蔣 軍 喬 燕 孫海東

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031）

近年來,軌道交通行業(yè)快速的發(fā)展,隨著城市內(nèi)的軌道交通的日趨完善,當(dāng)前市郊、市域車輛的市場需求越來越大,這些車輛最主要是提供較市內(nèi)軌道交通更快的速度,以滿足相對(duì)長里程、長站距的實(shí)際運(yùn)營需要。本文針對(duì)一種快速軌道交通轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與分析。

1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)及有限元模型

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是車輛上最為關(guān)鍵的承載件,承受和傳遞著轉(zhuǎn)向架各個(gè)方向的載荷,影響著車輛的運(yùn)行安全。本文構(gòu)架采用H 形焊接結(jié)構(gòu),主體由側(cè)梁和橫梁組成,并焊接相關(guān)安裝座。

1.2 有限元模型

構(gòu)架先進(jìn)行三維設(shè)計(jì),然后將模型導(dǎo)入到前處理軟件,采用軟件中的體單元（SOLID92）進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?。整個(gè)構(gòu)架共離散為2202076 個(gè)單元,3908559 個(gè)節(jié)點(diǎn)。構(gòu)架的有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 構(gòu)架有限元分析模型

1.3 構(gòu)架材料及評(píng)估

該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體采用P355NL1 鋼板,電機(jī)吊座、定位座等采用鑄件G20Mn5,材料的屈服強(qiáng)度、屈服許用應(yīng)力如表1 所示[1]。

表1 構(gòu)架材料及許用應(yīng)力

靜強(qiáng)度評(píng)估：在超常各單獨(dú)或組合載荷工況作用下,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架任何各點(diǎn)的Von Mises 應(yīng)力均不得超過材料的屈服許用應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度評(píng)估：在任意模擬運(yùn)營載荷疊加工況作用下,所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的Haigh 疲勞極限圖的界限之內(nèi)。

2 載荷計(jì)算

2.1 符號(hào)含義

本文中出現(xiàn)的符號(hào)含義如表2 所示。

表2 符號(hào)含義表

2.2 超常工況載荷計(jì)算

2.2.1 垂向載荷

參照UIC615-4[2]（3.1）,車輛垂向載荷由構(gòu)架兩側(cè)的空簧座共同承擔(dān),每個(gè)空簧座承擔(dān)的超常垂向載荷Fz_max為166.3kN,按照標(biāo)準(zhǔn)k 取值取1.4。

2.2.2 橫向載荷

參照UIC615-4（3.1）,車輛的橫向載荷由構(gòu)架的空簧座和橫向擋座共同承擔(dān),橫向的最大總載荷Fymax為124.6kN。

分配到構(gòu)架空簧座處的載荷Fy_SS為8.3kN,分配到構(gòu)架橫向擋座處的載荷Fy_LS為108kN。

2.2.3 扭曲載荷

參照UIC615-4（3.1）標(biāo)準(zhǔn),線路上的軌道扭曲量在超常工況按照10‰考慮,分配到輪對(duì)承擔(dān)的扭曲位移TWZ為11.5mm。

2.2.4 菱形載荷

參照EN 13749-2011[3]（C.2.1）,車輪上承擔(dān)著驅(qū)使轉(zhuǎn)向架發(fā)生菱形變形的載荷Fx1max為40.9kN,該載荷最終傳遞到構(gòu)架側(cè)梁上。

2.2.5 縱向沖擊載荷

參照EN 13749-2011（C.2.1）,車輛在調(diào)車沖擊工況加速度為3g,調(diào)車沖擊引起的縱向載荷FXB為228.9kN。

2.2.6 緊急制動(dòng)載荷

參照EN13749:2011（D.4）,車輛發(fā)生制動(dòng)時(shí)制動(dòng)單元發(fā)生動(dòng)作,轉(zhuǎn)向架承擔(dān)的縱向制動(dòng)載荷Fx_D為49.9kN,轉(zhuǎn)向架承擔(dān)的垂向制動(dòng)載荷FZ_TBU為20.9kN。

2.2.7 電機(jī)啟動(dòng)和短路載荷

參照EN13749:2011（D.5）,車輛在啟動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)向架承擔(dān)電機(jī)載荷Fx_m1為26.7kN。

逆變器發(fā)生短路時(shí),由電機(jī)產(chǎn)生的氣隙短路扭矩引起的轉(zhuǎn)向架載荷Fx_m2為151.3kN,齒輪箱吊座處載荷為159.2kN。

2.2.8 脫軌載荷

參照EN13749:2011（C.2.1）,車輛在脫軌時(shí),轉(zhuǎn)向架承擔(dān)的垂向載荷FZ 為49.2KN。

2.2.9 減振器載荷

2.3 模擬運(yùn)營載荷計(jì)算

模擬運(yùn)營載荷計(jì)算參照標(biāo)準(zhǔn)及方法相同[4],其結(jié)果如表3 所示。

表3 模擬運(yùn)營工況載荷計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算工況及結(jié)果評(píng)估

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算工況及結(jié)果評(píng)估

通過有限元分析軟件,分別對(duì)構(gòu)架上承擔(dān)的各超常載荷及組合載荷工況進(jìn)行計(jì)算,構(gòu)架上的最惡劣工況發(fā)生在電機(jī)氣隙短路引起的載荷施加時(shí),計(jì)算的最大應(yīng)力為257.7MPa,位置構(gòu)架的側(cè)梁中部母材上。此時(shí)焊縫最大應(yīng)力值為171.8MPa,應(yīng)力云圖具體見如圖2。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在各工況下的最大應(yīng)力情況詳見表4。該構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足選用的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 超常工況7 下的構(gòu)架應(yīng)力云圖

表4 超常工況構(gòu)架的最大應(yīng)力情況統(tǒng)計(jì)

3.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況及結(jié)果評(píng)估

通過有限元分析軟件,分別對(duì)構(gòu)架上承擔(dān)的各模擬運(yùn)營載荷及組合載荷工況進(jìn)行計(jì)算。首先得到各組合工況下構(gòu)架的應(yīng)力水平,然后將任意兩種工況進(jìn)行線性疊加進(jìn)一步計(jì)算其應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。

按照焊縫與母材進(jìn)行區(qū)分,焊縫區(qū)域中最大應(yīng)力幅值為69.4MPa；母材區(qū)域中最大應(yīng)力幅值為104.5MPa。最大應(yīng)力幅值具體應(yīng)力云圖詳見圖3 和圖4。

圖3 空簧座附近側(cè)梁上蓋板內(nèi)側(cè)圓弧彎角母材處(104.2MPa)

圖4 抗蛇行減振器安裝座圓弧彎角卸荷位置母材應(yīng)力幅值（104.5MPa)

相對(duì)應(yīng)的側(cè)梁上部折彎位置與側(cè)梁內(nèi)立板連接焊縫處最大應(yīng)力幅值（69.4MPa）

選取構(gòu)架大應(yīng)力區(qū)域的點(diǎn),將其動(dòng)應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力放入材料的Haigh 曲線圖[5]中,具體見圖5 和圖6。這些點(diǎn)都在Haigh 曲線的包絡(luò)范圍之內(nèi)。構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度滿足所選標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 P355NL1 材料疲勞極限圖及疲勞強(qiáng)度評(píng)估

圖6 G20Mn5 材料疲勞極限圖及疲勞強(qiáng)度評(píng)估

4 模態(tài)分析

計(jì)算構(gòu)架模態(tài)是衡量構(gòu)架剛度的一種很有效的方法,采用自由模態(tài)進(jìn)行計(jì)算,構(gòu)架的一階模態(tài)達(dá)到49.2Hz,表明構(gòu)架具有的足夠剛度。構(gòu)架一階自由模態(tài)振型詳見圖7。

圖7 構(gòu)架一階自由模態(tài)振型

5 結(jié)論

通過有限元軟件仿真,依據(jù)材料特性及Haigh 曲線進(jìn)行評(píng)估,本文結(jié)論如下：

5.1 在超常載荷作用時(shí),母材和焊縫的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力,靜強(qiáng)度符合要求。

5.2 在模擬運(yùn)營載荷作用時(shí),選取構(gòu)架大應(yīng)力區(qū)域的點(diǎn),都在Haigh 曲線包絡(luò)范圍之內(nèi),疲勞強(qiáng)度符合要求。

5.3 采用自由模態(tài)進(jìn)行計(jì)算,構(gòu)架的一階模態(tài)達(dá)到49.2Hz,表明構(gòu)架具有的足夠剛度。