摘  要： 根据新加坡地铁工程维护车转向架的接口尺寸与载荷工况， 设计了一种天线安装支座， 并用ANSYS 软件对其进行了强度分析。 根据有限元分析结果，对方案进行了优化设计，计算结果表明新结构的强度满足设计要求。

关键词： 转向架； 天线安装支座； 有限元

 

      目前国内已有 30 个城市在建设或规划建设地铁，预计到 2012 年，国内城市地铁建设及运营线路将达到70 条以上。在地铁的建设、运营筹备、试运用以及正式运营等各个阶段都需要大量的地铁工程维护车^[1]。

      新加坡地铁工程维护车是针对新加坡地铁专门设计的机车。该车主要用于地铁线路工程的维护，适用于湿度高、年平均温度高的海洋性气候。该机车采用直交传动技术，牵引电机采用异步牵引电机，控制系统采用微机控制技术，控制精度和可靠性高。由于维护型机车需要频繁启停，其信号接收装置也要求具有很高的可靠性，因此必须设计一套适当的机构将其固定于转向架上。

 

      新加坡地铁工程维护车的 ATP （自动列车保护）天线设置在转向架构架的末端，根据总体要求，新加坡转向架沿机车前进方向在轨道正上方需安装两个ATP天线。天线的中心位于轮轨中心的正上方，天线的最低点距轨面为 156 mm。为适应轮缘的磨耗，ATP天线距轨面的高度可调。综合考虑 ATP 天线的安装方式、载荷工况及转向架构架的结构特点，ATP天线安装支座的布置与结构的设计如图 1、图 2 所示。

      采用有限元分析软件 ANSYS 建立天线安装支座的模型，结构离散为三维壳单元。计算模型整体坐标系原点位于轨面转向架中心，x 轴的正方向为转向架的前进方向，y 轴为转向架的横向，z 轴垂直向上。

      天线安装支座在机车运行过程中受力十分复杂，计算载荷没有参考标准可循。天线安装座主要受到垂向载荷、横向载荷、纵向载荷和构架的扭转载荷的综合作用。根据经验和以往动力学试验加速度测试结果作为参考，本项目计算载荷中垂向加速度最大取 15g，横向加速度最大取 10g，纵向加速度最大取 5g。根据机车的运行特点，可以将以上载荷主要组合成表 1 和表 2所列的十几种工况。

      有限元分析的边界条件：作用在支座上的垂向载荷以节点力形式作用于支座安装孔处；横向载荷以节点力、节点力矩形式作用于支座安装孔处；纵向载荷以节点力、节点力矩形式作用于支座安装孔处；垂向约束施加于一系簧座处；横向约束以弹簧形式施加于一系簧座处及轴承座处；纵向约束以弹簧形式施加于一系簧座及轴承座处；扭曲载荷以位移形式作用于一系簧座处；支座通过建立接触单元与构架相连，如图3所示。

      天线安装支座主要结构材料为 16MnDR，支座主要结构材料为 16MnDR 和无缝钢管 20，材料的机械性能如表 3 所示，要求极限工况下各点应力均不得大于材料的屈服极限。

      经过计算，结果表明天线安装支座在极限工况 1 和极限工况6 下的最大 Von Mises 应力值分别为 376 MPa和 337MPa，均大于材料的许用应力，因此该结构的极限静强度不满足要求。

      取疲劳工况各点的第一主应力的最大值 σ_1max及第三主应力的最小值 σ_3min，按下式计算各点平均应力 σ_m及应力幅值 σ_a：

      根据式（1）和式（2）计算出的各点平均应力及最大应力、最小应力，按 UIC615- 4《动力转向架构架结构强 度 试 验》的 附 录 ORE B12/RP 17 提 供 的 钢 材Goodman疲劳极限图进行评定。

      对疲劳组合工况1～14，选取构架上侧梁部分节点及 ATP 天线支座所有节点，计算出这些节点在组合工况下最大及最小主应力值，再计算各点平均应力及应力幅。将各节点平均应力及最大、最小主应力值点入Goodman曲线进行疲劳评估，大部分节点落在Goodman曲线的母材疲劳强度极限内，但还有部分节点落在Goodman曲线的母材之外（见图 4）。

      极限静强度与疲劳分析结果表明，该天线安装支座的强度不能满足试用要求，因此必须对此结构进行优化设计。

 

      转向架的天线安装支座为两侧分体式对称结构，就单个装置而言属悬臂梁式结构，该装置在机车运行过程受到了垂向、横向和纵向载荷的作用，易导致连接处的焊缝产生裂纹，发生破坏。

      为了改善该装置的应力状况，在分体式天线安装支座的基础上将左右两端的天线安装支座通过长钢管连接在一起，如图 5 所示，这样设计避免了由于悬臂梁结构导致的连接处应力集中，大大提高了产品的可靠性。

      对天线安装支座的新结构按照极限载荷工况1~7分别进行静载荷计算，结果表明，各极限载荷工况下的最大Von Mises 应力值均小于材料的许用应力，其中最大的应力为 255 MPa，小于屈服强度 315 MPa，因此优化后的新结构静强度满足设计要求。

      再对新结构按照疲劳载荷工况1~14分别进行疲劳计算，结果表明优化后的结构，其各节点皆落在Goodman曲线^[4]的母材疲劳强度极限内，如图 6 所示，疲劳强度满足设计要求。

      结合 ANSYS 软件对分体式天线安装支座的强度进行详细的计算，根据计算结果对结构进行了优化设计，使产品的可靠性得到了很大的提高，满足了设计要求。同时也为类似产品的设计提供了一定的参考作用。本文对两种结构的分析是建立在理论计算的基础上，优化后的结构还没有经过实际运营考核。这种优化结构如果要想获得高度认可和推广至少需要几十万公里甚至上百万公里的考核验证。

      另外，为了减少构架扭转载荷对天线支座的不利影响，可以考虑在天线支座与构架之间增加弹性联接来延长天线支座的疲劳寿命。