的具體值時，就唯一確定一個產(chǎn)品對象。如圖4所示，由若干個廣義模塊組合為廣義產(chǎn)品就是產(chǎn)品重構設計。在廣義產(chǎn)品重構時，根據(jù)用戶需求只需要對部分廣義模塊進行實例化，其他模塊可保持不變。實例化工程包括廣義模塊組合和優(yōu)化仿真過程，所以，廣義模塊產(chǎn)品重構設計便于產(chǎn)品設計的重用和創(chuàng)新設計。廣義模塊化產(chǎn)品重構設計具體過程如下：

由廣義產(chǎn)品模塊集組成產(chǎn)品矩陣：

在機車車輛設計中，運行速度是決定轉向架及其構架的主要參數(shù)，作為主參數(shù)，從低到高排成一列，相同速度等級的不同結構（軸重等）作為橫向系列，可以構成轉向架構架產(chǎn)品集。

設上述產(chǎn)品集可以由一組廣義產(chǎn)品模塊生成：

把第一列可以定義為基型產(chǎn)品，相應的每一行為變形產(chǎn)品。

產(chǎn)品功能需求集：

根據(jù)式（5），經(jīng)過模塊優(yōu)選和仿真，便可以求解出模塊的實例化參數(shù)，得到用戶需求產(chǎn)品。

3 轉向架構架設計功能模塊

圖5 轉向架構架功能

3.1 構架的功能、結構和技術參數(shù)

1）構架功能

構架是把轉向架各部件組成一個總體的一個重要承載部件，其結構形式的選擇與結構尺寸的設計應根據(jù)轉向架總體設計、相關部件（如彈簧懸掛裝置、軸箱定位裝置、輪對及基礎制動裝置等）的結構形式及其對安裝、檢修空間的需要、構架的強度、剛度條件和采用的工藝方式等確定。

作為轉向架，其構架的主要功能連接各個零部件和傳遞各種載荷，通過一系懸掛及其減振器連接軸箱，從而實現(xiàn)保持輪對在轉向架內的位置；通過二系空氣彈簧連接車體，承擔來自車體的重量及沖擊等。載荷主要有垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、斜對稱載荷、懸掛載荷、制動載荷和各種減振器載荷。載荷根據(jù)工況不同，分為超常載荷、運營載荷及特殊載荷，因此需要不同工況組合進行強度和疲勞壽命校核。因各種零部件及其載荷通過構架連接傳遞實現(xiàn)，必須保證各個零部件的位置精度，因此構架需具有足夠的剛度保持整個轉向架的性能。作為核心部件的構件功能如圖5所示。

2）構架結構

構架主要由側梁、橫梁、縱向輔助梁、空氣彈簧支撐梁、定位臂和齒輪傳動座等組成。動車轉向架和拖車轉向架可以通過安裝托架實現(xiàn)互換。如某型動車組構架，其結構如圖6所示。

3）構架參數(shù)

設計參數(shù)由屬性參數(shù)和性能參數(shù)構成，屬性參數(shù)有結構類型、特征尺寸參數(shù)和材料工藝參數(shù)。性能參數(shù)指各種載荷及其強度，本文不做詳細論述。

（1）構架類型Tbf（Bogie frame type），來自轉向架總體參數(shù)；

圖6 轉向架構架示意圖

圖7 轉向架構架模塊化設計功能模塊

（2）構架尺寸參數(shù)：

固定軸距WB（Wheelbase），來自轉向架總體參數(shù)；

輪廓尺寸（長×寬×高）Lf、Wf、Hf；

側梁中心線間距Ssb(Spacing of side beam)

橫梁中心線間距Scb(Spacing of crossbeam)

3.2 系統(tǒng)功能模塊

焊接轉向架構架雖然結構復雜，但其主要組成部分具有相對固定的幾何結構和相對獨立功能，根據(jù)廣義模塊化設計方法，將其劃分為若干虛擬模塊和柔性模塊進行模塊化設計。構架的廣義的模塊化設計，其目的是滿足轉向架重構設計構建設計資源庫，因此，其系統(tǒng)架構必須支持構件的模糊識別選擇和再創(chuàng)新設計。支持重構設計的廣義模塊化構架設計系統(tǒng)主要功能模塊如圖7所示。

全局參數(shù)模塊：構架設計的全局參數(shù)來自于轉向架總體設計參數(shù)，主要包括構架的結構類型參數(shù)，如類型（動車或拖車）、結構類型（H型或口型等）、懸掛類型，總體尺寸、材料、工藝參數(shù)等。為支持重構設計，全局參數(shù)中包含對構架性能描述的關鍵參數(shù)，如最高運行速度、軸重、穩(wěn)定性、可靠性、承載能力等指標。

結構三維模塊設計：根據(jù)轉向架的結構特征，抽取其模塊進行廣義參數(shù)設計，主要模塊有中梁（橫梁）、邊梁、二系彈簧座、橫梁輔助梁、軸箱轉臂座、電機安裝座、齒輪箱安裝座、制動裝置安裝座、一系垂向減振器座、牽引拉桿座和邊梁筋板等，其中，邊梁筋板屬于柔性模塊，各模塊通過布爾運算進行組裝。

4 設計應用

某型動車組是8輛編組，采用4動4拖的動力分散型。運營速度為200km/h，最高實驗速度為270km/h。

轉向架構架主要輪廓及斷面尺寸如表1，構架總體方案及邊梁設計結構模塊設計見圖8和圖9所示，完成的構架結構如圖6所示。

表1 某型轉向架主要輪廓及斷面尺寸

圖8 構架總體方案界面

圖9 邊梁模塊結構設計

5 結束語

本章針對轉向架構架結構的復雜性及其“子結構”具有相對獨立的功能和結構形態(tài)的特點，結合廣義模塊化設計研究成果，擴展了廣義模塊的定義及其模塊構建方法，并以某型轉向架構架為例詳細論述構架廣義模塊化設計的方法及其系統(tǒng)的開發(fā)過程，初步實現(xiàn)了轉向架構架參數(shù)化和模塊化設計。

[1] 陽光武,機車車輛零部件的疲勞壽命仿真[D].西南交通大學,2005

[2] 崔曉芳,馬君,兆文忠.高速動力車轉向架構架焊接變形的數(shù)值分析研究[J].鐵道學報.2004,26(3):31-35.

[3] 王文靜,劉志明,李強,繆龍秀.CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析[J].北京交通大學學報.2009,33(1):5-9.

[4] 繆龍秀,孫守光,劉志明,等.提速客車轉向架焊接構架應力譜的試驗研究[J].鐵道車輛.1998,36(12):30-34.

[5] 秦國棟,劉志明,崔二光,繆龍秀,等.中國鐵道科學[J].2004,25(1):46-51.

[6] 胡光忠,肖守訥,肖世德,柳忠彬.機械產(chǎn)品模糊可重構設計原理與方法[J].西南交通大學學報,2013,48(1):116-121.

[7] 胡光忠,肖守訥,肖世德,柳忠彬.復雜機械產(chǎn)品模糊可重構設計方法與系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程,2012,380(5):68-73.

[8] 侯亮.機械產(chǎn)品廣義模塊化設計理論研究及其在液壓機產(chǎn)品中的應用[D].天津大學,2002.

[9] 高衛(wèi)國,徐燕申,陳永亮,章青.廣義模塊化設計原理及方法[J].機械工程學報.2007,43(6):48-53.

[10] 劉溪涓.可重構產(chǎn)品設計理論及其關鍵技術研究[D].上海交通大學,2002.