地铁转向架大载荷构架关键焊缝的结构优化探讨

粱飞,张泽帅,赵鑫

摘 要：现代地铁车辆运营中使用的转向架大荷载构架通常需要以焊接的方式构成整体的框架，对其焊缝结构加以优化设计，可以提升构架整体疲劳强度，保证地铁运行的安全性，依照EN/UIC的标准，在有限元分析软件中，将这些优化设计方案进行分析研究。本文从地铁转向架大荷载构架的关键焊缝工况组合入手，对构架焊缝优化历程做出详细的分析，旨在研究最佳的地铁转向架大荷载构架关键焊缝结构优化策略。

关键词：地铁车辆；大荷载构架；焊缝结构；优化方案

依照EN/UIC标准要求，使用有限元软件对地铁转向架大荷载构架的优化做出了全面的模拟分析。例如在某地铁转向架大荷载构架的设计过程中，借助该软件对某16吨轴重的转向架，进行了有限元应力的分析，并重新评估了大荷载转向架的静强度与劳动强度，发现在模拟运营牵引工况下，地铁转向架大荷载构架存在超限的情况，其疲劳强度并不能满足相关标准与要求。而且考虑到地铁车辆的轴重是非常大的，会受到复杂工况的影响，在大荷载构架中出现了应力水平超限的情况，关键焊缝处就是产生应力最大的位置，需要对此位置的结构加以优化。

一、地铁转向架大荷载构架关键焊缝的工况与材料性能

首先对该地铁转向架大荷载构架承受的运营荷载做出了模拟牵引工况的分析研究，得到的数据见表1。该转向架的架构材料选择，是符合国标《低合金高强度结构钢》中的要求的，其超限位置材料的基本力学性能比较出色，所选用的板材的屈服强度可以达到355MPa，超常荷载屈服许用应力可以达到355MPa（母材）/323MPa（焊接接头），其运营的载荷屈服许用应力可以达到222MPa。根据已经列出的牵引工况，在利用有限元分析软件对该转向架构架进行有限元仿真的过程中，显示出该构架下盖板横侧梁连接的圆弧弯角处焊缝的应力水平，已经超出了所选材料自身允许的疲劳限度值。经过对地铁转向架大荷载构架的全面分析，发现横侧梁连接处的上、下盖板圆弧过渡不平滑，所以才发生应力过于集中的情况，需要对横侧梁连接处的上、下盖板圆弧边进行优化处理，来提升关键焊缝强度。

表1.地铁构架关键焊缝运营荷载作用下工况组合表（牵引工况参考）

类型	模拟运营数据
工况号码	1	2	3	4	5	6	7	8	9
左侧梁垂向荷载	-109.0	-98.1	-98.1	-143.1	-143.1	-71.2	-71.2	-114.5	-114.5
右侧梁垂向荷载	-109.0	-76.5	-76.5	-117.1	-117.1	-98.5	-98.5	-153.1	-153.1
横向荷载	0	0	+64.3	0	+64.3	0	-64.3	0	-64.5
纵向荷载	0	0	0	0	0	0	0	0	0
扭转荷载	0	0	0	0	0	0	0	0	0
驱动荷载	0	0	0	0	0	0	0	0	0
电机荷载	0	0	0	0	31.9	垂	25.4	横	19.1
抗侧滚扭杆荷载	0	0	0	0	0	0	0	0	0
减震器荷载	0	0	0	0	0	-6.8	-6.8	-6.0	0

二、地铁转向架大荷载构架关键焊缝的技术优化方案

本次对地铁转向架大荷载构架关键焊缝技术的研究中，共设计了四种技术优化方案。第一种技术优化方案，是对横侧梁连接处的上盖板圆弧边做出横向的加宽处理；第二种技术优化方案，则是对横侧梁连接处的下盖板圆弧边处做出横向加宽；第三种技术优化方案是对横侧梁上、下盖板的圆弧边同时进行逐步加宽，使其可以满足相关的技术标准，将其应力水平控制在要求的范围内，得到在材料本身疲劳限值内的结构优化方式；第四种方案则是在侧梁的内腔中加设筋板，希望通过这种技术方式，进一步增加筋板的力量来提高抵抗应力水平，而这种技术优化方式属于常规化的技术模式。

通过对这四种技术优化方案的仿真结果对比中，可以得出了如表2所示的结果，地铁转向架大荷载构架关键焊缝的优化历程及相应的数据均在表2中显示出来。在对表2中数据的研究可以发现，第一种技术方案的仿真结果与第二种技术方案的仿真结果对比，说明横侧梁上、下盖板圆弧边的单独横向加宽，对关键焊缝位置的应力水平并不会起到有效的分担作用，从第三种技术优化方案的仿真结果中可以看出，同时横向加宽横侧梁上、下盖板圆弧的操作可以持续改善关键位置的应力水平；而第四种技术方案的应用，则说明在横侧梁内腔加设筋板，并不会影响关键位置的应力。

表2.四种不同技术优化方案的关键位置应力的仿真结果对比（参考）

方案	1	2	3	4
描述	横侧梁连接处上盖板圆弧边处横向加宽	横侧梁连接处下盖板圆弧边处横向加宽	横侧梁连接处上、下盖板圆弧边处同时加宽	横侧梁内腔加设筋板用于支撑
应力幅值	72.9	73.0	65.5	63.4
平均应力	59.4	58.1	51.9	49.6

结束语：

地铁转向架大荷载构架的圆弧弯角处关键焊缝，多属于H型构架的大应力焊缝，所以也被称为结构上的关键焊缝，对于该位置的应力优化分析，可以从技术优化方案的研究过程中形成经验。比如，地铁转向架大荷载构架上、下盖板圆弧同时横向加宽才能够有效地改善关键焊缝的应力作用，横侧梁连接处上、下盖板的弯角处属于构架的母材最大应力位置，随着该位置的尺寸逐渐增加，就会使大应力位置逐渐远离圆弧弯角处焊缝，也就形成了对关键焊缝的应力分担作用，使关键焊缝位置受到的影响逐渐减弱。

参考文献

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