王志明 陳曉峰 張開林 劉余龍 劉金榮

【摘要】本文運用ANSYS軟件，參照UIC615-4規(guī)范，對通勤動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了有限元疲勞強度計算分析。結(jié)果表明：在模擬運用載荷作用下，動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點的應力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強7度要求；構(gòu)架上各主要安裝吊掛座能夠滿足疲勞強度設計要求。

【關(guān)鍵詞】通勤車 轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架 強度計算

1引言

通勤車是用于城市中心商業(yè)區(qū)到城市郊區(qū)、城市群內(nèi)城市之間快速、便捷的160km/h速度等級動車組，最大軸重為16t。通勤車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為整體焊接結(jié)構(gòu)，主要由兩個側(cè)梁和兩個橫梁組成。構(gòu)架側(cè)梁為封閉的箱形結(jié)構(gòu)，其下側(cè)設置轉(zhuǎn)臂安裝座，上部設置空氣彈簧座，在構(gòu)架的外側(cè)立板上設置抗側(cè)滾扭桿座和二系垂向減振器座，在側(cè)梁端部設置一系彈簧安裝座。構(gòu)架的橫梁采用無縫鋼管結(jié)構(gòu)，在其外側(cè)斜對稱設置電機和齒輪箱吊座，在其上部中央設置牽引座，在兩個橫梁之間設置橫向止檔座。

上世紀六十年代前，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強度分析，主要采用的是經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學方法[1]：近似法和精確力法[2]。隨著電子計算機的普及和計算方法的發(fā)展，電算法越來越受到重視。用有限元法分析得出的理論結(jié)果和試驗結(jié)果的相對誤差可控制在10％的范圍內(nèi)[3]。

本文就是運用有限元法對通勤車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強度進行計算分析，驗證其是否滿足設計要求。

2計算分析

2.1載荷情況

模擬運營載荷是實際運用中經(jīng)常發(fā)生的載荷，這里采用模擬運行商用載荷進行計算，以此來評價構(gòu)架的疲勞強度。構(gòu)架強度計算的載荷參照UIC615-4規(guī)范，載荷情況如下：

（1）構(gòu)架一側(cè)垂向載荷為：

（2）模擬運營載荷的橫向載荷為：，其中二系簧承受的橫向載荷為：，

二系橫向止擋座承受的橫向載荷為：

（3）斜對稱載荷按5‰軌道扭曲位移量計算：

（4）電機懸掛點的靜載荷為：

電機懸掛點的動載荷：

在電機最大啟動扭矩情況下，考慮驅(qū)動裝置6.0g的垂向振動作用，分別計算垂向振動不同方向時的情形，橫向考慮5.0g振動作用，縱向向考慮4.0g振動作用。

（5）齒輪箱懸掛點的靜載荷為：

運用工況下齒輪箱吊座的懸吊載荷?。?/p>

（6）當轉(zhuǎn)向架通過小曲線時，由于前后輪對存在的縱向力使轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生搖頭運動并使轉(zhuǎn)向架處于最大傾斜位置。該縱向力為：

該縱向力作用在左右輪對的兩側(cè)，并且方向相反。當有限元模型采用軸箱彈簧約束時，則在二系彈簧施加一對縱向載荷，該力大小為：

（7）運用工況下的縱向載荷為：

（8）各減震器載荷為：

（9）運用工況下的制動載荷為：，每個制動座由于附加力矩承受的載荷為：，考慮端部結(jié)構(gòu)垂向加速度：±4.0g；每個制動座承受的慣性力：，，，。

2.2工況組合

運營載荷工況以UIC615-4規(guī)范中的垂向載荷、橫向載荷和斜對稱載荷為基本載荷，然后再分別疊加上其它的載荷。運營載荷工況組合如表2工況1－17所示。

3應力評定標準

模擬運用狀態(tài)的疲勞強度評定標準采用UIC615-4規(guī)范。選取構(gòu)架中應力較大各點，針對計算工況1～17基于最大主應力方向簡化各點應力狀態(tài)成單軸應力狀態(tài)，計算出各點應力最大值，及應力最小值，按下式計算各點的等效平均應力及等效應力幅值：

計算出的各點等效平均應力及等效應力幅值按疲勞極限圖評定。

4構(gòu)架有限元離散模型

基于ANSYS12.0有限元分析軟件，建立了構(gòu)架有限元計算模型。針對構(gòu)架基本由板件組焊而成結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)架的主要板件離散成為三維實體單元SOLID95，一系簧座支撐及拉桿座處根據(jù)構(gòu)架實際受力狀況分別離散成縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14，以便較好地模擬實際支撐情況。計算模型節(jié)點總數(shù)為879385個，單元總數(shù)為478525個，其中彈簧單元96個，實體單元478429個，構(gòu)架有限元計算模型見圖1。

5約束條件和加載位置

在有限元計算模型中，約束條件采用彈性邊界。其中垂向彈性邊界施加在側(cè)梁端部的軸箱彈簧座和軸箱轉(zhuǎn)臂座上，橫向和縱向彈性邊界施加在構(gòu)架側(cè)梁的轉(zhuǎn)臂座上。載荷的加載位置按照載荷的實際作用位置以節(jié)點力方式進行施加。構(gòu)架有限元邊界條件如圖2。定義X軸為構(gòu)架縱向軸線指向橫梁方向，Y軸為中間軸軸線，符合右手法則，Z軸垂直向上，XY平面與側(cè)梁下蓋板下表面重合。

6結(jié)果分析

6.1構(gòu)架疲勞強度校核

對于工況1～17，選取構(gòu)架所有節(jié)點，按上述方法在17個工況下計算出各點的平均應力及極限應力。將所有各節(jié)點等效平均應力及極限應力值點入Goodman圖進行疲勞強度評估。構(gòu)架各節(jié)點疲勞強度評定結(jié)果見圖3，構(gòu)架側(cè)梁主焊縫部分節(jié)點疲勞強度評定結(jié)果見圖4。

圖3，4表明：構(gòu)架上所有節(jié)點均位于構(gòu)架母材Goodman疲勞極限曲線內(nèi)；部分節(jié)點位于焊縫疲勞極限曲線外，而這些節(jié)點均不在焊縫位置。故構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)和焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.2抗蛇形減振器座疲勞強度

減振器疲勞強度的校核，考慮動載荷系數(shù)1.5，減振器座部分各節(jié)點疲勞強度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖5。圖示表明：抗蛇形減振器座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.3機及齒輪箱座疲勞強度

電機及齒輪箱座疲勞強度的校核，在電機額定扭矩情況下，考慮驅(qū)動裝置6.0g的垂向振動、5.0g的橫向振動、4.0g的縱向振動作用，各焊縫節(jié)點疲勞強度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖6，個別節(jié)點位于焊縫疲勞極限曲線外，而這些節(jié)點均不在焊縫位置。圖示表明：電機及齒輪箱吊掛座焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.5抗側(cè)滾扭桿座疲勞強度

焊縫節(jié)點疲勞強度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖7。圖示表明：所有節(jié)點均位于母材疲勞極限曲線內(nèi)，抗側(cè)滾扭桿座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.6制動座疲勞強度

各焊縫節(jié)點疲勞強度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖8。圖示表明：所有節(jié)點均位于母材疲勞極限曲線內(nèi)，制動座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

7結(jié)語

參照UIC615-4規(guī)范，對通勤車動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了有限元強度分析，結(jié)果表明：（1）在模擬運用載荷作用下，通過對構(gòu)架所有節(jié)點的17種載荷工況的分析，動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點的應力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強度要求。（2）構(gòu)架上主要各安裝吊掛座能夠滿足疲勞強度設計要求。

參考文獻：

[1]上海鐵道學院主編.車輛強度計算理論[M].北京：中國鐵道出版社，1981：126.

[2]趙建民.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強度分析與可靠性評價[J].機車車輛工藝，1992，（4）：14.

[3]SehabertHansM．，MoserC．NaehweisderBetriebs-festigkeitvonDrehgestellenmadderenBauteilenaufdemSchwingungsprtifstand．·GesamtwirkungundwirtschafticheAspekte[J].ZEV+DETGlas．Ann.124（2000）4.291～296.