新型CFRP地铁转向架构架强度分析_刘顺东.pdf

信息技术刘顺东，等新型 CFP 地铁转向架构架强度分析基金项目:国家自然科学基金资助项目(51735012)第一作者简介:刘顺东(1994)，男，山东青岛人，助理工程师，硕士，研究方向为机械设计制造及自动化。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301024新型 CFP 地铁转向架构架强度分析刘顺东，王广超(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266111)摘要:介绍新型碳纤维复合材料地铁转向架构架基本参数、结构设计特点，建立有限元三维模型，参考标准 UIC6154 和 EN13749 建立计算大纲及载荷工况，利用 Hypermesh+Ansys 软件联合仿真进行构架静强度、疲劳强度和模态分析，根据劳氏船级社工作服务准则对构架进行强度评估。计算结果表明:该构架强度满足工作要求，安全裕度较高，各阶模态较高，不会与车体发生共振。关键词:碳纤维复合材料;地铁转向架;构架;静强度;疲劳强度;模态中图分类号:TP3919文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0100-05Strength Analysis for New Metro Bogie Frame Made of CFPLIU Shundong，WANG Guangchao(CC Qingdao Sifang olling Stock esearch Institute Co，Ltd，Qingdao 266111，China)Abstract:Basic parameters and structural design features of the new metro bogie frame made of carbonfiber reinforce plastic areintroduced A threedimensional finite element model was developed The calculation outline and load conditions are established withreference to the standards UIC6154 and EN13749 Static strength，fatigue strength and modal of the frame are analysed by Ansysand Hypermesh softwares Based on Germanischer Lloyd guidelines，the strength of the frame is assessed The calculation resultsindicate that the frame strength can meet working requirements with high safety margin，high modal of each order and without framecar body resonanceKeywords:carbonfiber reinforce plastic;metro bogie;frame;static strength;fatigue strength;modal0引言随着国民经济与产业的迅速发展，目前国内外许多大城市已经形成了以地铁为主要运营方式的交通系统1。碳纤维复合材料相较传统钢材料比强度和比模度更大，具有更高疲劳强度、冲击强度，且其材料密度不及传统钢材料的 1/4。将碳纤维复合材料运用到地铁车辆转向架上，对于车辆轻量化具有重大意义2。1复合材料转向架研究现状转向架质量通常占整车质量的 1/3，对转向架进行减质量更易取得明显效果3。20 世纪 80 年代，德国 AEG公司和航空技术公司 MBB 与德铁合作研制出世界上首辆碳纤维转向架，如图 1 所示4;韩国铁路研究院 KIM J S博士近年来研制出一种轻量化 GFP(玻璃纤维复合材料)构架，并进行了疲劳强度实验评估，该构架总质量只有 145kg56。2013 年 6 月，日本川崎重工研制出采用CFP(碳纤维复合材料)作为侧梁的转向架构架，取消传统轴箱。该构架已经通过美国交通技术中心(TTCI)4 500 km 里程线路运行试验，转向架结构如图 2 所示7。图 1德国首辆碳纤维转向架图 2日本川崎重工 CFP 转向架2车辆设计参数本文采用新型 CFP 材料对构架进行结构设计，构架主体包括左右纵梁及中间横梁，采用一体成型的密闭封箱型结构，纵梁下侧对称设置一系弹簧座及一系拉板座，上部设置空气弹簧座，两根横梁内外侧分别悬挂电机驱动系001信息技术刘顺东，等新型 CFP 地铁转向架构架强度分析统、齿轮箱传动系统、牵引座及横向止挡座。构架模型如图 3 所示。图 3新型 CFP 地铁构架三维模型图利用碳纤维复合材料更好的弹性优势，构架取消传统的横向、纵向减振器，对轴箱定位系统进行优化，采用拉板结构提供更大的横向和纵向刚度，以承担单方向载荷。轴箱弹簧仅提供垂向刚度，由此实现一系定位刚度解耦。车辆及材料参数见表 1 和表 2。表 1车辆基本参数序号参数/单位数值1转向架质量 mb/kg8 0002空车质量(AW0)mv/kg42 0003超常商用载荷(AW3)c1/kg25 9204模拟运行商用载荷(AW2)c2/kg18 6005横梁驱动系统质量 mq/kg1 0126启动加速度 s/(m/s2)107每节车转向架数量 nb28电机最大启动转矩 Ms/(Nm)1 7549电机额定转矩 Mn/(Nm)1 15610电机短路转矩 Mt/(Nm)9 80010轴距 la/mm2 50011轮与轨水平面接触距离 lr/mm1 49312一系簧支撑横向间距 lp/mm2 102表 2复合材料力学性能参数参数/MPa数值参数数值x 方向拉伸模量6 530 xy 方向泊松比0217y 方向拉伸模量45 000yz 方向泊松比0217z 方向拉伸模量6 530zx 方向泊松比0366xy 方向切变模量2 433拉伸强度1 100yz 方向切变模量2 433压缩强度802zx 方向切变模量1 698密度/(kg/cm3)163构架静强度计算本次构架强度计算的载荷参照构架强度计算载荷的确定和强度评估依据标准 UIC61548 动力单元转向架和走行机构转向架构架结构强度试验 及 DIN EN137499 ailway applications Wheelsets and bogies Methods of specifying structural requirements of bogie frames规范。分别对构架进行了超常载荷和运营载荷工况计算，其中超常载荷用于评定构架的静强度，模拟运营载荷用于评价构架的疲劳强度。31构架有限元模型利用 CATIA 建立三维模型，在 Hypermesh 中将模型离散为三维实体单元，一系轴箱根据构架受力情况在对应方向建立弹簧单元，以更好地模拟实际情况。按照上述原则，构架有限元模型如图 4 所示。图 4构架有限元模型图32构架载荷及工况1)超常载荷超常载荷是运行中可能发生的最大载荷。在超常工况下，构架载荷主要由转向架自身运行产生载荷及转向架各部件反作用载荷组成。垂向载荷:超常载荷中的垂向载荷按照轴质量计算:Fzmax=202nb(mv+c1nbmb)g=254 6676(N)(1)横向载荷:超常载荷的横向载荷按照轴质量计算:Fymax=2 104+(mv+c1)g32nb()=130 936(N)(2)纵向载荷:超常载荷的纵向载荷按启动牵引力计算:Fxmax=mv+c1nbas=33 960(N)(3)驱动悬挂点静载荷:Fdjj=mqg=9 9277(N)(4)驱动悬挂点动载荷 Fdjd:在电机最大转矩情况下，考虑电机3g 的垂向振动和2g 横向动荷系数作用，分别计算振动不同方向时的情形。动载荷作用在驱动系统质心位置。超常载荷中，垂向载荷、横向载荷为基本载荷，再分别叠加其他几种载荷中的一种，组成超常载荷工况。2)模拟运营载荷模拟运营载荷是实际运行中经常发生的载荷，用来考核构架的疲劳强度。在模拟运营工况下，构架载荷主要由转向架自身运行产生载荷及转向架各部件反作用载荷组成，另增加直线运行载荷。垂向载荷:101信息技术刘顺东，等新型 CFP 地铁转向架构架强度分析构架一侧垂向载荷计算:Fz=12nb(mv+12c2nbmb)g=118 384(N)(5)横向载荷:模拟运营载荷的横向载荷计算:Fy=05(Fz+05mbg)=78 792(N)(6)斜对称载荷:5轨道扭曲位移量:h5=lalplr51 000=176(mm)(7)10轨道扭曲位移量:h10=lalplr101 000=352(mm)(8)悬挂点的动载荷 Fdjd:在电机额定转矩情况下，考虑驱动装置3g 的垂向振动和1g 横向动荷系数作用，分别计算振动不同方向时的情形。动载荷作用于驱动系统质心位置。小曲线附加纵向载荷:当转向架通过小曲线时，由于前后轮对存在的纵向力使转向架产生摇头运动并使转向架处于最大倾斜位置。该纵向力为Fcx=01 Fz+mb2g()=15 7584(N)(9)纵向载荷:运营工况下的纵向载荷按启动牵引力计算:Fx=c2+mvnbas=30 300(N)(10)3)计算载荷工况组合运营载荷工况以 UIC6154 及 EN13749 规范中的垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷为基本载荷，再分别叠加其他载荷。运营载荷工况组合、超常载荷工况组合如表 3、表 4 所示。表 3模拟运营载荷工况工况作用于侧梁上的垂向载荷左侧梁右侧梁纵向载荷横向载荷斜对称载荷小曲线载荷驱动悬挂点载荷M1FzFz0000FdjjM2(1+)Fz(1)Fz0Fy0FcxFdjd1M3(1+)Fz(1)FzFxFy0FcxFdjd2M4(1+)Fz(1+)Fz0Fy0FcxFdjd1M5(1+)Fz(1+)FzFxFy0FcxFdjd2M6(1)Fz(1+)Fz0Fy0FcxFdjd1M7(1)Fz(1+)FzFxFy0FcxFdjd2M8(1+)Fz(1+)Fz0Fy0FcxFdjd1M9(1+)Fz(1+)FzFxFy0FcxFdjd2M10(1+)Fz(1)FzFxFyh5FcxFdjd1M11(1+)Fz(1+)FzFxFyh5FcxFdjd2M12(1)Fz(1+)FzFxFyh5FcxFdjd1M13(1)Fz(1+)FzFxFyh5FcxFdjd2表 4超常载荷工况工况作用于侧梁上的垂向载荷左侧梁右侧梁纵向载荷横向载荷斜对称载荷驱动悬挂点载荷工况类型M14FzmaxFzmaxFxmaxFymaxh10010扭曲M15FzFzFxFy0Fdjd1振动冲击M16FzFzFxFy0Fdjd2振动冲击M17FzFzFxFy0Fdjd1短路冲击M18FzFzFxFy0Fdjd2短路冲击4强度评定方法41静强度评定方法与金属材料静强度评定方法类似，碳纤维复合材料属于各向异性材料，在超常各载荷单独及组合作用下，转向架构架任何点应力 Sd均不能超过材料许用应力 d。即对于工况 M14M18，构架各点拉应力均小于材料拉伸强度1 100 MPa，压应力均小于材料压缩强度 802MPa。201信息技术刘顺东，等新型 CFP 地铁转向架构架强度分析42疲劳强度评定方法碳纤维复合材料目前在轨道行业中的应用大多集中在车辆侧墙、裙板等非承载结构，在主承载件上的应用研究较少，更无已经投产使用的 CFP 转向架构架，行业内没有形成针对性的碳纤维复合材料构架强度评定规范。本文参考德国风电行业劳氏船级社工业服务准则10，对新型碳纤维复合材料地铁列车转向架构架进行疲劳强度分析。以碳纤维材料断裂强度 k作为参考标准，k与材料疲劳极限 Sp的比值为安全系数 Mx，满足式(11)。Sp=kMx(11)式中 Mx与局部安全系数 M0、铺层时的温度、时效作用以及铺层方式等有关，满足公式(12)。Mx=iCix(12)船级社服务准则规定，对于任何分析中的局部安全系数均为M0=135(13)对于低周疲劳:i 取值为 4，C1xC4x均为经试验验证的可供备选的换算系数:C1x=135时间劣化因子;C2x=11温度劣化因子;C3x=11/12铺层效应;C4x=10/11修补增强因子。对于高周疲劳，i 取值为 5，C1xC5x均为经试验验证的可供备选的换算系数:C1x=N1m高周疲劳曲线循环次数 N 与斜率 m;C2x=11温度劣化因子;C3x=10/11/12铺层效应;C4x=10/11修补增强因子;C5x=1012风电设备参数。本文采用无限寿命法对构架进行疲劳强度评估，选用高周疲劳换算系数，对于 C1x，高周疲劳循环次数 N=107，斜率 m 采用准则中碳纤维 SN 曲线斜率 14，C1x=316;C2x和 C3x分别考虑温度和铺层效应影响，均取值 11;结构采用有修补纤维材料，C4x取值 10;C5x为风电行业参数因子，不予考虑。综上可得，本文疲劳强度使用安全系数Mx=382。在进行疲劳评估时，选取构架主体中应力较大各点，针对计算工况 M1M13 基于最大主应力方向简化各点应力状态成单轴应力状态，计算出各点最大应力值 max及最小应力值 min，进而根据=min/max计算出应力比。通过 MooreKommerJaper 形式的疲劳曲线对结构强度进行判定，计算出应力较大点的疲劳安全系数。5构架强度分析结果51静强度分析结果部分运营载荷工况和超常载荷各个工况下的构架上最大应力见表 5，各载荷工况下的主应力云图参见图 5图 6。构 架 材 料 的 抗 拉 强 度 1 100 MPa，抗 压 强 度802MPa。根据 UIC6154 标准，对于超常载荷工况 M14M18，构架最大拉压应力均小于材料许用应力，构架拉压应力均有较大安全裕度，符合静强度评价要求。表 5超常载荷工况计算结果工况最大主应力/MPa最小主应力/MPa安全系数M1467675302151M1527922488322M1643224773168M1750273974202M1863435034159图 5超常工况 M14 拉应力云图图 6超常工况 M14 压应力云图52疲劳强度分析结果参照 42 中的疲劳强度评定方法对构架母材进行评判，选取构架纵梁、横梁应力较大点，将各节点应力比及最大应力值放入图 7 所示 MooreKommerJaper 疲劳曲线图中进行比较，结果显示所有节点均位于母材疲劳曲线之内，表明构架主体结构疲劳强度满足要求。6模态分析构架模态分析利用构架静强度分析模型，采用 BlockLanczos 法，消除构架刚体位移，计算出构架前 7 阶模态。鉴于高阶模态超过 100Hz，已无实际工程意义，这里并未301信息技术刘顺东，等新型 CFP 地铁转向架构架强度分析给出，计算模态频率见表 6。图 7构架母材疲劳强度评定计算结果表明，构架低阶模态自振频率较高，没有明显薄弱环节，构架与车体发生共振可能性很小。表 6构架低阶振动频率与振型阶次频率/Hz振型1433扭转2586绕 y 轴弯曲3658“八”字变形4672反向“八”字变形5831水平面内剪切6891绕 z 轴弯曲71012绕 z 轴反向弯曲7结语参照相关标准规范，对新型 CFP 地铁转向架构架进行了有限元强度计算，计算结果表明:1)在超常载荷工况下，转向架构架的应力均小于材料的抗拉强度 1 100MPa 和抗压强度 802MPa，满足静强度要求。2)在模拟运营载荷作用下，通过对构架所有节点的13 种组合工况下的疲劳强度分析，构架各应力节点均在材料 MooreKommerJaper 母材疲劳曲线内，结构基本满足疲劳强度要求。3)构架最低阶自振模态已远离车体自振频率，不会与车体发生共振，车辆可正常安全运行。4)该新型地铁转向架构架采用 CFP 材料，相较传统同性能钢材料构架质量仅为其 1/4，且结构简单，安全裕度更高，可对将来 CFP 材料在轨道交通行业的应用提供借鉴。参考文献:1陈彦达 地铁车辆转向架构架疲劳可靠性研究D 北京:北京交通大学，2017 2刘顺东 纤维复合材料在新型地铁转向架上的应用研究D成都:西南交通大学，2019 3孙国平，OLF J L 复合材料在高性能铁路车辆转向架上的应用 J 国外机车车辆工艺，1996(4):1-8 4KIM J S，YOON H J Structural behaviors of a GFP compositebogie frameforurbansubwaytrainsundercriticalloadconditionsJ Procedia Engineering，2011，10:2375-2380 5KIM J S，SHIN K B，YOON H J，et al Durability evaluation of acomposite bogie frame with bowshaped side beamsJ Journalof Mechanical Science and Technology，2012，26(2):531-536 6 KIM J，KIM J S，YOON H J Nondestructive evaluation ofcomposite bogie using infrared thermography techniqueC 18thInternational Conference on Composite Materials，SI:sn，2011 7西村，武宏 新世代鉄道車両台車 efWINGJ 鉄道車両工業，2014(4):12-15 8UIC6154 动力单元转向架和走行机构转向架构架结构强度试验 S 9DIN EN 13749 ailway applications Wheelsets and bogies Methodsofspecifyingstructuralrequirementsofbogieframes S 10 Germanischer Lloyd Guideline for the Certification of WindTurbinesS 收稿日期:20210706401