楊 萌，李 強(qiáng)，彭永明，馬呈祥

（1 北京交通大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京100044；2 大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司，山西大同037038）

30 t軸重電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析及模態(tài)分析

楊 萌1，李 強(qiáng)1，彭永明2，馬呈祥2

（1 北京交通大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京100044；2 大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司，山西大同037038）

依據(jù)UIC 615-4規(guī)程的有關(guān)內(nèi)容對(duì)設(shè)計(jì)的30 t軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度進(jìn)行校核分析，計(jì)算了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常工況和模擬運(yùn)營(yíng)工況下的載荷，采用Hypermesh軟件對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，再利用ANSYS軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及模態(tài)進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架能夠滿足車輛運(yùn)營(yíng)要求。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；強(qiáng)度分析；模態(tài)分析

實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)輸有兩個(gè)有效途徑，一是設(shè)計(jì)多軸轉(zhuǎn)向架，二是增大軸重。跟隨國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)發(fā)展重載貨運(yùn)的趨勢(shì)，大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)開發(fā)了新型30t軸重交流傳動(dòng)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是車輛的重要部件之一，它直接承載車體質(zhì)量，保證車輛順利通過曲線。轉(zhuǎn)向架的各種參數(shù)直接決定了車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、曲線通過安全性和乘坐舒適度。

本文參照UIC 615-4規(guī)程的有關(guān)內(nèi)容，確定強(qiáng)度計(jì)算載荷和強(qiáng)度評(píng)估方法，構(gòu)架應(yīng)力計(jì)算采用美國(guó)ANSYS公司商業(yè)版ANSYS11.0軟件進(jìn)行。研究構(gòu)架在超常工況下的靜強(qiáng)度和模擬運(yùn)營(yíng)工況下的疲勞強(qiáng)度，經(jīng)過計(jì)算，得出構(gòu)架滿足強(qiáng)度條件的結(jié)論。

1 構(gòu)架模型簡(jiǎn)介

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了適應(yīng)大軸重的運(yùn)營(yíng)情況，優(yōu)化動(dòng)力學(xué)性能，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架放棄了3大件式構(gòu)架形式，由兩根左右對(duì)稱的側(cè)梁、端梁、牽引梁和中央橫梁組成準(zhǔn)構(gòu)架結(jié)構(gòu)，整體呈“日”字形。側(cè)梁、牽引梁、中央橫梁和端梁均為采用上下蓋板和立板焊接起來的箱形梁，梁內(nèi)部適當(dāng)位置布有筋板。

機(jī)車轉(zhuǎn)向架為兩軸驅(qū)動(dòng)。采用二系懸掛，一系懸掛使用鋼圓彈簧配合垂向減振器，二系懸掛使用橡膠堆傳遞垂向載荷，并配有橫向減振器。軸箱采用雙拉桿定位方式。交流電機(jī)和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組成驅(qū)動(dòng)單元，一端通過電機(jī)吊桿連接在中央橫梁上，另一端固定在抱軸箱上。中央橫梁電機(jī)吊座旁還設(shè)置有防脫落裝置吊座。牽引梁上設(shè)計(jì)有錐形牽引座，牽引拉桿固定在上面完成牽引?？紤]到大軸重貨運(yùn)車輪磨損較嚴(yán)重，采用輪盤制動(dòng)，制動(dòng)吊座安裝在牽引梁和端梁內(nèi)側(cè)立板上。

1.2 構(gòu)架有限元模型

使用Hypermesh軟件對(duì)構(gòu)架三維實(shí)體模型進(jìn)行離散化，共劃分單元160 363個(gè)，節(jié)點(diǎn)89 662個(gè)。箱型梁各板材使用板殼單元shell63，各種設(shè)備吊座使用實(shí)體單元solid45。電機(jī)質(zhì)心位置創(chuàng)建質(zhì)心單元mass21，用剛性連接單元rigid與相應(yīng)的電機(jī)吊座位置進(jìn)行連接。在軸箱彈簧座和轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點(diǎn)處使用彈簧單元combin14模擬彈簧及橡膠堆各向剛度，自由端約束。設(shè)置材料屬性：彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3。離散模型見圖1所示。

圖1 構(gòu)架的有限元模型

2 載荷、工況的確定及計(jì)算結(jié)果

構(gòu)架的主要參數(shù)見表1

表1 構(gòu)架的主要參數(shù)

參照UIC615-4規(guī)程的計(jì)算方法，并根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定超常載荷和模擬運(yùn)營(yíng)載荷。構(gòu)架載荷分布情況如圖2所示。

圖2 構(gòu)架載荷分布

2.1 超常載荷與工況

超常載荷是指車輛運(yùn)用中可能發(fā)生的最大載荷，用來驗(yàn)證構(gòu)架在運(yùn)行中可能承受的最大載荷共同作用時(shí)，是否有發(fā)生持久變形的危險(xiǎn)。

它主要包括：

（1）垂向載荷：作用在二系懸掛安裝座上，考慮動(dòng)載系數(shù)k。

（2）橫向載荷：由二系懸掛安裝座和一個(gè)橫向止擋共同承擔(dān)。

其中，每個(gè)二系懸掛安裝座上的橫向力：

Fy＿Ss＝二系懸掛橫向剛度×（橫向止擋自由量＋橫向止擋最大壓縮量）＝21.9kN

（3）縱向載荷：作用在牽引座錐形柱外表面。機(jī)車整車起動(dòng)牽引力894kN，則每個(gè)轉(zhuǎn)向架上受到的縱向力

（4）軌道扭曲：在一輪的情況下軌道扭曲量取Dpz或者在兩輪情況下對(duì)角位置取Dpz/2。

2.2 超常載荷作用下計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算各載荷單獨(dú)作用時(shí)以及組合工況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2。應(yīng)力分布如圖3～圖6所示。

表2 各載荷單獨(dú)作用時(shí)應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)MPa

對(duì)于各超常載荷工況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在垂向載荷（k＝2）時(shí)，為228.07MPa，在超常載荷組合工況下（垂向載荷取k＝1.4時(shí)），最大應(yīng)力為224.01MPa。

圖3 垂向載荷單獨(dú)作用時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖4 橫向載荷單獨(dú)作用時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖5 縱向載荷單獨(dú)作用時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖6 軌道扭曲載荷單獨(dú)作用時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖7 超常載荷組合工況最大應(yīng)力位置

在超常載荷單獨(dú)作用工況和組合工況下，最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在軸箱彈簧支撐座上，也就是垂向載荷的主要承載部位，如圖7所示。

這主要是由于大軸重對(duì)于機(jī)車轉(zhuǎn)向架，垂向載荷較其他載荷更大一些，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也由它主導(dǎo)。

2.3 模擬運(yùn)營(yíng)載荷與工況

模擬運(yùn)營(yíng)載荷是指車輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常承受的載荷，用來驗(yàn)證構(gòu)架在運(yùn)行中承受各項(xiàng)載荷共同作用時(shí)，是否有出現(xiàn)疲勞裂紋的危險(xiǎn)。

它主要包括（見圖8）：

（1）垂向：作用在二系懸掛安裝座上?？紤]承受車體的沉浮（β＝0.2）和側(cè)滾（α＝0.1）。

（2）橫向：由二系懸掛安裝座和一個(gè)橫向止擋共同承擔(dān)。

（3）軌道扭曲：在一輪的情況下軌道扭曲量取Dpz或者在兩輪情況下對(duì)角位置取Dpz/2。

（4）牽引：作用在牽引座錐形柱外表面。機(jī)車整車持續(xù)牽引力691 k N，則每個(gè)轉(zhuǎn)向架上受到的縱向力

（5）常用制動(dòng)：采用輪盤制動(dòng)方式。作用在制動(dòng)裝置安裝座內(nèi)孔。每個(gè)制動(dòng)單元閘片與制動(dòng)盤間的摩擦力為：

其中FN為制動(dòng)正壓力，33 k N；α為摩擦系數(shù)，0.35。

（6）菱形扭動(dòng)

（7）減振器

二系橫向減振器卸荷力11 k N，放大1.5倍為16.5 k N；

一系垂向減振器卸荷力7 k N，放大1.5倍為10.5 k N。

（8）電機(jī)慣性載荷

根據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置模擬運(yùn)營(yíng)載荷的組合工況。

2.4 模擬運(yùn)營(yíng)載荷作用下計(jì)算結(jié)果

疲勞強(qiáng)度分析時(shí)，在構(gòu)架結(jié)構(gòu)上分別計(jì)算各運(yùn)營(yíng)載荷組合工況作用下不同位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并從中找出最大值和最小值，通過計(jì)算得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值。

先根據(jù)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力較大位置確定一些易發(fā)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)位置。危險(xiǎn)位置及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2。

3 構(gòu)架靜、動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估

3.1 靜強(qiáng)度評(píng)估方法

根據(jù)UIC 615-4標(biāo)準(zhǔn)，在超常載荷各載荷單獨(dú)和組合作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架任何各點(diǎn)應(yīng)力均不得超過超常載荷許用應(yīng)力。

3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

疲勞極限應(yīng)力由Haigh疲勞評(píng)價(jià)曲線圖給出，該圖以平均應(yīng)力為橫坐標(biāo)，以應(yīng)力幅值為縱坐標(biāo)，以Goodman線性經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化疲勞極限限界圖。在模擬運(yùn)營(yíng)載荷作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上任意兩種載荷工況所產(chǎn)生的應(yīng)力差及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的疲勞極限線圖的界限之內(nèi)，即所考查的危險(xiǎn)位置對(duì)應(yīng)的點(diǎn)應(yīng)在疲勞極限圖的限界之內(nèi)。

表3 模擬運(yùn)營(yíng)載荷組合工況計(jì)算結(jié)果MPa

3.3 靜強(qiáng)度評(píng)估

在超常載荷各載荷單獨(dú)作用時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在垂向載荷（k＝2時(shí)），軸箱彈簧座支撐座立柱邊緣處，其值為228.07 MPa；超常載荷組合工況時(shí)，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在這個(gè)位置，其值為224.01 MPa，它們都小于E260-450MS材料鑄件的屈服極限260 MPa。

同時(shí)，構(gòu)架的大應(yīng)力位置還包括側(cè)梁止擋位置內(nèi)部筋板、側(cè)梁下蓋板彎曲位置邊緣等，它們的應(yīng)力值也小于S500MC鋼的屈服極限500 MPa及接頭的許用應(yīng)力455 MPa。

因此，該構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足要求。但是在制造過程中應(yīng)該尤其注意這些位置的焊接質(zhì)量。

3.4 動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估

將表3統(tǒng)計(jì)的12個(gè)危險(xiǎn)位置的平均應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力幅值，繪入相應(yīng)的母材/焊縫及鑄件的Haigh疲勞評(píng)價(jià)曲線圖，見圖8。

可知構(gòu)架及其吊座的動(dòng)應(yīng)力范圍均未超出Haigh疲勞評(píng)價(jià)曲線圖的界定范圍，且裕量較大。因此，該構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足要求。但是側(cè)梁下蓋板彎曲位置與內(nèi)立板焊縫、橫梁內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元座位置加強(qiáng)筋板和側(cè)梁與牽引梁位置下蓋板過渡圓弧位置動(dòng)應(yīng)力較大，在檢修時(shí)應(yīng)多加觀察檢測(cè)。

4 模態(tài)分析

構(gòu)架的模態(tài)是構(gòu)架各階振型及其固有頻率的總稱，屬于構(gòu)架的固有特性（即動(dòng)態(tài)特性），它與構(gòu)架在動(dòng)態(tài)條件下的運(yùn)用品質(zhì)有著密切的聯(lián)系。

通過有限元分析計(jì)算構(gòu)架的自由模態(tài)，表4列出了構(gòu)架的前6階彈性振型及其固有頻率值。

有限元模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果表明，構(gòu)架的第一階振型特征為兩側(cè)梁反向點(diǎn)頭，即構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)變形，見圖9，頻率為47.6 Hz，根據(jù)動(dòng)力學(xué)及模態(tài)分析原理可知構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度不大，這有利于車輛適應(yīng)軌道的垂向不平順。

圖8 構(gòu)架材料母材、焊縫及鑄件的Haigh曲線圖

表4 構(gòu)架模態(tài)分析結(jié)果

圖9 構(gòu)架一階振型

5 結(jié) 論

參照UIC 615-4規(guī)程，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了靜、動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算、評(píng)估，分析結(jié)果如下：

（1）超常載荷工況下，最大應(yīng)力為228.07 MPa，位置在軸箱彈簧座支撐座立柱邊緣，小于E260-450MS材料鑄件的屈服極限260 MPa。橫側(cè)梁板材上的各點(diǎn)應(yīng)力也小于S500MC鋼的屈服極限500 MPa及接頭的許用應(yīng)力455 MPa。該構(gòu)架的靜強(qiáng)度滿足要求。

（2）疲勞載荷工況下，構(gòu)架及其吊座的動(dòng)應(yīng)力范圍均未超出Haigh曲線圖的界定范圍。該構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

（3）該構(gòu)架的一階固有頻率47.591 Hz，振型特征為兩側(cè)梁反向點(diǎn)頭，說明構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度不大，動(dòng)態(tài)性能較好。

［1］ 嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］ 王文靜，劉志明，李 強(qiáng)，等.CRH2動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33（1）：5-9.

［3］ 馮遵委，陳德強(qiáng)，楚永萍.基于Hyper Works的PW80E-IV型轉(zhuǎn)向架動(dòng)車構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算與分析［J］.鐵道車輛，2013，51（3）：6-9.

［4］ 杜子學(xué)，朱興高，胡啟國(guó).跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（11）：222-223.

Strength and Modal Analysis of 30 t Electric Locomotive Bogie Frame

YANG Meng1，LI Qiang1，PENG Yongming2，MA Chengxiang2
（1 School of Mechanical Electronic and Control engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2 Datong Electric Locomotive Co.，Ltd.，Datong 037038 Shanxi，China）

The 30 t electric locomotive bogie was verified based on UIC615-4 specification.The load under exceptional conditions and simulate operation conditions was calculated，and the FEA model was set up by Hypermesh software，then the static strength，fatigue stress and modal frequencies and modal shapes were analyzed by ANASYS software.The calculation results showed that the bogie frame met the design requirements.

bogie frame；strength analysis；modal analysis

U264.8.331＋.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.05

1008－7842（2014）03－0018－05

?）女，碩士生（

2013－12－23）