先进的轨道交通设计标准、试验和仿真系列报告11月22日开讲

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：雅加达当地时间11月9日，一列中国制造的高速动车组驶出万隆德卡鲁尔站，印尼雅万高铁试验段接触网热滑试验正在全面展开。这是中国高铁首次全系统、全要素、全产业链在海外建设的项目，设计时速350公里。这是中国在东盟区域输出的第一条高速铁路，也是印尼的第一条高铁。据介绍这条高铁全线采用中国高铁技术与标准，向全世界证明中国高铁的高质量与实用性。

而当下，我国时速600公里高速磁浮交通系统，早已在青岛成功“下线”，成为世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，这标志着我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。在第三届中国仿真技术应用大会上，高速磁浮项目技术总师，中车四方股份公司副总工程师丁叁叁曾接受了《中国经营报》记者的独家专访表示，高速磁浮项目的背后离不开仿真技术的应用与支撑，“没有仿真技术，寸步难行”。

专家表示，中国轨道交通从低速到高速，经历了引进学习、消化吸引、创新到引领创新的过程，前期更多依靠的是经验，仿真技术的支撑作用相对薄弱，但当我们转变为创新、引领创新的角度时，可以通过仿真技术不断地推动创新与进步。

为了推动仿真设计技术在轨道交通技术行业应用与发展，自11月22日起，由仿真秀和北京东方所主办的《2022轨道交通技术交流月》将邀请轨道交通行业多位资深的技术专家，分享当下我国轨道交通行业先进的设计标准、试验和仿真技术经验和案例，旨在促进轨道交通行技术经验交流和人才培养，以下是正文：

二、高铁列车驱动原理及关键机械零部件

轨道交通车辆按照动力的布置方式分为两大类：动力集中式和动力分散式（Electrical multi-unit，缩写为EMU）。动力集中式列车顾名思义，就是整列车的动力全部集中在一节车上，即机车，就是我们常说的火车头。其布置如下图1所示。

图1-动力集中式列车

而动力分散式列车，就是我们常说的动车组，是将传统列车火车头取消，将其动力分散在各节车内。当然不是每节车厢都有动力，而是根据不同编组方式，如四动四拖等，如下图2所示。有动力的叫动车，以M（motor）表示，没有动力的叫拖车，以T(trailer)表示。

图2-动力分散式列车

由上图1可见，虽然传统列车每节受力都是不同的，但由于各节拖车的互换性，各节拖车的设计基本相同，因此各节车厢的车钩安全系数都是不同，相同成本的情况下，造成整体的安全系数偏低。高铁列车都是动力分散式，因此，每节车厢车钩受到的外载荷相同。所以，簧下零件的安全系数是相同的，簧下零件的利用率得到提升，可以在更大载荷下工作。由于列车在高速工况下，风载是最主要的运行阻力，那么相比于动力集中式列车，动力分散式动车组更适合在高速运行的工况。

对于高铁列车驱动零件都是在簧下布置，包括，驱动系统、轮对、制动系统等，如下图3所示。

图3-动车组驱动系统布置图

1、车轴 2、车轮 3、轴箱 4、一系弹簧 5、转向架构架 6、二系弹簧 7、齿轮箱 8、牵引杆 9、牵引电机 10、鼓形齿联轴器 11、车体牵引座 12、侧挡

首先要清楚载荷的来源和传递路径，以上图3转向架为例，三个方向上力的传递路径是：

1）在与地面垂向方向：车体 → 二系空气弹簧 → 转向架构架 → 一系橡胶弹簧 → 轴箱 → 轴箱轴承 → 车轴轴颈 → 车轮 → 钢轨
2）沿着列车行进方向的纵向牵引力：钢轨 → 车轮 → 车轴轴颈 → 轴箱轴承 → 轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 牵引杆 → 车体牵引座
纵向制动力：与纵向牵引力路径相同，方向相反
3）横向：钢轨 → 车轮轮缘 → 车轴 → 轴箱轴承 →轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 二系空气弹簧和侧挡 → 车体

在这个力的传递路径上的零件是最重要的零件，必须要加以计算、校核。这些零部件中的螺栓一定有风险等级为H的螺栓，就一定需要按照VDI2230进行计算。涉及到哪些零件呢？请看下面这些图。

图4-联轴器，齿轮箱，轮对，轴箱，制动器

当然，不在力的传递路径上的零件所涉及的螺栓，也有很大一部分需要根据VDI2230进行计算。对于螺栓，我们知道是要按照VDI2230进行计算，那么对于螺栓之外的零件，包括联结件、结构件，那也是需要采用德国标准进行计算。下面将这些标准中的一部分列写出来。

二、高铁列车关键机械零部件采用标准汇总

三、利用德国标准进行高铁列车关键零部件设计实例

1、车钩

图5-车钩轴承座装配图

首先我们要明确，强度分析不等于有限元计算，有限元计算只可能是强度分析中的一个环节，有些情况下需要有限元作为强度分析的其中一步，如本例的车钩轴承座强度分析。而有些情况下，强度分析是不需要有限元计算的，如本月的线上研讨会中我会举例的车轴的强度计算和分析。各个零件的材料信息如下表所示：

图6-车钩轴承座各零件有限元网格划分

图7-车钩轴承座在受拉工况下的约束、加载、应力结果

图8-车钩轴承座在受压工况下的约束、加载、应力结果

在我们开始此车钩轴承座强度分析开始，我们不是进行有限元计算，而是先计算此轴承座各零件的许用强度，要求许用强度就要先知道零件的实际强度再除以安全系数。

这里就有两个重要的知识点，零件的实际强度，零件的安全系数。这两个数值都是有限元无法给我们提供的，只能依赖于我们对机械设计知识的掌握程度、对德国标准的熟悉程度。

首先，对于安全系数，我们一般是根据FKM获得，但是对于具体行业有具体行业的标准，我们在做强度评价的时候，如果产品已经有成熟的行业标准来规定其各工况下的安全系数，那我们处理的方法是将此行业标准和FKM导则进行结合使用来确定安全系数。另外，材料的屈服强度和抗拉强度，我们具体用哪个来评价？传统方法或是有些欧盟标准如EN12663是对于韧性材料采用屈服强度进行评价，但是FKM告诉我们这样我们不能武断地采用屈服强度而排斥抗拉强度，应该将两者结合起来使用，这也是FKM相比其它标准更全面、更精准的地方之一。对于零件的名义强度值，已材材料，可是根据标(EN 10083)准查询到的轴承座板的材料的抗拉强度为900 MPa, 屈服强度为700 MPa，EN 10083 也是欧洲标准，不会错，但我们计算时候是否就将许用强度定义为700/1.15=609 MPa呢？如果是这样，那么此车轴的轴承座板的许用屈服强度为609 MPa大于其最大应力值466 MPa, 是完全满足的。但实际上答案却不是这样。请看下面的最终评价过程。

那么为什么明明查询标准是700 MPa的强度值，计算许用强度时却不是700/1.15而是400/1.15？

这就需要用到FKM的理论，这一点我会在11月22日仿真秀和北京东方所联合主办2022轨道交通技术交流月“螺栓设计老张”我的线上研讨会《德国标准在高铁列车设计中的应用》上给大家现场详细讲解推导。

另外，从最大应力来看，实际应力已经超出零件的屈服极限了，那这个设计到底是否成功呢？结果是否通过评价呢？这个我也会在本月的《德国标准在高铁列车设计中的应用》“线上研讨会上给大家一并讲解。大家可以提前在仿真秀官网和APP报名，详情见后文。

2、车轴的校核

在11月22日《德国标准在高铁列车设计中的应用》的直播中给大家通过DIN标准现场计算，并给大家展示德国计算报告（部分）

3、迷宫密封

在11月22日的线上研讨《德国标准在高铁列车设计中的应用》中，我给大家通过现场通过基于DIN7190标准并给大家展计算报告（部分）为什么迷宫密封配合不能过松？为什么迷宫密封配合不能过紧?

4、箱体的有限元结果评价

由于篇幅原因，齿轮箱箱体的有限元结果评价也将在11月22日《德国标准在高铁列车设计中的应用》的线上研讨中给大家现场讲解 (利用FKM)。

5、齿轮箱拉杆螺栓

如何根据VDI2230设计齿轮箱拉杆螺栓接头？在11月22日《德国标准在高铁列车设计中的应用》的线上研讨会中我将给大家现场讲解 (利用VDI2230)

四、我的线上研讨会

11月22日19时，我在《2022轨道交通技术交流月》第一期报告分享《德国标准在高铁列车设计中的应用》是笔者对德国标准的学习、使用方法与对国内产品设计的经验总结。

1、讲座内容：

高铁列车车钩的有限元结果评价
机车/动车车轴的强度计算
迷宫密封的设计要点
高铁齿轮箱拉杆螺栓根据VDI2230的优化设计
齿轮箱箱体有限元利用最新的FKM第七版进行评价
德国标准、技术的学习、应用与国产化的经验和建议

2、讲座嘉宾

螺栓设计老张，仿真秀优秀讲师，高级工程师，齿轮箱研发设计专家。师从德国齿轮箱大师Hans-Jürgen Linder和Michael, Bachmann，为其两个关门弟子之一。擅长螺栓计算VDI2230、过盈压配DIN7190、零件应力强度分析评价导则FKM、圆柱滚子轴承设计等。多次受邀赴中国中车集团、多所985高校、航天科工集团、中广核集团、上海电气、某大型汽车企业、国家某机械研究所、某德国企业在中国分公司、某齿轮箱制造业央企等近20家企事业单位进行授课培训。为数家风力发电企业进行螺栓断裂失效分析及解决方案咨询。

3、如何报名

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