第５期（总第１７４期） ２０１２年１Ｏ月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ（）ＭＡＴＩ（）Ｎ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１２）０５．００２４—０３ 某型地铁车辆转向架构架强度及模态分析 杜子学，徐道雷，刘建勋 （重庆交通大学，重庆４０００７４） 摘要：通过ＣＡＴＩＡ软件建立某型地铁车辆转向架构架的三维实体模型，采用ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ建立了该型地铁 转向架构架结构强度分析的有限元模型，参照铁路相关标准，计算得到其强度分析应力结果，验证了该构架结 构设计的合理性。通过模态分析，获得该构架的各阶模态频率及模态振型，为构架的动态特性设计提供参考。 关键词：构架；强度分析；模态分析；转向架 中图分类号：Ｕ２６０．３３１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 体单元相连接的是板壳单元，两者自由度不同，所以约 束这８个支座ｘ、ｙ、ｚ平动方向的三个自由度 。构 架有限元分析模型如图２所示。 地铁转向架是地铁车辆的重要组成部件，是支承 车体并负担车辆沿着轨道走行的支承走行装置，其结 构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能和行 车安全。地铁转向架构架在运动过程中不但要承受车 体传递的载荷、牵引电机部分载荷，而且需要传递牵引 力、车钩冲击力、制动力和车辆通过曲线时的横向载荷 等各种垂向、纵向、横向力［１］。因此，其结构安全是转 向架结构强度设计的首要目标。 １ 地铁车辆转向架构架结构强度分析 １．１构架结构分析有限元建模 本文研究的地铁车辆转向架属于无摇枕转向架， 具有结构简单、零部件少、重量轻、噪声低、维修工作量 少等优点。该转向架主要由构架、轮对轴箱装置、轴箱 定位装置、二系悬挂及牵引装置、空气弹簧、横向油压 减震器和横向橡胶缓冲止挡、基础制动装置以及传动装 置等组成。其构架主要由侧梁、横梁、纵梁、托板、弹簧 图１构架三维模型 图２构架有限元分析模型 支座等组成，构架的主要连接形式为焊接。该转向架构 架三维建模采用ＣＡＴＩＡ软件完成，如图１所示。 将几何模型转换为ｉｇｅｓ格式后导入有限元软件 构架所受载荷计算参照ＴＢ１３３５—１９９６＜＜铁道车 辆强度设计及试验鉴定规范》。该型地铁转向架构架 载荷计算参数见表ｌ。 表１构架载荷计算参数 参数 轴重（ｋｇ） 转向架重量（ｋｇ） 数值 参数 数值 １０Ｏ ０．３ 整车重量（定员载荷下）（ｋｇ） ４４ ６００ 最高运行速度（ｋｍ／ｈ） ４ ８７０ 动载荷系数 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中进行前处理，经过修补缺失的几何信息 及几何简化后，对各焊接薄板抽取中面，划分二维壳单 元网格，各支座采用六面体网格模拟。构架材料为１６ ＭｎＲ，其弹性模量Ｅ一２．０９×１０ ＭＰａ，密度ｌＤ＝７．９Ｎ－ １０。ｋｇ／ｒＩ１３，泊松比 一０．２８，屈服极限为３９６ ＭＰａ，强度 １４ ０００ 转向架固定轴距（ｍｍ） ２ ３００ 转向架中心距（ｒａｍ） 单位风压力（ＭＰａ） １２ ６００ 紧急制动减速度（ｍ／ｓ。） １．２ ５４０ 重力加速度（ｍ／ｓ０） ９．８１ 极限为５６６ ＭＰａ，许用应力为３４５ ＭＰａ。 边界条件的正确与否对有限元计算结果影响重 大。在空气弹簧座处施加弹性边界元约束，而与六面 收稿日期；２０１２—０３—１３，修回日期：２０１２．０５—２５ 垂向静载荷 包括自重、载重和整车重量，Ｐ 一 ３４２ ｋＮ。垂向动载荷 由垂向静载荷乘以垂向动载 作者简介；杜子学（１９６２一），男，河北邯郸人，教授，博士，研究方向为现代车辆设计方法与理论、载运工具运行品质、交通安全。 ・ ２６ ・ 机械工程与自动化 ２０１２年第５期 从以上模态计算结果及振型图可知：构架前６阶 ３结论 为刚体模态，故没有振型变化；构架第７阶振型频率值 为３Ｏ．４５ Ｈｚ，自振频率数值较高，具有一定的扭转刚 度，利于适应轮轨面的垂向不平顺性；第８阶、ｌ１阶振 型表明构架有一定的横向弯曲刚度；构架第９阶振型 为平面剪切，且频率值较大，表明构架侧梁和端梁具有 较大的刚度；第１Ｏ阶、ｌ２阶振型说明构架有一定的横 通过对某型地铁转向架构架结构强度分析以及模 态分析可知，构架在４种工况下最大应力值为１０９．９ ＭＰａ，低于许用应力值，满足设计要求；构架主要侧梁 以弯曲摆动为主，其自振频率较高，最低固有频率远离 ６ Ｈｚ～１Ｏ ＨＺ的激振频率，其动态特性较为合理。 参考文献： 向、垂向弯曲刚度，构架整体刚度较大，其承载性较好。 通过模态分析可以得出，地铁车辆转向架构架自 身振动频率较高，振型主要为两侧梁的扭转弯曲，并具 有一定的扭转、弯曲刚度。构架的最低固有频率为 ３Ｏ．４５ Ｈｚ，远离６ Ｈｚ￣１０ Ｈｚ的激振频率，与车体的振 动频率的耦合性不高，能有效地避免与车体发生共振。 ［１］严隽耄．车辆工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社．２００３． ［２］范平清．ＭＢ＿１新型客车转向架构架强度疲劳寿命分析 ［Ｄ］．长春：吉林大学．２００７：２６． ［３］张胜兰．严飞．基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的车架模态分析［Ｊ］．机 械设计与制造，２００５（４）：１０－１１． ［４］杜子学，朱兴高．跨座式单轨车辆转向架构架模态分析 ［Ｊ］．机械设计与制造。２０１１（儿）：２２２・２２３． Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｂｗａｙ Ｂｏｇｉｅ Ｆｒａｍｅ ＤＵ Ｚｉ－ｘｕｅ，ＸＵ Ｄａｏ－ｌｅｉ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｘｕｎ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｓｕｂｗａｙ ｂｏｇｉｅ ｆｒａｍｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＣＡＴＩＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｇｉｅ ｆｒａｍｅ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔＯ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒａｉｌｗａｙ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ，ｔＯＯ．Ｂｙ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ｓｈａｐｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｓｕｐｐｌｙ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｂｏｇｉｅ （上接第２３页） 参考文献： 电子工业出版社．２００６． ［７］ 贺哲荣．流行ＰＬＣ实用程序及设计［Ｍ］．西安：西安电子 科技大学出版社，２００６． ［１］廖常初．ＰＬＣ的编程方法与工程应用［Ｍ］．重庆：重庆大 学出版社，２００１． ［８］王磊，陶梅．精通ＬａｂＶＩＥＷ ８．０［Ｍ］．北京：电子工业出版 社．２００７． ［２］陈远龄．机床电气自动控制［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社， ２００４． ［３］王红．可编程控制器使用教程［Ｍ］．北京：电子工业出版 社．２００２． ［９］杨乐平．李海涛．肖相生，等．ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１． ［１Ｏ］李向东．电气控制与ＰＬＣ［Ｍ］．北京：机械工业出版社． ２００９． ［４］王永华．现代电气控制及ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：北京 航空航天大学出版社．２００３． ［１１］ 乔瑞芳．基于单片机和计算机的多媒体抢答器设计［Ｊ］． 电子科技，２００９，２２（８）：４３－４７． ［５］谢克明．夏路易．可编程控制器原理与程序设计［Ｍ］．北 京：电子工业出版社，２００５． ［１２］张晖．基于ＬａｂＶＩＥＷ的ＦＸ２Ｎ型ＰＬＣ与计算机通信实 现［Ｊ］．自动化博览．２００８（８）：７８—８０． ［６］高勤．可编程控制器原理及应用（三菱机型）［Ｍ］．北京； Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｕｓｈ－－ａｎｓｗｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ａｎｄ ＰＣ ＣＡＩ Ｘｉａｏ－ｌｅｉ。ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｌｏｎｇ．ＤＯＮＧ Ｃｈｅｎｇ－Ｉｉｎ。ＨＵ Ｘｕｅ－ｍｉｎ，ＺＨＡＮ Ｆｅｎｇ－ｗｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５１２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＦＸ２Ｎ ＰＬＣ ａｓ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｂｉｔ ｍａｃｈｉｎｅ．ｗｉｔｈ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ａ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｒｅｓｐｏｎｄｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｔＷＯ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ８．６，ＳＯ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ８．６ ａｎｄ Ａｃｃｅｓｓ ｄａｔａｂａｓｅ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ。ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｄａｔａｂａｓｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅｒｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｓ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｗｅａｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｒｕｓｈ－ａｎｓｗｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ，ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ８．６；ｒｕｓｈ－ａｎｓｗｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ；Ｐ Ｌｌ：；ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ