中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛
摘要：本文主要分析制动管路不同位置的动应力水平，找到管路动应力较高且易于出现疲劳断裂的位置，然后利用制动管理动应力有限元模拟仿真分析了增加制动管路壁厚、改变管路管卡刚度、管路管卡数量等对管路动应力的影响，并根据仿真地基结果得出制定管路结构的优化建议。
关键词：地铁车辆；制动管路；动应力分析；模态分析；结构优化
1 地铁车辆制动管路动应力有限元建模分析
本文以动车转向架架构制动管路为研究对象，动力转向架架构由两侧箱型侧梁与两根无缝较粗钢管横梁焊接形成，两根横梁之间又通过小纵向梁实现连接，在横梁上焊接了电机吊座和齿轮箱吊座等，在侧梁上则焊接了空气弹簧座和一系弹簧座，制动管路通过管卡和管路支撑板安装在构架上。
1.2 有限元建模
将试验车辆动车转向架架构与制动管路三维几何图形道路到有限元软件中，金保留构架主体结构，在模型中简化了部分倒角和螺栓孔，并对构架侧梁顶板、底板、侧板、电机座以及各种加强筋板等薄壁结构使用壳单元进行网格划分，对一系悬挂座、空气弹簧座和齿轮箱吊座等非薄壁结构使用三维实体单元进行网格划分。因为重点是对制动管路进行分析，为此对管路进行了更加具体的网格划分，并用一系刚度大的弹簧单元连接构架壳单元和管卡，模拟制动管路在构架上的状态，在一系悬挂座构建弹簧单元以模拟横纵向一系弹簧刚度的特性。然后将构建的有限元网格模型导入到ANSYS有限元分析软件中[1]。
1.4 有限元仿真模型验证
在有限元软件中计算构架固有模态和制动管路的固有模态，并通过试验分析得到构架和制动管路的模态振型对比分析结果，构架计算固有模态的频率最大误差和制动管路计算固有模态频率最大误差均符合精确度的要求。在有限元分析软件中，采用随机振动分析计算得到制动管路各个位置的应力值，再利用傅立叶逆变换算法得到各个位置的时域应力，并和实际测量得到的应力值相对比，发现制动管路盈利有限元模型的准确性较高，并得出影响侧梁停放制动管路应力的主要因素有车轮多边形磨损、管路和构架共振。
2 地铁车辆制动管路应力分析
2.1 侧梁停放制动管路
管路一阶弯曲振动模态对制动管路动应力的影响最大，因此下文将基于制动管路和构架装配体有限元模型进行模态分析，且只分析制动管路一阶弯曲模态的结果。
在侧梁停放制动管路动应力分析时，沿着侧梁停放制动管路长度的方向均匀输出侧面和顶面各个节点的应力响应谱，由分析可得，侧面节点应力响应谱存在17hz和72hz频率，其中72hz频率的幅值更高，说明管路侧面在该频率附近产生较大振动，这是因为构架测量横向弯曲振动和管卡之间管路一阶横向弯曲振动产生耦合作用。顶面节点应力响应谱主要存在72hz和83hz，说明管路顶面在两个频率附近的振动都很大，其中72hz频率主要是因为构架侧摆振动引起的管路轻微振动，而83hz则是因为构架横梁垂向弯曲振动和管路一阶垂向弯曲振动的耦合作用。侧面的节点应力响应谱要明显高于顶面节点，也就说明侧梁停放制动管路侧面振动更加强烈。根据傅立叶逆变换算将这些应力响应谱换成时域应力，并得出时域应力沿着侧梁停放制动管路节点的分布情况。根据分析可得，管路最大应力幅度值为158mpa，在管卡边缘的侧面位置处，超出许可应力范围值，也明显高于顶面最大应力幅度值，为此侧梁停放制动管路管卡边缘位置的侧面承受了较大的应力而容易出现断裂的问题[2]。
3 地铁车辆制动管路结构优化
3.1 增加管路壁厚
通过上文的分析可知，地铁车辆制动管路较高的地方在侧梁停放制动管路的侧面，所以主要对侧梁停放制动管路的结构进行优化。
首先，原来停放制动管路的壁厚约1.5mm，为了增强管路的强度，但是又要不对其他管路零配件产生影响，可在保持构架上装配位置、管路走向以及外资金不便的情况，增加壁厚2-3mm，并通过网格划分，在有限元分析软件中建模，通过模拟仿真来确定不同壁厚对管路动应力的影响。经过数值模拟分析可知，管路横向弯曲振动固有频率与管路的内外直径成正比，也就是在保持管路外直径不变的情况下，通过减小内径、增大壁厚的方式，使管路一阶横向弯曲振动频率降低。在对不同管路壁厚对管路应力影响分析的基础上，进行管路结构动应力分析，根据不同壁厚应力响应谱可知，管路壁厚的增加使得应力响应谱的主频率也跟着下降。在壁厚为1.5mm时，应力响应谱的主频率为72hz，该振动频率由构架侧梁横向弯曲振动和管路一阶横向弯曲振动的耦合作用引起的，在增加壁厚到2mm时，主频率下降到65hz，该振动频率主要由管路一阶横向弯曲振动引起的。当壁厚增加到2.5mm时，响应频谱主频率降到了63hz，这是因为管路一阶横向弯曲振动引起的。在壁厚增加到3mm时，主频率下降到了60hz。说明随着壁厚的增大，主频率不断下降，避免和构架侧梁横向弯曲振动频率发生耦合作用，可以减少管路的振动应力。
3.2 改变管卡刚度
将管路壁厚增加到3mm时能有效降低制动管路的动应力，当管路壁厚为1.5mm和壁厚为3mm时，探究改变管卡的刚度对制动管路动应力的影响设置管卡弹性模量的变化范围在0.15-0.95GPa之间，每次增加0.2GPa。根据模态分析和动应力分析结果可知，在管壁厚度为1.5mm时，管卡的刚度从0.85下降到0.15GPa，管路的等效应力幅度值也从30.6mpa下降到了13.3mpa。而在管壁厚度为3mm时，管卡的刚度下降了相同的幅度，管路等效应力的幅值从20.3mpa下降到10.5mpa，下降幅度不明显。这也说明，对于壁厚为3mm的管路而言，降低管卡的刚度可以缓解管路振动，在管卡的刚度为0.15GPa时，管路振动最小，对管路动应力的影响较小。
3.3 增加管卡数量
通过上文可知，壁厚为1.5mm以及管卡刚度为0.85GPa的管路与壁厚为3mm，管卡刚度为0.15GPa的管路相比，后者管路的动应力下降明显。由此本文在这两种工况下，通过增加管卡数量的方式来验证管卡数量对管路应力的影响。通过模态分析和动应力分析可知，对于壁厚为1.5mm，而管卡刚度是0.85GPa的管路而言，在增加管卡之后管路的等效应力幅值从30.6下降到了1.8mpa，壁厚是3mm，管卡刚度是0.15GPa的管路，在增加管卡后管路等效应力的幅值也从20.3mpa下降到了1.86mpa，两个试验管路应力水平下降都很明显[3]。
3.4 对侧梁停放制动管路结构的优化建议
对不同的制动管路结构优化方案进行比较分析，虽然所有优化方案都可以使动应力水平得到下降，但是下降程度不同。从这几种方案中发现，在管卡中间增设一个管卡的方式对制动管路动应力下降的效果是最明显的，可直接选择该优化方案。但是在实际优化改造时，还要考虑操作的便捷性，如果管卡增加会产生其他不必要的麻烦，则可以通过增加管路壁厚和降低管卡刚度相结合的方式来优化管路结构，降低结构上的动应力水平。
4 结语
综上所述，本文以地铁车辆动车转向架为研究对象，采用有限元仿真模型进行了模态分析和动应力分析，对不同的管路动应力水平进行了比较，并针对应力较高且容易出现断裂的管路提出了结构优化建议。即通过增加管路壁厚、减小管卡刚度以及增加管卡的方式都可以有效降低制动管路的动应力水平，缓解振动带来的磨损、变形等问题。在实际应用中，要综合考虑优化的便捷性、安全性、技术性和经济性等因素，选择适应于实际工况的结构优化措施，同时通过振动试验以及地铁车辆动力学仿真模拟，及时采取措施解决制动管路疲劳损坏的问题。
参考文献：
[1]卢耀辉，向鹏霖，曾京，等.高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测[J].交通运输工程学报，2017（1）：62-70.
[2]陈华，胡伟平，马爱军，等.基于振动响应特性的结构随机振动损伤分析[J].机械设计与研究，2017（3）：21-25.
[3]方红荣，薛立鹏，李朝晖.基于有限元法的运载火箭管路随机振动疲劳寿命分析[J].导弹与航天运载技术，2017（4）：107-110.