余妍金戈，王俊勇，傅茂海

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

側(cè)架是鐵路貨車三大件式轉(zhuǎn)向架的重要承載部件[1]，為鑄造結(jié)構(gòu)，為了滿足部件合理裝配和載荷傳遞的需要，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在車輛運(yùn)行過程中承受著巨大的交變載荷作用，且隨著車輛軸重的增加和速度的提高，疲勞裂紋成為了貨車轉(zhuǎn)向架側(cè)架常見的損傷形式之一[2-3]。因此，在側(cè)架的設(shè)計過程中，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析計算。

1 側(cè)架有限元建模

側(cè)架有限元模型采用的是空間笛卡爾坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，XOY平面位于中央彈簧作用面上，原點(diǎn)位于該面幾何中心，X軸正方向為車輛運(yùn)行方向，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，且其正方向為豎直向上。由于該結(jié)構(gòu)為厚壁鑄鋼件，故在ANSYS有限元分析軟件中采用20節(jié)點(diǎn)高階實體單元Solid 95對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。側(cè)架結(jié)構(gòu)共離散為1 383 743個節(jié)點(diǎn)，形成實體單元974 530個。側(cè)架有限元離散模型如圖1所示。

圖1 側(cè)架有限元模型

計算時，對側(cè)架導(dǎo)框部位利用梁單元進(jìn)行模擬，在梁單元下端約束縱向、橫向、垂向和繞縱軸旋轉(zhuǎn)的自由度。側(cè)架約束邊界條件如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度評估方法

根據(jù)北美鐵道協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AAR M-203∶2012 Truck Side Frames,Cast Steel-Design and Testing(以下稱“AAR M-203”)進(jìn)行側(cè)架剛度和疲勞強(qiáng)度計算。

本貨車轉(zhuǎn)向架側(cè)架采用B+級鋼鑄造，固定軸距為1 675 mm，轉(zhuǎn)向架屬于2D軸轉(zhuǎn)向架。

圖2 側(cè)架約束邊界條件

2.1 結(jié)構(gòu)剛度

轉(zhuǎn)向架軸重為20 t，根據(jù)AAR M-203規(guī)定，側(cè)架結(jié)構(gòu)剛度計算載荷工況如表1所示。在靜載荷作用下，側(cè)架結(jié)構(gòu)允許的最大彈性變形量如表2所示。

表1 側(cè)架結(jié)構(gòu)剛度計算載荷工況

表2 側(cè)架結(jié)構(gòu)的最大允許變形

2.2 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度

根據(jù)AAR M-203規(guī)定，側(cè)架疲勞強(qiáng)度試驗載荷包括垂向載荷、橫向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，各載荷幅值如表3所示，結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計算工況如表4所示。

根據(jù)AAR M-203所確定的載荷循環(huán)特征，側(cè)架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析按有限壽命法進(jìn)行[4]。計算流程為：

(1) 根據(jù)有限元方法獲得結(jié)構(gòu)在最大載荷作用下的應(yīng)力分布。

(2) 根據(jù)考察區(qū)域的應(yīng)力-時間歷程，采用雨流計數(shù)法獲得其二維應(yīng)力譜。

(3) 計算各應(yīng)力譜塊的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅。

(4) 利用Goodman方程，將應(yīng)力特征修正到對稱循環(huán)狀態(tài)下。

(5) 利用S-N曲線，確定考察區(qū)域在各應(yīng)力譜塊作用下的許用循環(huán)次數(shù)Ni，并按式(1)計算考察區(qū)域的損傷Di：

Di=ni/Ni.

(1)

其中：ni為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各類載荷循環(huán)次數(shù)。

(6) 利用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則，計算考察區(qū)域的累積損傷。以累積損傷∑Di<1作為評價結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 側(cè)架疲勞強(qiáng)度試驗載荷幅值

表4 側(cè)架疲勞強(qiáng)度計算工況

3 計算結(jié)果與評定

3.1 結(jié)構(gòu)剛度

在如表1所示的各計算工況下，側(cè)架變形分布如圖3～圖5所示，側(cè)架的最大變形及限制值如表5所示。表5的分析結(jié)果表明：側(cè)架結(jié)構(gòu)在各工況下的最大變形均小于AAR M-203標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值，結(jié)構(gòu)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

圖3 S-1工況下側(cè)架橫向變形分布

圖4 S-2工況下側(cè)架橫向變形分布

3.2 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度

側(cè)架在各工況疲勞強(qiáng)度計算載荷峰值下的最大主應(yīng)力分布如圖6～圖9所示。

對側(cè)架各處應(yīng)力-時間歷程進(jìn)行雨流計數(shù)并獲得二維應(yīng)力譜，其結(jié)果表明：彈簧承臺下部肋板拐角(區(qū)域A)、滑槽側(cè)立柱與彈簧承臺交界處(區(qū)域B)、承載鞍彈性墊安裝座內(nèi)拐角(區(qū)域C)和外側(cè)立柱與彈簧承臺交界處(區(qū)域D)的對稱循環(huán)等效應(yīng)力大于對稱循環(huán)疲勞極限110 MPa[5]。故對以上區(qū)域進(jìn)行累積損傷計算分析，計算結(jié)果如表6所示。

圖5 S-3工況下側(cè)架垂向變形分布

表5 側(cè)架最大變形與限制值

圖6 F-1工況下側(cè)架最大主應(yīng)力分布

圖7 F-2工況下側(cè)架最大主應(yīng)力分布

圖8 F-3工況下側(cè)架最大主應(yīng)力分布

圖9 F-4工況下側(cè)架最大主應(yīng)力分布

計算結(jié)果表明，以上區(qū)域的積累損傷均小于1。而側(cè)架其余各處，在各譜塊下的對稱循環(huán)等效應(yīng)力均小于疲勞極限，即在AAR M-203規(guī)定的各疲勞強(qiáng)度試驗載荷作用下，其損傷均為0。因此，側(cè)架結(jié)構(gòu)能夠通過標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的疲勞試驗。

表6 側(cè)架各區(qū)域累積損傷

4 結(jié)束語

采用ANSYS有限元分析軟件，參照北美鐵道協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AAR M-203∶2012分析計算了1 067 mm軌距貨車轉(zhuǎn)向架側(cè)架的剛度和疲勞強(qiáng)度，結(jié)論如下：

(1) 側(cè)架結(jié)構(gòu)在各工況下的最大變形均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值，其結(jié)構(gòu)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 側(cè)架的疲勞強(qiáng)度最危險點(diǎn)位于承臺下部肋板拐角區(qū)域，其最大累積損傷為0.229，小于1，結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞試驗要求。