劉妮娜

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　高鐵實(shí)訓(xùn)中心，江蘇　南京　210031）

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動(dòng)車PW-250轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度分析

劉妮娜

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院高鐵實(shí)訓(xùn)中心，江蘇南京210031）

摘要：本文對(duì)“先鋒”號(hào)電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行有限元建模，并根據(jù)受力情況設(shè)計(jì)了計(jì)算工況，在建立有限元計(jì)算模型的過程中采用實(shí)際尺寸，構(gòu)架的有限元強(qiáng)度計(jì)算模型及網(wǎng)格由計(jì)算程序的CAD輔助設(shè)計(jì)部分MSCPatran自動(dòng)生成，再利用有限元分析程序MSCNastran進(jìn)行分析，得到各個(gè)工況的分析結(jié)果。從理論上驗(yàn)證了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元建模強(qiáng)度分析

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.03.009

為了提高鐵路市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力，鐵路進(jìn)入了高速化的新時(shí)期。世界各國在發(fā)展高速列車時(shí)均在高速轉(zhuǎn)向架上投入了很大精力，但目前只有少數(shù)國家的轉(zhuǎn)向架運(yùn)營速度能夠達(dá)到或超過300 km/h。其根本原因在于提高車輛速度的同時(shí)，保持和提高車輛的乘坐舒適性是非常困難的。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件之一，其可靠性直接影響動(dòng)車的性能和安全性，所以必須滿足一定的強(qiáng)度要求。本文根據(jù)某廠的要求對(duì)“先鋒”號(hào)電動(dòng)車組拖車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，從理論上驗(yàn)證了“先鋒”號(hào)電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

1　構(gòu)架裝置

構(gòu)架裝置是轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件，構(gòu)架采用無端梁的焊接結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由對(duì)稱布置的側(cè)梁、橫梁和縱向輔助梁組成。側(cè)梁為鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，其U型設(shè)計(jì)滿足以有效的空間將動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的輪盤制動(dòng)單元安裝在車輪內(nèi)側(cè)，從而取消了外部端梁，結(jié)構(gòu)緊湊并減輕了自重；構(gòu)架內(nèi)腔為空氣彈簧提供80 L附加氣室；側(cè)梁采用可焊性較好的Q 345低合金鋼板，有較好的可焊性和強(qiáng)度。橫梁采用無縫鋼管制作，貫通側(cè)梁，并在連接處的側(cè)梁腹板內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)，以減少應(yīng)力集中；為滿足動(dòng)車轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)系繞的電機(jī)、齒輪箱的安裝空間，兩橫梁間距設(shè)為780 mm。在兩橫梁間對(duì)稱設(shè)有兩根縱向輔助梁，可有效提高構(gòu)架的剛度，該輔助梁對(duì)構(gòu)架所受的扭轉(zhuǎn)載荷有較大的貢獻(xiàn)，在與橫梁的連接處采用大圓弧角過渡，提高該處的疲勞強(qiáng)度。

在構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)上焊有各種安裝支座。用于軸箱定位的定位臂座是構(gòu)架裝置的高應(yīng)力區(qū)，采用B級(jí)鋼鑄造。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫梁上還焊有電機(jī)吊座、齒輪箱吊座、制動(dòng)單元吊座和單牽引拉桿座。為改善橫梁的應(yīng)力分布，將輪盤制動(dòng)吊座分散布置在側(cè)梁和橫梁上。由于電機(jī)架懸處的振動(dòng)加速度較大，產(chǎn)生的附加動(dòng)載荷也較大，在工藝上應(yīng)嚴(yán)格控制制造質(zhì)量，避免微小裂紋的存在擴(kuò)展。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架如圖1

圖1　轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖

2　強(qiáng)度計(jì)算載荷

2.1超常載荷構(gòu)架主要受三個(gè)方向的力：垂向力、橫向力、縱向力，縱向力主要指的是機(jī)車的牽引力和制動(dòng)力以及由其產(chǎn)生的附加載荷；橫向力是指垂直于運(yùn)行方向同時(shí)平行于軌道面的力，主要是機(jī)車通過曲線時(shí)的離心；垂向力是指垂直軌道面的力，它的來源主要是機(jī)車車體的重量產(chǎn)生的力、機(jī)車電機(jī)懸掛產(chǎn)生的力和垂向振動(dòng)引起的附加載荷力和橫向振動(dòng)引起的附加力。扭曲試驗(yàn)載荷是鉛垂載荷但大致上它仍對(duì)構(gòu)架造成扭曲，故把它稱為扭曲載荷。對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向架翹曲至一個(gè)車輪100%減載時(shí)的構(gòu)架扭曲載荷，以分析轉(zhuǎn)向架脫軌時(shí)的情況。在超常載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)中沒有模擬縱向力。

垂向試驗(yàn)載荷

式中：Fz為不同工況下作用在轉(zhuǎn)向架每側(cè)的垂向力。

橫向試驗(yàn)載荷

式中：F y為模擬運(yùn)營載荷工況作用在每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的橫力。

超常載荷的工況由以上3個(gè)工況不同組合而成，分成：垂向靜載荷、橫向靜載荷、翹曲載荷、垂向+橫向載荷、垂向+翹曲載荷、垂向+橫向載荷+翹曲載荷等6個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2模擬運(yùn)營載荷

部分試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在運(yùn)用時(shí)出現(xiàn)的主要載荷〔4〕（垂向、橫向和軌道扭曲）的共同作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沒有產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)。

（l）垂向力，

式中：Fz為不同工況下作用在轉(zhuǎn)向架每側(cè)的垂向力

（2）橫向力

式中：F y為模擬運(yùn)營載荷工況作用在每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的橫力。

扭曲載荷是對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向架運(yùn)行于5‰扭曲線路時(shí)的構(gòu)架扭曲載荷。具體情形如表1

表1　模擬主要運(yùn)營載荷工況

表1各個(gè)載荷工況得到各個(gè)部位的應(yīng)力σ1，σ2……σ13，從中確定最大值σmax和最小值σmin。按下式計(jì)算平均應(yīng)力σave和應(yīng)力幅值σ：

式中：σave為平均應(yīng)力；σmax為最大應(yīng)力值；σmin為最小應(yīng)力值；σ為應(yīng)力幅值。

3　有限元建模及強(qiáng)度分析

3.1有限元建模 “先鋒”號(hào)電動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由兩根箱形側(cè)梁、兩根圓筒形橫梁和兩根箱形連接梁組焊而成，計(jì)算模型采用薄板單元。在建立有限元計(jì)算模型的過程中采用實(shí)際尺寸，構(gòu)架的有限元強(qiáng)度計(jì)算模型及網(wǎng)格由計(jì)算程序的CAD輔助設(shè)計(jì)部分MSC Patran自動(dòng)生成，共計(jì)53 745個(gè)網(wǎng)格單元。構(gòu)架計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

利用有限元分析程序MSC Nastran進(jìn)行分析，可得到各個(gè)工況的分析結(jié)果。

3.2動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析

3.2.1超載荷工況的計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力的單位為MPa，變形的單位為mm。超常載荷作用下進(jìn)行組合。對(duì)極值部位的描述規(guī)定構(gòu)架的中心為原點(diǎn)，分別按6個(gè)工況進(jìn)行區(qū)分。

工況1：垂向載荷作用下，計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在側(cè)梁（+X，-Z方向）下蓋板與外側(cè)立板相連接處在軸箱定位座的附近出現(xiàn)應(yīng)力最大值100 MPa；在相同方向的側(cè)梁端部出現(xiàn)變形最大值：1.7 mm。

工況2：橫向載荷作用下，計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁（-X，+z方向）上蓋板彎曲處與內(nèi)立板連接處（靠近橫梁上方）出現(xiàn)應(yīng)力最大值46.3 MPa；在相同方向的側(cè)梁的端部處出現(xiàn)變形最大值：1.00 mm。

工況3：扭曲載荷作用下，計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在側(cè)梁中部空簧安裝處（-Z側(cè)）出現(xiàn)應(yīng)力最大值111 Mpa；后端部梁處出現(xiàn)變形最大值：2.39 mm。

工況4：垂向和橫向載荷，通過工況1和工況2合成，計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在側(cè)梁（+X，-z方問）下蓋板與外側(cè)立板相連接處在軸箱定位座的附近出現(xiàn)應(yīng)力最大值140.O MPa；在相同側(cè)的端部出現(xiàn)最大變形：1.99 mm。

工況5：垂向和扭曲載荷作用下，由工況l和工況3合成。計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁（-x，+z方向）下蓋板與內(nèi)側(cè)立板連接的彎曲處（橫梁的偏下方）出現(xiàn)應(yīng)力最大值201 MPa；在相同側(cè)的端部出現(xiàn)變形最大值4.04 mm。

工況6：垂向、橫向和扭曲載荷作用下，計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位和工況5的部位相同，最大值為220 MPa；在相同方向的側(cè)梁端部出現(xiàn)變形最大值：4.14 mm。

3.2.2強(qiáng)度分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架使用的是16 MnR材料，其屈服極限是σs=345 MPa，安全系數(shù)取1.1時(shí)，許用應(yīng)力〔σ〕-313.64 MPa。在超常載荷作用下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明所有工況的最大應(yīng)力都在許用的應(yīng)力限度之內(nèi)。上述應(yīng)力應(yīng)該符合疲勞極限圖規(guī)定的應(yīng)力范圍。根據(jù)本轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所使用的材料為16 MnR，其抗拉強(qiáng)度不小于520 MPa，符合疲勞極限如圖3

圖3　抗拉強(qiáng)度＜520 N/mm2鋼的許用應(yīng)力

4　結(jié)束語

在研究過程中，構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算分析是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的核心部分，因此本文通過Ansys軟件對(duì)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架部位進(jìn)行有限元建模并對(duì)其載荷工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明所有工況的最大應(yīng)力都在許用的應(yīng)力限度之內(nèi)。

中圖分類號(hào)：U213.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8686（2016）03-0023-03