适应120kmh速度运营的b型地铁车辆转向架构架装置研究

适应120kmh速度运营的b型地铁车辆转向架构架装置研究

目前，中国只有三种120公里高的城市轨道交通车辆，包括广州地铁3号线及其延长线。为满足120公里/小时的运营要求，上海轨道交通设备发展有限公司独立设计了120公里/小时b型列车，是一种适用于120公里和h速度的b型列车。本向路桥的开发是2008年上海科技技术委员会批准的一项科学研究项目。转向架已于2009年12月完成组装,2010年初完成了技术鉴定。在构架、中央牵引装置、轴箱装置等部分关键部件研制上取得了突破,实现了具有自主知识产权的首台业绩。120km/hB型地铁车辆的转向架轴距为2300mm,包括动力转向架和非动力转向架两种类型,动力转向架结构如图1所示,其由构架装置、轮对、轴箱悬挂定位装置、中央悬挂装置、牵引装置、电机齿轮传动装置、基础制动装置等部分组成。非动力转向架结构是在动力转向架基础上取消了电机和齿轮传动装置。其中转向架构架是转向架的受力骨架,是用以联系转向架各组成部分和转递各方向力的基础载体,要求的使用期超过30年。在本项目实施过程中对构架装置做了重点研究和精心研制。1结构特点及连接方式120km/hB型地铁动力转向架和非动力转向架构架装置的主体型式相同,能够进行互换,结构如图2所示。构架装置的侧梁中心距为2100mm,主体采用Q345-B钢板整体焊接结构,主要由两个侧梁装置和两个横梁装置组成H型整体结构。构架侧梁整体呈U形,为封闭的箱形结构,在其下侧设置转臂安装座,中央上部设置空气弹簧座,端部设置一系钢弹簧套筒和一系垂向减振器座。构架的横梁采用Q345-B无缝钢管,在其外侧斜对称设置电机和齿轮箱吊座,对称设置轮盘制动器的吊座,下部斜对称设置牵引拉杆座,在两个横梁之间还组焊安装横向止档座的纵梁。2载荷计算及分析根据《地铁车辆通用技术条件》规定,构架装置的强度计算参照了UIC615-4规范进行了超常载荷工况和模拟运营载荷工况强度计算,并根据“120km/hB型地铁车辆转向架设计规格书”补充了电机吊座和齿轮箱吊座的载荷,全面地分析了构架装置的受力工况。(1)超常载荷工况考虑了垂向、横向、斜对称、电机悬吊、齿轮箱悬吊、纵向、制动悬吊的超常载荷,超常载荷中,垂向载荷、横向载荷为基本载荷,然后再分别叠加其他几种载荷中的一种,组成超常载荷工况。模拟运营载荷考虑了垂向、横向、斜对称、电机悬吊、齿轮箱悬吊、小曲线附加纵向载荷(菱形载荷)、纵向、制动悬吊的模拟运营载荷,运营载荷工况以垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷为基本载荷,然后再分别叠加其他的载荷组成15种载荷工况,其中电机悬吊的三向载荷同时施加。(2)有限元分析结果构架装置整体结构采用计算软件Algor(SuperSAP,18.0版本)进行有限元分析,构架主体采用板单元,整个模型共离散有结点29650个,板单元30490个。(3)构架装置载荷分析在构架装置有限元计算模型中,约束条件采用弹性边界元。其中垂向弹性边界元施加在侧梁端部的轴箱弹簧套筒的上盖板,横向和纵向弹性边界元在构架侧梁的转臂座上,边界元刚度按照悬挂元件的参数在实际受力部位多点施加。构架装置载荷的加载位置如图3所示,按照载荷的实际作用位置以节点力方式进行施加。其中电机悬吊的载荷按照集中载荷形式在电机质心位置施加,这时通过刚性杆单元将电机质心与电机座相连;制动载荷也施加在车轮的制动半径位置,通过刚性杆单元与制动吊座连接。(4)主体应力计算结果及应力评定标准采用UIC615-4规范评判,强度计算结果表明:在超常载荷的各种工况下,动车转向架构架主体的应力均小于材料的许用应力,满足静强度要求(图4为构架模拟超常载荷组合工况下的应力云图);在模拟运用载荷作用下,通过对疲劳敏感的定位转臂座立板下边缘、电机吊座上盖板、齿轮箱吊座上盖板与横梁交界处等9处关键部位在15种载荷组合工况的分析,动车转向架构架各采样点的应力幅均不超过材料的许用应力幅(见图5),满足疲劳强度要求。3工艺过程的改进120km/hB型地铁构架主体为钢板焊接成的“H”形结构,主要由8～25mm厚度的Q345-B钢板焊接构成,总重量为1382kg。构架试制为少批量生产,在保证质量的前提下,尽量利用现有制造平台及通用工装设备完成。构架装置主要有侧梁、横梁及电机吊座、齿轮箱座、拉杆座、制动座等相应安装座组成。在投产前对图纸分析认为在工艺制造过程中,特别是在构架组焊过程中需要进行侧梁、横梁和构架的组对、焊接、调修及加工等几个重要的工艺过程,其制定的制造工艺过程如图6所示。其中横梁组成连接两个侧梁且是各附件座(电机吊座、齿轮箱座、拉杆座、制动吊座等)的基体,因此横梁组成是构架的主要部分,通过图纸分析认为横梁组成的组焊是整个构架组焊的关键所在。根据小批量生产的实际情况,在构架装置试制实际生产过程中对工艺过程进行了调整,主要体现在横梁的组对工艺上。不进行横梁组成的单独组对,在侧梁组焊完成后,直接组对构架装置。横梁组成上的所有功能座均在构架装置中一次组对、焊接、调修及加工。这样减少了组对过程,但增加了构架装置总组对的难度。改进后的工艺过程如图7所示。按改进后工艺流程执行的最关键工序是侧梁及构架装置的组对、焊接、调修、加工。(1)检测折弯工艺侧梁结构如图8所示,主要由上盖板、下盖板、内外立板、转臂座、空簧座板、弹簧筒等件组焊而成。侧梁中间上部安装二系空气弹簧,其侧梁中间内部空腔作为附加气室,需要保证气密性。侧梁的上下盖板需要4次折弯实现,且各折弯点的选择对于最后总的组成是十分关键的,尤其是下盖板折弯难度更大,为保证质量,制作了检测上下盖板折弯检测的全形样板,不断试验调整折弯模具的下压深度和折弯点。侧梁立板也需要4次折弯,且有两个R50的相邻弯间距为50mm,通过常用的折弯无法实现,最后通过制作一次成型压模热压而成,但难点是立板上有焊接坡口在该R50弯相接处,因此需要折弯前铣出坡口,并在立板同上下盖板组对时进行适当的修磨以保证组对间隙。考虑到侧梁在组焊后收缩,在长度方向预先按4mm/m的收缩量留量,且均在工艺准备过程中预先确定了立板、上下盖板、空气簧座板、转臂座等零件的工艺图。侧梁采用侧梁组对工装进行组对、焊接。组焊后检测到在横向有2～3mm左右的挠度,因此,侧梁转臂座左右两边各预留了5mm的加工量。侧梁组焊完成后为保证构架装置组对质量和侧梁进行加工,在侧梁加工中考虑到横梁的组对,对侧梁上穿横梁钢管的两个孔进行了控制即将原先尺寸560±0.5mm的按照560±0.25mm控制,相应地对横梁上制动吊座组成的中心距也进行了控制。(2)教师制作地铁架构装置的组对和加工构架的组对需先将侧梁、横梁钢管和制动吊座组成先进行组对:根据侧梁上初次加工好的转臂座下平面作基准,先将其放置在构架组对工装上,定位好侧梁的高低位置;然后在两根横梁钢管上先装好左、右制动吊座,钢管两端再分别穿过左、右侧梁;最后根据两侧梁中心距、两制动吊座距离确定好侧梁、制动吊座在钢管上的位置,采用定位焊将横梁钢管、侧梁、制动吊座定位。这样,构架的基本框架就组对完毕。接下来将电机吊座、齿轮箱座、拉杆座、纵梁组对到横梁钢管上,按线找正,点焊定位,最后进行组对检查就完成了构架装置的组对。其中,特别注意的是电机吊座由于结构原因焊接后收缩量较大,需要预先留3mm收缩量的加工量。构架装置组焊完成后,进行气密性试验,然后进行退火处理。构架装置退火后进行调修,然后进行机加工。由于该构架装置各加工部位相关尺寸比较多,使用了龙门加工中心进行加工,分两个工序进行构架的正反面加工。为保证加工过程中构架装置尽可能小的变形,在工件定位过程中特别增加了较多的辅助支承,特别是侧梁端头下方和制动吊座下方。加工完成后采用三坐标测量仪进行测量。构架装置加工完后进行小件的组焊,内容包括管卡座,高度阀安装座等的组焊,最后进行抛丸、油漆。120km/hB型地铁构架装置试制组焊后经超声波探伤和磁粉探伤均合格;经调修后变形均在允许范围内;机加工后经三坐标测量仪检测尺寸、公差均符合技术要求。因此构架的工艺试制满足了设计要求。4试验强度120km/hB型地铁构架装置试制完成后及时进行了静强度和疲劳强度试验。(1)总体应力点超屈服选取点超表现构架装置参照UIC615-4和JIS4208规范进行了静强度试验,试验结果表明:①在超常载荷工况下,所有测点应力均未超屈服;②应用载荷工况下,较大应力点均未超出疲劳Goodman图允许的极限区域;③制动座铸件下根部圆弧部位动应力水平较高,应注意铸件质量控制,防止铸造缺陷,以提高疲劳强度。(2)试验结果及分析构架装置参照UIC615-4和JIS4208规范进行了疲劳强度试验,试验结果表明:①试验构架通过了主结构基于UIC615-4标准规定的第1、2、3阶段共107次疲劳试验;②横梁管上的2个电机座、2个齿轮箱吊座、2个牵引拉杆座和制动座均完成了2×106次疲劳试验。5地铁架构应力较大部位的焊接工艺和控制120km/hB型地铁转向架已顺利完成总组装和动力学性能试验,构架的研制取得了成功,经过本次构架装置的研制可总结出以下几方面的经验,在今后类似的项目中提供借鉴:(1)地铁构架的设计需重点优化承受较大拉应力部位(如定位转臂座与侧梁下盖板交界处)、承受较大交变应力部位(如齿轮箱吊座与横梁的交界处、电机吊座与横梁的交界处、制动吊座与横梁的交界处等)和承受复杂多向应力部位(如横向止档梁与横梁的交界处)的结构;(2)由于应力较大的部位一般发生在各功能座与构架侧梁或横梁的连接焊缝上,在生产中需重点优化这些应力较大部位的焊接工艺和控制焊缝质量;(3)地铁构架装置结构紧凑,附加安装座较多,各部位组焊尺寸和质