適應(yīng)120kmh速度運(yùn)營(yíng)的b型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裝置研究

目前，中國(guó)只有三種120公里高的城市軌道交通車輛，包括廣州地鐵3號(hào)線及其延長(zhǎng)線。為滿足120公里/小時(shí)的運(yùn)營(yíng)要求，上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司獨(dú)立設(shè)計(jì)了120公里/小時(shí)b型列車，是一種適用于120公里和h速度的b型列車。本向路橋的開(kāi)發(fā)是2008年上?？萍技夹g(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)的一項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目。轉(zhuǎn)向架已于2009年12月完成組裝,2010年初完成了技術(shù)鑒定。在構(gòu)架、中央牽引裝置、軸箱裝置等部分關(guān)鍵部件研制上取得了突破,實(shí)現(xiàn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)業(yè)績(jī)。120km/hB型地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架軸距為2300mm,包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架兩種類型,動(dòng)力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1所示,其由構(gòu)架裝置、輪對(duì)、軸箱懸掛定位裝置、中央懸掛裝置、牽引裝置、電機(jī)齒輪傳動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等部分組成。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)是在動(dòng)力轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上取消了電機(jī)和齒輪傳動(dòng)裝置。其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的受力骨架,是用以聯(lián)系轉(zhuǎn)向架各組成部分和轉(zhuǎn)遞各方向力的基礎(chǔ)載體,要求的使用期超過(guò)30年。在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中對(duì)構(gòu)架裝置做了重點(diǎn)研究和精心研制。1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及連接方式120km/hB型地鐵動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裝置的主體型式相同,能夠進(jìn)行互換,結(jié)構(gòu)如圖2所示。構(gòu)架裝置的側(cè)梁中心距為2100mm,主體采用Q345-B鋼板整體焊接結(jié)構(gòu),主要由兩個(gè)側(cè)梁裝置和兩個(gè)橫梁裝置組成H型整體結(jié)構(gòu)。構(gòu)架側(cè)梁整體呈U形,為封閉的箱形結(jié)構(gòu),在其下側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)臂安裝座,中央上部設(shè)置空氣彈簧座,端部設(shè)置一系鋼彈簧套筒和一系垂向減振器座。構(gòu)架的橫梁采用Q345-B無(wú)縫鋼管,在其外側(cè)斜對(duì)稱設(shè)置電機(jī)和齒輪箱吊座,對(duì)稱設(shè)置輪盤(pán)制動(dòng)器的吊座,下部斜對(duì)稱設(shè)置牽引拉桿座,在兩個(gè)橫梁之間還組焊安裝橫向止檔座的縱梁。2載荷計(jì)算及分析根據(jù)《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定,構(gòu)架裝置的強(qiáng)度計(jì)算參照了UIC615-4規(guī)范進(jìn)行了超常載荷工況和模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況強(qiáng)度計(jì)算,并根據(jù)“120km/hB型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)”補(bǔ)充了電機(jī)吊座和齒輪箱吊座的載荷,全面地分析了構(gòu)架裝置的受力工況。(1)超常載荷工況考慮了垂向、橫向、斜對(duì)稱、電機(jī)懸吊、齒輪箱懸吊、縱向、制動(dòng)懸吊的超常載荷,超常載荷中,垂向載荷、橫向載荷為基本載荷,然后再分別疊加其他幾種載荷中的一種,組成超常載荷工況。模擬運(yùn)營(yíng)載荷考慮了垂向、橫向、斜對(duì)稱、電機(jī)懸吊、齒輪箱懸吊、小曲線附加縱向載荷(菱形載荷)、縱向、制動(dòng)懸吊的模擬運(yùn)營(yíng)載荷,運(yùn)營(yíng)載荷工況以垂向載荷、橫向載荷和斜對(duì)稱載荷為基本載荷,然后再分別疊加其他的載荷組成15種載荷工況,其中電機(jī)懸吊的三向載荷同時(shí)施加。(2)有限元分析結(jié)果構(gòu)架裝置整體結(jié)構(gòu)采用計(jì)算軟件Algor(SuperSAP,18.0版本)進(jìn)行有限元分析,構(gòu)架主體采用板單元,整個(gè)模型共離散有結(jié)點(diǎn)29650個(gè),板單元30490個(gè)。(3)構(gòu)架裝置載荷分析在構(gòu)架裝置有限元計(jì)算模型中,約束條件采用彈性邊界元。其中垂向彈性邊界元施加在側(cè)梁端部的軸箱彈簧套筒的上蓋板,橫向和縱向彈性邊界元在構(gòu)架側(cè)梁的轉(zhuǎn)臂座上,邊界元?jiǎng)偠劝凑諔覓煸膮?shù)在實(shí)際受力部位多點(diǎn)施加。構(gòu)架裝置載荷的加載位置如圖3所示,按照載荷的實(shí)際作用位置以節(jié)點(diǎn)力方式進(jìn)行施加。其中電機(jī)懸吊的載荷按照集中載荷形式在電機(jī)質(zhì)心位置施加,這時(shí)通過(guò)剛性桿單元將電機(jī)質(zhì)心與電機(jī)座相連;制動(dòng)載荷也施加在車輪的制動(dòng)半徑位置,通過(guò)剛性桿單元與制動(dòng)吊座連接。(4)主體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用UIC615-4規(guī)范評(píng)判,強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明:在超常載荷的各種工況下,動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體的應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力,滿足靜強(qiáng)度要求(圖4為構(gòu)架模擬超常載荷組合工況下的應(yīng)力云圖);在模擬運(yùn)用載荷作用下,通過(guò)對(duì)疲勞敏感的定位轉(zhuǎn)臂座立板下邊緣、電機(jī)吊座上蓋板、齒輪箱吊座上蓋板與橫梁交界處等9處關(guān)鍵部位在15種載荷組合工況的分析,動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各采樣點(diǎn)的應(yīng)力幅均不超過(guò)材料的許用應(yīng)力幅(見(jiàn)圖5),滿足疲勞強(qiáng)度要求。3工藝過(guò)程的改進(jìn)120km/hB型地鐵構(gòu)架主體為鋼板焊接成的“H”形結(jié)構(gòu),主要由8～25mm厚度的Q345-B鋼板焊接構(gòu)成,總重量為1382kg。構(gòu)架試制為少批量生產(chǎn),在保證質(zhì)量的前提下,盡量利用現(xiàn)有制造平臺(tái)及通用工裝設(shè)備完成。構(gòu)架裝置主要有側(cè)梁、橫梁及電機(jī)吊座、齒輪箱座、拉桿座、制動(dòng)座等相應(yīng)安裝座組成。在投產(chǎn)前對(duì)圖紙分析認(rèn)為在工藝制造過(guò)程中,特別是在構(gòu)架組焊過(guò)程中需要進(jìn)行側(cè)梁、橫梁和構(gòu)架的組對(duì)、焊接、調(diào)修及加工等幾個(gè)重要的工藝過(guò)程,其制定的制造工藝過(guò)程如圖6所示。其中橫梁組成連接兩個(gè)側(cè)梁且是各附件座(電機(jī)吊座、齒輪箱座、拉桿座、制動(dòng)吊座等)的基體,因此橫梁組成是構(gòu)架的主要部分,通過(guò)圖紙分析認(rèn)為橫梁組成的組焊是整個(gè)構(gòu)架組焊的關(guān)鍵所在。根據(jù)小批量生產(chǎn)的實(shí)際情況,在構(gòu)架裝置試制實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行了調(diào)整,主要體現(xiàn)在橫梁的組對(duì)工藝上。不進(jìn)行橫梁組成的單獨(dú)組對(duì),在側(cè)梁組焊完成后,直接組對(duì)構(gòu)架裝置。橫梁組成上的所有功能座均在構(gòu)架裝置中一次組對(duì)、焊接、調(diào)修及加工。這樣減少了組對(duì)過(guò)程,但增加了構(gòu)架裝置總組對(duì)的難度。改進(jìn)后的工藝過(guò)程如圖7所示。按改進(jìn)后工藝流程執(zhí)行的最關(guān)鍵工序是側(cè)梁及構(gòu)架裝置的組對(duì)、焊接、調(diào)修、加工。(1)檢測(cè)折彎工藝側(cè)梁結(jié)構(gòu)如圖8所示,主要由上蓋板、下蓋板、內(nèi)外立板、轉(zhuǎn)臂座、空簧座板、彈簧筒等件組焊而成。側(cè)梁中間上部安裝二系空氣彈簧,其側(cè)梁中間內(nèi)部空腔作為附加氣室,需要保證氣密性。側(cè)梁的上下蓋板需要4次折彎實(shí)現(xiàn),且各折彎點(diǎn)的選擇對(duì)于最后總的組成是十分關(guān)鍵的,尤其是下蓋板折彎難度更大,為保證質(zhì)量,制作了檢測(cè)上下蓋板折彎?rùn)z測(cè)的全形樣板,不斷試驗(yàn)調(diào)整折彎模具的下壓深度和折彎點(diǎn)。側(cè)梁立板也需要4次折彎,且有兩個(gè)R50的相鄰彎間距為50mm,通過(guò)常用的折彎無(wú)法實(shí)現(xiàn),最后通過(guò)制作一次成型壓模熱壓而成,但難點(diǎn)是立板上有焊接坡口在該R50彎相接處,因此需要折彎前銑出坡口,并在立板同上下蓋板組對(duì)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈ヒ员ＷC組對(duì)間隙?？紤]到側(cè)梁在組焊后收縮,在長(zhǎng)度方向預(yù)先按4mm/m的收縮量留量,且均在工藝準(zhǔn)備過(guò)程中預(yù)先確定了立板、上下蓋板、空氣簧座板、轉(zhuǎn)臂座等零件的工藝圖。側(cè)梁采用側(cè)梁組對(duì)工裝進(jìn)行組對(duì)、焊接。組焊后檢測(cè)到在橫向有2～3mm左右的撓度,因此,側(cè)梁轉(zhuǎn)臂座左右兩邊各預(yù)留了5mm的加工量。側(cè)梁組焊完成后為保證構(gòu)架裝置組對(duì)質(zhì)量和側(cè)梁進(jìn)行加工,在側(cè)梁加工中考慮到橫梁的組對(duì),對(duì)側(cè)梁上穿橫梁鋼管的兩個(gè)孔進(jìn)行了控制即將原先尺寸560±0.5mm的按照560±0.25mm控制,相應(yīng)地對(duì)橫梁上制動(dòng)吊座組成的中心距也進(jìn)行了控制。(2)教師制作地鐵架構(gòu)裝置的組對(duì)和加工構(gòu)架的組對(duì)需先將側(cè)梁、橫梁鋼管和制動(dòng)吊座組成先進(jìn)行組對(duì):根據(jù)側(cè)梁上初次加工好的轉(zhuǎn)臂座下平面作基準(zhǔn),先將其放置在構(gòu)架組對(duì)工裝上,定位好側(cè)梁的高低位置;然后在兩根橫梁鋼管上先裝好左、右制動(dòng)吊座,鋼管兩端再分別穿過(guò)左、右側(cè)梁;最后根據(jù)兩側(cè)梁中心距、兩制動(dòng)吊座距離確定好側(cè)梁、制動(dòng)吊座在鋼管上的位置,采用定位焊將橫梁鋼管、側(cè)梁、制動(dòng)吊座定位。這樣,構(gòu)架的基本框架就組對(duì)完畢。接下來(lái)將電機(jī)吊座、齒輪箱座、拉桿座、縱梁組對(duì)到橫梁鋼管上,按線找正,點(diǎn)焊定位,最后進(jìn)行組對(duì)檢查就完成了構(gòu)架裝置的組對(duì)。其中,特別注意的是電機(jī)吊座由于結(jié)構(gòu)原因焊接后收縮量較大,需要預(yù)先留3mm收縮量的加工量。構(gòu)架裝置組焊完成后,進(jìn)行氣密性試驗(yàn),然后進(jìn)行退火處理。構(gòu)架裝置退火后進(jìn)行調(diào)修,然后進(jìn)行機(jī)加工。由于該構(gòu)架裝置各加工部位相關(guān)尺寸比較多,使用了龍門(mén)加工中心進(jìn)行加工,分兩個(gè)工序進(jìn)行構(gòu)架的正反面加工。為保證加工過(guò)程中構(gòu)架裝置盡可能小的變形,在工件定位過(guò)程中特別增加了較多的輔助支承,特別是側(cè)梁端頭下方和制動(dòng)吊座下方。加工完成后采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。構(gòu)架裝置加工完后進(jìn)行小件的組焊,內(nèi)容包括管卡座,高度閥安裝座等的組焊,最后進(jìn)行拋丸、油漆。120km/hB型地鐵構(gòu)架裝置試制組焊后經(jīng)超聲波探傷和磁粉探傷均合格;經(jīng)調(diào)修后變形均在允許范圍內(nèi);機(jī)加工后經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)尺寸、公差均符合技術(shù)要求。因此構(gòu)架的工藝試制滿足了設(shè)計(jì)要求。4試驗(yàn)強(qiáng)度120km/hB型地鐵構(gòu)架裝置試制完成后及時(shí)進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。(1)總體應(yīng)力點(diǎn)超屈服選取點(diǎn)超表現(xiàn)構(gòu)架裝置參照UIC615-4和JIS4208規(guī)范進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:①在超常載荷工況下,所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均未超屈服;②應(yīng)用載荷工況下,較大應(yīng)力點(diǎn)均未超出疲勞Goodman圖允許的極限區(qū)域;③制動(dòng)座鑄件下根部圓弧部位動(dòng)應(yīng)力水平較高,應(yīng)注意鑄件質(zhì)量控制,防止鑄造缺陷,以提高疲勞強(qiáng)度。(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析構(gòu)架裝置參照UIC615-4和JIS4208規(guī)范進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:①試驗(yàn)構(gòu)架通過(guò)了主結(jié)構(gòu)基于UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第1、2、3階段共107次疲勞試驗(yàn);②橫梁管上的2個(gè)電機(jī)座、2個(gè)齒輪箱吊座、2個(gè)牽引拉桿座和制動(dòng)座均完成了2×106次疲勞試驗(yàn)。5地鐵架構(gòu)應(yīng)力較大部位的焊接工藝和控制120km/hB型地鐵轉(zhuǎn)向架已順利完成總組裝和動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn),構(gòu)架的研制取得了成功,經(jīng)過(guò)本次構(gòu)架裝置的研制可總結(jié)出以下幾方面的經(jīng)驗(yàn),在今后類似的項(xiàng)目中提供借鑒:(1)地鐵構(gòu)架的設(shè)計(jì)需重點(diǎn)優(yōu)化承受較大拉應(yīng)力部位(如定位轉(zhuǎn)臂座與側(cè)梁下蓋板交界處)、承受較大交變應(yīng)力部位(如齒輪箱吊座與橫梁的交界處、電機(jī)吊座與橫梁的交界處、制動(dòng)吊座與橫梁的交界處等)和承受復(fù)雜多向應(yīng)力部位(如橫向止檔梁與橫梁的交界處)的結(jié)構(gòu);(2)由于應(yīng)力較大的部位一般發(fā)生在各功能座與構(gòu)架側(cè)梁或橫梁的連接焊縫上,在生產(chǎn)中需重點(diǎn)優(yōu)化這些應(yīng)力較大部位的焊接工藝和控制焊縫質(zhì)量;(3)地鐵構(gòu)架裝置結(jié)構(gòu)緊湊,附加安裝座較多,各部位組焊尺寸和質(zhì)