王志明 陳曉峰 張開林 劉余龍 劉金榮

【摘要】本文運(yùn)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(jìn)行了有限元疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析。結(jié)果表明：在模擬運(yùn)用載荷作用下，動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強(qiáng)7度要求；構(gòu)架上各主要安裝吊掛座能夠滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】通勤車 轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架 強(qiáng)度計(jì)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(gè)側(cè)梁和兩個(gè)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(shè)置轉(zhuǎn)臂安裝座，上部設(shè)置空氣彈簧座，在構(gòu)架的外側(cè)立板上設(shè)置抗側(cè)滾扭桿座和二系垂向減振器座，在側(cè)梁端部設(shè)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(shè)置電機(jī)和齒輪箱吊座，在其上部中央設(shè)置牽引座，在兩個(gè)橫梁之間設(shè)置橫向止檔座。

上世紀(jì)六十年代前，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度分析，主要采用的是經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法[1]：近似法和精確力法[2]。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)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(yàn)結(jié)果的相對誤差可控制在10％的范圍內(nèi)[3]。

本文就是運(yùn)用有限元法對通勤車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2計(jì)算分析

2.1載荷情況

模擬運(yùn)營載荷是實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常發(fā)生的載荷，這里采用模擬運(yùn)行商用載荷進(jìn)行計(jì)算，以此來評價(jià)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度。構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)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(yùn)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(jì)算：

（4）電機(jī)懸掛點(diǎn)的靜載荷為：

電機(jī)懸掛點(diǎn)的動載荷：

在電機(jī)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(jì)算垂向振動不同方向時(shí)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(diǎn)的靜載荷為：

運(yùn)用工況下齒輪箱吊座的懸吊載荷?。?/p>

（6）當(dāng)轉(zhuǎn)向架通過小曲線時(shí)，由于前后輪對存在的縱向力使轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生搖頭運(yùn)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(dāng)有限元模型采用軸箱彈簧約束時(shí)，則在二系彈簧施加一對縱向載荷，該力大小為：

（7）運(yùn)用工況下的縱向載荷為：

（8）各減震器載荷為：

（9）運(yùn)用工況下的制動載荷為：，每個(gè)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(gè)制動座承受的慣性力：，，，。

2.2工況組合

運(yùn)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(yùn)營載荷工況組合如表2工況1－17所示。

3應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)

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

計(jì)算出的各點(diǎn)等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)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(jì)算模型。針對構(gòu)架基本由板件組焊而成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)架的主要板件離散成為三維實(shí)體單元SOLID95，一系簧座支撐及拉桿座處根據(jù)構(gòu)架實(shí)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(shí)際支撐情況。計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為879385個(gè)，單元總數(shù)為478525個(gè)，其中彈簧單元96個(gè)，實(shí)體單元478429個(gè)，構(gòu)架有限元計(jì)算模型見圖1。

5約束條件和加載位置

在有限元計(jì)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(shí)際作用位置以節(jié)點(diǎn)力方式進(jìn)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(qiáng)度校核

對于工況1～17，選取構(gòu)架所有節(jié)點(diǎn)，按上述方法在17個(gè)工況下計(jì)算出各點(diǎn)的平均應(yīng)力及極限應(yīng)力。將所有各節(jié)點(diǎn)等效平均應(yīng)力及極限應(yīng)力值點(diǎn)入Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估。構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評定結(jié)果見圖3，構(gòu)架側(cè)梁主焊縫部分節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評定結(jié)果見圖4。

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

6.2抗蛇形減振器座疲勞強(qiáng)度

減振器疲勞強(qiáng)度的校核，考慮動載荷系數(shù)1.5，減振器座部分各節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3機(jī)及齒輪箱座疲勞強(qiáng)度

電機(jī)及齒輪箱座疲勞強(qiáng)度的校核，在電機(jī)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(diǎn)疲勞強(qiáng)度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖6，個(gè)別節(jié)點(diǎn)位于焊縫疲勞極限曲線外，而這些節(jié)點(diǎn)均不在焊縫位置。圖示表明：電機(jī)及齒輪箱吊掛座焊縫疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

6.5抗側(cè)滾扭桿座疲勞強(qiáng)度

焊縫節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖7。圖示表明：所有節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

6.6制動座疲勞強(qiáng)度

各焊縫節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度Goodman疲勞評定結(jié)果見圖8。圖示表明：所有節(jié)點(diǎn)均位于母材疲勞極限曲線內(nèi)，制動座及焊縫疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)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(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，結(jié)果表明：（1）在模擬運(yùn)用載荷作用下，通過對構(gòu)架所有節(jié)點(diǎn)的17種載荷工況的分析，動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強(qiáng)度要求。（2）構(gòu)架上主要各安裝吊掛座能夠滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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