□ 吳慧仙

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州鐵道分院 江蘇常州 213011

機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是機(jī)車最為關(guān)鍵的部件之一，其性能的好壞對機(jī)車的走行品質(zhì)和安全性能有重要影響。近年來，有限元技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)方面的應(yīng)用越來越廣泛，不僅大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，而且有效提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。

為保證某出口型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，運用有限元分析軟件ANSYS，對構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計算，以求優(yōu)化構(gòu)架結(jié)構(gòu)，確保實際運營的安全可靠。

1 構(gòu)架的結(jié)構(gòu)

該型機(jī)車采用兩臺三軸轉(zhuǎn)向架作為它的走行部，軸式為Co-Co，每根軸均為帶有交流牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)軸。牽引電機(jī)采用滾動軸承抱軸懸掛，內(nèi)順置布置。車輪采用全加工的進(jìn)口整體輾鋼輪。另外，設(shè)計時還沿用了以往型號機(jī)車轉(zhuǎn)向架的一些成熟結(jié)構(gòu)，如焊接構(gòu)架、牽引桿裝置、單元制動器等。

該型號機(jī)車轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、軸箱、輪對、旁承、牽引桿裝置、基礎(chǔ)制動裝置、砂箱、電機(jī)懸掛裝置、手動制動裝置、附件等組成。構(gòu)架的主體是由兩根對稱結(jié)構(gòu)的側(cè)梁、兩根相同結(jié)構(gòu)的中間橫梁和前后端梁及各支座組成的焊接結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置各種撐板，以提高整體剛度，改善受力情況。構(gòu)架各梁的橫截面為箱型，側(cè)梁頂面含有旁承墊板和橫向減振器座，側(cè)面含有一系列垂向減振器座、側(cè)板座，底面焊有軸箱上下拉桿座、牽引裝置拐臂座，兩端焊有砂箱座，橫梁和前、后端梁底面焊有電機(jī)吊座和制動座。

2 構(gòu)架的材料及受力分析

2.1 材料

構(gòu)架的材料采用鋼板及各種鑄鋼座件。鋼板材料為Q345B，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3，密度為7.82 t/m3。鑄件材料為ZG25MnNi，彈性模量為202 GPa，泊松比為 0.3，密度為 7.8 t/m3。

2.2 受力情況

構(gòu)架是一個受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，它不僅承受機(jī)車上部所有裝備的質(zhì)量，而且還承受并傳遞機(jī)車運行中產(chǎn)生的各個不同方向和大小的動載荷，各方向載荷及傳遞路線如下。

垂向載荷：車體→構(gòu)架旁承高圓簧→側(cè)梁→彈簧座和上拉桿座→軸箱彈簧→輪對。

橫向載荷：輪對→軸箱→軸箱彈簧和軸箱拉桿→彈簧座和上下拉桿座→側(cè)梁→高彈簧和側(cè)擋→車體。

縱向載荷：輪對→軸箱→軸箱拉桿→上下拉桿座→側(cè)梁→拐臂座→牽引桿裝置→車體。

3 有限元分析計算

3.1 分析標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)UIC615-4OR國際標(biāo)準(zhǔn)建立機(jī)車各工況載荷的計算方法，采用ANSYS軟件進(jìn)行構(gòu)架強(qiáng)度計算。

構(gòu)架強(qiáng)度的計算按靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度兩種方法進(jìn)行。靜強(qiáng)度計算是在超常載荷作用下，結(jié)構(gòu)上各點應(yīng)力均不得大于材料的屈服極限和接頭的許用應(yīng)力。動強(qiáng)度是在主要運營載荷作用下，構(gòu)架結(jié)構(gòu)上任意兩種載荷工況下的應(yīng)力差及平均應(yīng)力在相應(yīng)材料和接頭的Goodman曲線的界限內(nèi)。

3.2 構(gòu)架有限元模型建立

有限元模型是在Pro/E三維模型的基礎(chǔ)上，對細(xì)節(jié)做了刪除簡化后，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行幾何處理并劃分網(wǎng)格。整個鋼結(jié)構(gòu)全部采用線性實體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格密度很高，單元總數(shù)達(dá)到40萬，節(jié)點總數(shù)達(dá)12萬，有限元模型如圖1所示。

▲圖1 有限元模型

3.3 計算工況

（1）超常載荷工況計算。根據(jù)UIC615-4OR國際標(biāo)準(zhǔn)，作用在每根側(cè)梁上的垂向載荷為：

式中：nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)；mv為整備狀態(tài)下機(jī)車質(zhì)量，t；c1為超常商用載荷，kg；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，t。

作用在每個構(gòu)架上的橫向載荷為：

式中：ne為每轉(zhuǎn)向架軸數(shù)。

由式（1）、（2）計算出在超常載荷下 4 種工況結(jié)果，見表1。

（2）主要運營載荷工況的計算。在主要運營載荷工況計算中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架需要接受各種載荷組合，以便模擬：車體垂直運動（浮沉振動）引起的垂直力的動態(tài)變化，用垂直力的百分比β來表示，βFz；車體側(cè)滾引起的垂直力的動態(tài)變化，用垂直力的百分比α表示，αFz。一般情況，在歐洲鐵路的正常運營條件下：α=0.1，β=0.2。根據(jù)UIC615-4OR國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，共組合出13種工況，見表2，以便更好地模擬構(gòu)架受力情況。

①垂向力。

表1 超常載荷工況表（各工況都包含重力加速度）

其中：c2為機(jī)車計算中超常商用載荷，與c1相同。

②電機(jī)垂向靜載荷為牽引電動機(jī)的簧上質(zhì)量，其值為8 330 N。

③橫向力。

該載何由旁承墊板和側(cè)擋座共同承擔(dān)。由4個旁承墊板承受的橫向載荷為：4×20 mm×133 N/mm=10 640 N，作用在旁承墊板上。其余橫向力由側(cè)擋座承擔(dān)：136 210-10 640=125 570 N。側(cè)擋座面積：28 456 mm2，則壓力為：125 570/28 456=4.4 MPa。

④ 軌道扭曲為5‰，在此，暫按照2×軸距×5‰=2×1 800×5‰=18 mm 計算。

4 計算結(jié)果及評價

4.1 超常載荷工況下的計算結(jié)果及靜強(qiáng)度評價

4種超常載荷工況（見表1）下的應(yīng)力云圖如圖2～圖5所示。

表2 主要運營載荷工況表

表3 超常載荷工況下計算結(jié)果

▲圖2 第1工況應(yīng)力云圖

▲圖3 第2工況應(yīng)力云圖

▲圖4 第3工況應(yīng)力云圖

▲圖5 第4工況應(yīng)力云圖

▲圖6 主要運營第1工況應(yīng)力圖

▲圖7 主要運營第2工況應(yīng)力圖

超常載荷工況計算的各個工況下最大應(yīng)力結(jié)果見表3。

由表3可見，各工況下的最大應(yīng)力都不超出許用應(yīng)力，因此，該構(gòu)架滿足靜強(qiáng)度要求。

4.2 主要運營載荷工況下的計算結(jié)果及疲勞強(qiáng)度評價

（1）計算結(jié)果。圖6、7分別是主要運營載荷第一、第二工況下計算結(jié)果的Vonmises應(yīng)力圖，從圖中可看出應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力位置。另外11個主要運營載荷工況下的應(yīng)力通過同樣分析得出應(yīng)力圖，最大應(yīng)力值為97.379 MPa。

▲圖8 鋼板材料的疲勞極限圖

（2）疲勞強(qiáng)度評價。通過13個主要運營載荷工況下的計算結(jié)果，找出每一個單元在13個工況下的σ1max和 σ3min值（注：σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力），計算出每個單元的平均應(yīng)力：

以平均應(yīng)力σave為橫坐標(biāo)，分別以σ1max和σ3min為縱坐標(biāo)，在疲勞極限圖中畫出每個單元的應(yīng)力點，這些點應(yīng)該位于相應(yīng)材料的疲勞極限區(qū)域中。

鋼板材料為Q345B，取屈服強(qiáng)度σS=345 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=510 MPa，疲勞極限強(qiáng)度σ-1=220 MPa（按0.43σb計算）。評價鋼板材料的強(qiáng)度時取安全因子S=1.5，評價對接焊縫區(qū)時取S=1.65，評價其它類型的焊縫區(qū)時取S=1.7，鋼板材料的疲勞極限圖如圖8所示。

由圖8可以看出，有應(yīng)力點位于其它焊縫的許用應(yīng)力區(qū)域之外，是2個單元的應(yīng)力點。經(jīng)查找，該單元位于后橫梁兩側(cè)的制動座上蓋板與側(cè)梁下蓋板的焊接部位（如圖9所示）。由于橫向力的作用，右側(cè)制動座上蓋板受到了擠壓，左側(cè)制動座上蓋板受到了拉伸。當(dāng)構(gòu)架受到左右交變的橫向力作用時，制動座上蓋板與側(cè)梁下蓋板的焊接部位的疲勞應(yīng)力較高。從結(jié)構(gòu)上分析，由于制動座的上蓋板與側(cè)梁的下蓋板焊接在一起，使構(gòu)架在受到橫向力作用時的彎曲受到了限制，所以其應(yīng)力較大。

鑄鋼材料為 ZG25MnNi， 取 σS=260 MPa，σb=485 MPa，σ-1=209 MPa（按 0.43σb計算）。 評價鑄鋼材料的強(qiáng)度時取安全因子S=1.5，評價焊縫區(qū)時取S=1.7，經(jīng)過對構(gòu)架鑄鋼材料的疲勞強(qiáng)度分析，得出所有單元的應(yīng)力都不超出許用應(yīng)力。

5 結(jié)論

▲圖9 疲勞極限超出部位

通過運用有限元ANSYS軟件分析計算，得出整個構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足要求。通過進(jìn)一步的疲勞強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)構(gòu)架后部的制動座上蓋板與側(cè)梁下蓋板的連接處，在主要運營載荷工況下應(yīng)力超出了疲勞極限。因此應(yīng)設(shè)法改善制動座上蓋板與側(cè)梁下蓋板之間的連接，以降低其受橫向載荷作用時的應(yīng)力。

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