王志明 ，陳曉峰 ，2，吳才香 ，曾 偉

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲412001；2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲412001）

0 引言

車輛走行部是車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，而走行部構(gòu)架則為該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起著承載、傳遞牽引力與制動(dòng)力、安裝所有走行部設(shè)備的作用。構(gòu)架一般為鋼板焊接結(jié)構(gòu)或者鑄件、鋼板組合的焊接結(jié)構(gòu)，不僅要滿足走行部系統(tǒng)各設(shè)備的空間要求，還要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的疲勞強(qiáng)度要求。

上世紀(jì)上半葉，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析，主要采用結(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。其中有限元分析法在車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，該方法理論分析的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差可控制在10%的范圍內(nèi)[3]。

目前國內(nèi)城市軌道交通車輛的走行部基本都是軸箱外置式，如各個(gè)地鐵公司的A型地鐵以及B型地鐵，高速動(dòng)車組，包括目前所有的客運(yùn)以及貨運(yùn)機(jī)車等。由于軸箱外置式走行部外部限界較寬，隨著我國軌道交通裝備的出海，現(xiàn)有的車輛走行部已無法滿足海外一些國家的外部限界要求，因此開發(fā)一種軸箱內(nèi)置式車輛走行部顯得尤為必要，而設(shè)計(jì)出適用于軸箱內(nèi)置式走行部的構(gòu)架更是重中之重。然而由于軸箱內(nèi)置，構(gòu)架側(cè)梁跨距減小，這就要求走行部設(shè)備布置必須打破常規(guī)的布置方式。本文就是在此前提下設(shè)計(jì)出了一種用于車輛軸箱內(nèi)置式走行部焊接構(gòu)架，并基于Hypermesh 13.0軟件及ANASYS 14.0軟件，參照國際標(biāo)準(zhǔn)EN13749-2011[4]對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元仿真分析，按照標(biāo)準(zhǔn)ERRI B12 RP17[5]和DVS1612[6]給出的方法驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 結(jié)構(gòu)介紹

1.1 結(jié)構(gòu)解決的技術(shù)問題

目前，大多數(shù)車輛走行部基本上是軸箱外置式，所設(shè)計(jì)的構(gòu)架都是適用于軸箱外置式走行部的構(gòu)架。為了滿足軸箱內(nèi)置式走行部的需求，本文提供了一種軸箱內(nèi)置式走行部用構(gòu)架，以解決以下技術(shù)問題：

（1）滿足軸箱內(nèi)置式走行部牽引裝置、電機(jī)、齒輪箱、一系懸掛、二系懸掛等部件的所有安裝要求；

（2）提供一種安全可靠的電機(jī)吊掛方式、齒輪箱吊掛方式及牽引裝置安裝方式；

（3）構(gòu)架上所有的安裝孔全部采用通孔設(shè)計(jì)，避免螺紋孔滑牙后的維修問題。

1.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)構(gòu)架為鑄件與鋼板組合的焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩根箱型側(cè)梁與兩個(gè)橫梁焊接而成，如圖1所示。

圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架側(cè)梁與傳統(tǒng)的走行部構(gòu)架側(cè)梁不同，傳統(tǒng)的走行部構(gòu)架側(cè)梁只承擔(dān)安裝兩系懸掛的作用，而該構(gòu)架側(cè)梁除上述作用外還將電機(jī)吊掛座和齒輪箱吊掛座都設(shè)計(jì)在了側(cè)梁上。為電機(jī)和齒輪箱提供了一種便捷的拆裝方式，如圖1所示。

構(gòu)架橫梁一為鑄件焊接結(jié)構(gòu)，集成了牽引座、制動(dòng)器安裝座與齒輪箱防落座。橫梁二為無縫鋼管與鑄件的焊接結(jié)構(gòu)。

2 有限元強(qiáng)度分析

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13749-2011，在運(yùn)營載荷狀態(tài)下，走行部構(gòu)架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析的基本計(jì)算載荷由車體和一系懸掛結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度和車體承受的側(cè)風(fēng)載荷組成，車體、構(gòu)架、牽引裝置和二系懸掛裝置的受力分析如圖2所示。

圖2 車體、構(gòu)架、牽引裝置受力分析

式中Fw為車體風(fēng)載荷產(chǎn)生的橫向力；

Fyp為一系懸掛質(zhì)量對(duì)構(gòu)架的橫向慣性力；

Fyb=Fyc+Fw+Fyp構(gòu)架承擔(dān)的總橫向載荷；

FARB為抗側(cè)滾扭桿的承擔(dān)的垂向載荷值；

金隆公司在合理組織生產(chǎn)，穩(wěn)定各項(xiàng)外部因素影響，保證電解生產(chǎn)能力穩(wěn)定的前提下，2016年電解產(chǎn)能首次突破46萬t，達(dá)到46.39萬t，如圖1所示。圖2為電解產(chǎn)能隨電解電流密度提高的變化趨勢。電解連續(xù)超額完成全年生產(chǎn)計(jì)劃，且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，如陰極銅優(yōu)質(zhì)品率、電流效率等，詳見圖3所示。

mc為二系簧上質(zhì)量；

Fyc為車體橫向慣性載荷；

Fzs1為增載側(cè)二系彈簧承擔(dān)的垂向載荷；

Fzs2為減載在側(cè)二系彈簧承擔(dān)的垂向載荷；

Hw為風(fēng)載荷作用下中心到構(gòu)架橫向止擋極限位置的垂向距離；

Hc為車體慣性載荷作用下中心到構(gòu)架橫向止擋極限位置的垂向距離。

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

應(yīng)用Hypermesh 13.0軟件將整個(gè)構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)離散成三維實(shí)體單元solid92、電機(jī)用mass21質(zhì)量單元代替、一系彈簧按照其三個(gè)方向的剛度離散為combine14彈簧單元。為了準(zhǔn)確模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)構(gòu)架的載荷作用情況，根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用梁單元模擬其承擔(dān)載荷對(duì)構(gòu)架的作用情況和運(yùn)動(dòng)關(guān)系；采用梁單元模擬輪對(duì)、軸箱和牽引拉桿結(jié)構(gòu)及其相互間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；采用combine14彈簧單元模擬一系懸掛系統(tǒng)。構(gòu)架有限元模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

根據(jù)ERRI B12 RP17[5]和DVS1612[6]給出的方法確定構(gòu)架制造材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線評(píng)價(jià)其疲勞強(qiáng)度。MKJ圖如圖4所示。

圖4 材料的MKJ曲線

σmax—節(jié)點(diǎn)的最大等效主應(yīng)力；σmin—節(jié)點(diǎn)的最小等效主應(yīng)力。

通過運(yùn)用圖4所給出的母材和焊縫區(qū)域的疲勞曲線，查找出不同應(yīng)力比對(duì)應(yīng)的疲勞許用應(yīng)力值。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)應(yīng)力比所對(duì)應(yīng)的實(shí)際最大應(yīng)力或最小應(yīng)力的絕對(duì)值小于該應(yīng)力比所對(duì)應(yīng)的疲勞許用應(yīng)力，則說明該焊接結(jié)構(gòu)具備一定的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備，實(shí)際最大應(yīng)力與疲勞許用應(yīng)力相差越大，疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備越大。那么該節(jié)點(diǎn)滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，否則需改進(jìn)該處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

上述評(píng)價(jià)方法可用下式表示，即節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)：

為了在ANSYS 14.0軟件顯示的方便，引入材料利用度（Degrees of Utilization，簡寫“DoU”）的概念，用以表征材料機(jī)械性能的利用率，其取值為安全系數(shù)的倒數(shù)。

材料利用度公式為：

2.4 疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

將運(yùn)用Hypermesh13.0建立的有限元模型導(dǎo)入到軟件ANSYS 14.0中，參照標(biāo)準(zhǔn)EN13749-2011 BⅢ類載荷工況和上述的疲勞評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用APDL語言編寫加載命令流及結(jié)果輸出命令流，模型導(dǎo)入后直接讀取相應(yīng)的命令流加載和讀取結(jié)果，典型材料利用度分布如圖5所示，由圖可知整個(gè)構(gòu)架結(jié)構(gòu)的材料利用度均小于1，即該構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖5 構(gòu)架結(jié)構(gòu)典型的材料利用度分布

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種用于軸箱內(nèi)置式車輛走行部焊接構(gòu)架，結(jié)構(gòu)合理，符合實(shí)際需求。利用有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際運(yùn)營要求。