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摘要：城市轨道交通铁路的规划设计是中等距离铁路的重要组成部分，国内城市铁路的规划建设逐步开展，城市车辆作为城市铁路的重要组成部分，也成为各个主机厂的研发重点之一。构架作为铁道车辆转向架的重要承载结构，其结构的可靠性对车辆的运行安全性和使用寿命至关重要，鉴于此，基于UIC标准对国内新设计的城市车辆的构架可靠性进行分析，为城市车的构架设计提供支撑。
关键词：城市铁路；构架；可靠性；静强度；疲劳寿命
1前言
随着我国经济水平的逐步提升，城镇化的建设使得大城市与周边城市或卫星城市之间的交流逐渐增多，人们对城市间的公共轨道交通需求旺盛，尤其是长三角城市群、珠三角城市群和环渤海湾城市群等城市群落，市场的需求促进了时速范围在120~160km/h的城市铁路发展，针对蓬勃发展的城市铁路，国内的主机厂也开展了城市车辆装备的研制。
转向架的构架是车辆系统的重要组成部分，一方面提供了二系悬挂系统的安装接口，实现了转向架与车体的连接，另一方面提供了一系悬挂系统的安装尺寸，通过构架及上方的车体约束轮对的运动，此外，还传递了制动力和牵引力等，承受和传递车辆在运行中受到的随机振动和载荷。为确保构架在车辆运行过程中的可靠性，在设计时对构架的静强度和疲劳寿命进行评估尤为关键，鉴于此，本文以国内新设计的某城市车构架为研究对象，分析了该构架的静强度和疲劳寿命等可靠性参数，为城市车的构架设计提供参考。
2构架的静强度分析
构架为H型全钢焊接结构，主要由侧梁、横梁以及各部件安装座组焊而成，整个构架结构如图1所示。根据构架的结构形式对构架有限元模型进行网格划分，主要采用的网格单元有实体单元、质量单元、梁单元、弹簧单元、刚性单元和柔性单元等，三维实体单元的基本尺寸为15mm。构架主体结构采用四节点四面体单元进行划分，单元类型为solid185；构架一系弹簧的刚度采用弹簧单元进行模拟，单元类型为combin14；轴箱体和车轴采用梁单元进行模拟，单元类型为beam188；各部件之间的采用刚性单元进行连接，单元类型CERIG；利用RBE单元模拟实际载荷的加载区域。附加设备的载荷以集中力的形式施加在设备重心的位置，如电机、齿轮箱、制动吊座载荷以及减震器载荷等，那么，构架共划分单元3903294个，节点数为920190个，以一系弹簧和转臂橡胶节点的建模为例，如图2所示。
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图1构架几何模型 图2一系弹簧和转臂橡胶节点的建模
参考UIC615-4和EN13749标准，对构架的静强度进行评估，主要包括超常载荷工况和模拟运营工况。
2.1超常载荷计算
垂向荷载(Z向)：
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其中，垂直载荷作用于左右沙漏簧座位置，
横向荷载（Y向）：
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其中，横向载荷作用在横向止挡位置。
斜对称载荷：
斜对称载荷以一对角车轮完全失载的情况来模拟转向架脱轨的状态。转向架轴距为2500，线路轨道扭转为10‰，此时一个车轮的垂向位移为25，超常工况斜对称载荷Zmax以指定位移形式施加。
纵向载荷（X向）：
模拟转向架在运行中前后轮对的摇头运动导致的纵向载荷，施加在每个车轮上，同一轮对上的纵向载荷方向相反，构成一个力偶，前后轮对上力偶矩相反或相同构成常规工况及菱形工况。施加在车轮上的载荷值为施加在每个转向架的二系悬挂上的垂向总超常载荷与一个转向架的重量之和的1/10。
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齿轮箱吊座载荷：
电机启动扭矩和短路扭矩引起的齿轮箱吊座上的载荷。
电机启动工况
齿轮箱吊杆反力
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式中，
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为传动比，
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为吊杆中心销与车轴的距离，
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为齿轮箱和联轴节的总质量。
电机短路工况
短路扭矩产生的齿轮箱吊杆反力
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式中，
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为短路扭矩。
制动吊座紧急制动载荷（EN13749标准）
制动吊座上施加紧急制动引起载荷的1.3倍。紧急制动下4个车轮轮轨间的摩擦力：
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即为转向架构架所受的纵向力，这里，
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为最大制动减速度，取
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。
每个制动单元闸片与制动盘间的摩擦力为：
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其中，r为摩擦半径，。
电机吊座载荷：
电机吊座载荷应考虑电电机振动引起的最大载荷。电机惯性载荷的计算按安装在构架上的电机惯性载荷三个方向振动加速度取值分别为：垂向
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，横向
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，纵向
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，那么
电机垂向惯性载荷=
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；
电机横向惯性载荷=
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电机纵向惯性载荷=
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。
减振器座载荷：
如果无特殊规定，超常载荷考虑不小于设计卸荷力的2倍。
一系垂向减振器载荷取
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；
二系横向减振器载荷取
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；
抗蛇形减震器载荷取
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；
(9)抗侧滚扭杆座载荷
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纵向冲击载荷
纵向冲击载荷通过转向架重量换算成纵向载荷分别施加在轴与牵引拉杆上面
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2.2运营载荷计算
垂向荷载：
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其中，垂直载荷作用于左右空中沙漏簧座位置，
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为运营工况下车辆重量。
横向荷载：
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斜对称载荷：
斜对称载荷以一对角车轮完全失载的情况来模拟转向架脱轨的状态。转向架轴距为2500mm，线路轨道扭转为5‰，此时一个车轮的垂向位移12.25mm，超常工况斜对称载荷Zmax以指定位移形式施加。
纵向载荷：
模拟转向架在运行中前后轮对的摇头运动导致的纵向载荷，施加在每个车轮上，同一轮对上的纵向载荷方向相反，构成一个力偶，前后轮对上力偶矩相反或相同构成常规工况及菱形工况。施加在车轮上的载荷值为施加在每个转向架的二系悬挂上的垂向总超常载荷与一个转向架的重量之和的1/10。
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齿轮箱吊座载荷：
电机牵引扭矩引起的齿轮箱吊座上的载荷。
牵引时齿轮箱吊杆反力
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式中，电机启动扭矩
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制动吊座制动载荷（EN13749标准）
常用制动引起的制动吊座载荷的1.1倍。常用制动作用下4个车轮轮轨间的摩擦力：
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即为转向架构架所受的垂向力，这里，
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为最大制动减速度，
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。
电机吊座载荷：
电机吊座载荷应考虑正常运营时电机的最大扭矩和电机振动引起的最大载荷。其中电机惯性载荷为：安装在构架上的电机惯性载荷三个方向振动加速度取值分别为：垂向
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，横向
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，纵向
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，那么
电机垂向惯性载荷=
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电机横向惯性载荷=
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电机纵向惯性载荷=
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减振器座载荷：
如果无特殊规定，超常载荷考虑不小于设计卸荷力的1.5倍，则
一系垂向减振器载荷取
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；
二系横向减振器载荷取
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；
抗蛇形减震器载荷取
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抗侧滚扭杆座载荷
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2.2构架静强度分析结果
在构架计算模型上施加各类载荷及其组合工况，可以得到各组合工况作用下的转向架构架整体的变形图和VonMises应力分布云图及局部大应力区的VonMises应力分布云图，鉴于篇幅的限制，本文选取一个典型超常载荷组合工况和一个运营载荷组合工况作为分析对象，分别如图3和4所示，其中，图3是超常载荷工况下，垂向载荷、横向载荷和10‰的扭转载荷的组合工况，图4是运营载荷工况下，垂向载荷、横向载荷和5‰的扭转载荷的组合工况。
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（a）构架整体（b）应力最大位置
图3超常载荷工况下构架VonMises应力分布云图
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（a）构架整体（b）应力最大位置
图4模拟运营工况下构架VonMises应力分布云图
根据构架应力云图可以得到如表1所示的计算结果，从结果上看，构架在不同载荷组合工况下的最大应力均小于材料屈服的许用应力，说明该构架的静强度满足设计需求。
表1构架静强度计算结果
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3构架的结构疲劳分析
根据超常载荷强度计算结果确定疲劳强度评估点，分别计算不同运营载荷工况作用下评估点的结构应力，从中找出各评估点的最大值
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和最小值
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，计算平均应力
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和应力幅
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。
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参照OREB12/RP17提供的钢材疲劳极限图对构架进行疲劳强度评定，在模拟运营载荷作用下，转向架构架上任意两种工况所产生的应力差及平均应力应在相应材料或接头的疲劳极限线图的界限之内。疲劳分析结果见图5所示。从疲劳分析结果可以看出各疲劳评估点疲劳强度满足要求，但个别评估点处于极限图的临界点处（图中红色圆圈标出的位置），建议加强该结构。
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图5疲劳分析结果
4结论
本文通过有限元方法对国内新设计的某城市车辆构架可靠性进行分析，主要包括有静强度分析和结构疲劳分析，从分析结果上看，该构架在不同超常载荷组合工况和运营载荷组合工况下出现的最大应力均小于材料的许用应力，说明该构架的静强度满足设计需求；构架的各疲劳评估点疲劳强度满足要求，但个别评估点处于极限图的临界点处，建议加强该结构以获取足够的安全裕量。