地铁车辆转向架轴箱弹簧设计
汽车弹簧作者:李泷 龙一帆
来源:《科技创新导报》2017年第12
        要:轴箱弹簧是地铁列车悬挂系统中重要部件之一,它的结构和质量影响到列车转向架一系悬挂系统的安装精度、运行稳定性和系统使用寿命。文章运用Matlab2012a优化函数,建立地铁列车转向架轴箱弹簧(以圆柱螺旋弹簧为例)设计模型,通过实例分析某型地铁列车轴箱弹簧设计的合理性。
        关键词:优化 参数模型 轴箱弹簧 地铁车辆
        中图分类号:U270 文献标识码:A 文章编号:1674-098X201704c-0035-02
        在地铁车辆运行过程中,轴箱弹簧起到支撑、连接,减震等作用,是车辆转向架中不可缺少的重要部件,为了提高车辆运行安全性、平稳性、舒适性,在结构空间位置、转向架高度、连接部件使用寿命等条件允许的情况下,实现车体轻量化设计,降低转向架一系悬挂系统制造成本。该文以圆柱螺旋式轴箱弹簧为例,利用Matlab优化函数进行设计和校验。
        1 理论基础
        基本设计思路是根据弹簧载荷计算弹簧刚度设计弹簧尺寸,通过强度、稳定性校核确定弹簧设计的合理性。
        1.1 弹簧尺寸确定
        首先,由地铁车辆在AW3(极限载荷)模式确定每个轴箱弹簧承受的最大载荷;其次,从转向架力学平衡性和转向架设计高度选取弹簧挠度;最后,确定弹簧高度和螺旋节径及弹簧旋绕比。
        刚度计算:p= Fmax/δ=Gd4/8nD3
        Fmax为弹簧最大垂向载荷;δ为弹簧变形量(弹簧挠度);G为弹簧剪切模量;d为弹簧材料直径;D为弹簧螺旋节径;n为弹簧有效圈数。
        弹簧旋绕比:4
        1.2 弹簧强度、疲劳强度效验
        确保列车运行安全,弹簧最大应力应小于许用应力,即
        最大应力值:τmax=8FmaxDk/πd3τmax≤[τ]
        式中,[τ]为弹簧许用应力;K为曲度修正系数;C为弹簧旋绕比D/d
        疲劳应力值:τe=0.47τmax≤[τ-1],根据文献[1]可调查到;[τ-1]疲劳许用应力。
        1.3 稳定性校验
        为保证弹簧的稳定性,弹簧长径比应满足:
        H/D≤3.6
        式中,H为弹簧自由高度。
        1.4 不并圈验证
        保证弹簧在最大压力下不出现并圈现象,故而
        H-λmax≥Hmin
        式中,λmax为弹簧最大挠度,Hmin弹簧最小高度。
        Hmin=d×z
        式中,z为弹簧总圈数,z=n+1.5
        1.5 无共振验证
        由于轴箱弹簧采用两端固定形式,用于支撑和减振故弹簧自振频率应满足:
        fz ≥2fg
        其中,fz=3.56×105d/D2n)。
        2 参数模型
        2.1 模型设计步骤
        1)以弹簧重量最小为目标,建立目标函数
        fx=πr2 πDn+1.5ρ=0.019d2Dn+1.5
        式中,r=d/2ρ=0.0078弹簧密度。
        2)根据上述设计原理,建立弹簧外形尺寸关系函数,设置刚度、强度、稳定性等约束条件并求解。
        3)编制并执行优化程序获得优化结果。
        主要函数:定义函数Function;有约束最小化函数 Fmincon();创建和编辑参数结构Optimset()。
        4)完成计算结果的判断与分析。
        判断标准:y=[pt1pt2pt3pt4pt5pt6pt7pt8]均小于或等于0
        2.2 设计实例
        某型地铁车辆轴箱圆柱螺旋弹簧最大载荷29.5 kN,允许压缩变形量95.2 mm,自由高度360 mm,工作频率510Hz。弹簧选材60Si2MnA,许用应力740 MPa,疲劳许用应力285.7MPa进行设计与校验。
        2.2.1 以降低弹簧重量为目标,编写目标函数文件
        function f=mbfunt f=0.019*t1^2*t2*t3+1.5
        2.2.2 确定弹簧外形尺寸、强度、稳定性等约束条件,编写约束函数文件
        function[yceq]=yuesufunt
        p=79000*t1^4/8*t3*t2^3);b=29500/pm=t2/t1);k=4*m-1/4*m-4+0.615/mTmax=1.5*8*29500*t2*k/3.14*t1^3
        Te=0.47*8*29500*t2*k/3.14*t1^3);fz=3.56e5*t1/((t2^2*t3))
        l=t2/t1);pt1=Tmax-740pt2=Te-285.7pt3=95.2-b
        pt4=360-3.6*t2 %360-95.2*1.5=217.2
        pt5=((t3+1.5*t1))-217.2pt6=4-t2/t1));pt7=t2/t1))-7
        pt8=2*10-fzy=[pt1pt2pt3pt4pt5pt6pt7pt8]ceq=[]
        2.2.3 优化弹簧参数,编写执行文件
        function f=yhfun()
        t0=[302004] options =optimset'largescale''off''display''final'
        [tfval]=fmincon@mbfunt0[][][][][][]@yuesufunoptions