張治強

（蘭州軌道交通有限公司運營分公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

轉向架屬于軌道工程車最為核心的部件之一，其構架是主要的承載部件，其承載著車體到車輪之間的縱向、橫向力，同時也會受到各種零部件非常復雜載荷的影響，所以構架所具有的強度不但直接影響著軌道工程車輛安全可靠性[1]，同時也影響著車輛的牽引性能以及運行品質，所以需要加強構架疲勞強度方面的探究。本文主要通過仿真分析軟件來對軌道工程車輛轉向架構架進行疲勞強度等方面的分析計算，能夠對轉向架構架設計提供必要的參考以及指導。

1 轉向架構架結構介紹

軌道工程車輛一般設置有2個兩軸轉向架，轉向架設置為兩系懸掛裝置，同時采用液壓減振器來進行減振[2]。采用單元制動器實施基礎性制動，利用牽引桿來實施縱向力傳輸。轉向架構架主要通過型鋼進行焊接，其具體形式如圖1所示。

圖1 構架結構形式

構架主要采用1 根橫梁、2 根結構同樣的側梁（都是變截面梁）進行拼焊，為了提升其強度需要設置隔板。構架的主體材料采取的是Q345B鋼，其中的拉桿座、彈簧座、牽引座等都采取ZG270-500等材料。

2 構架模型的前處理以及載荷設定

（1）模型的前處理

通過市場上通用軟件進行構架三維模型的建設，為了能夠提升分析的效率，在保證構架實際結構和模型主體相同的基礎上，可以對細小部分進行簡化處理，能夠大大降低有限元數(shù)據(jù)處理周期?？梢酝ㄟ^ANSYS 軟件建立起構架的強度計算模型，對于構架模式實施離散（形成691423個節(jié)點）。

（2）載荷工況設定

從TB/T2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》中能夠得知，要將應用過程中可能產(chǎn)生的最大負荷當作超常載荷施加到轉向架上，以此來判定構架永久變形的情況。施加到構架模型上的運營載荷主要包括橫向載荷、縱向載荷、軌道扭曲載荷等等，通過綜合載荷的應用來判定轉向架是否會出現(xiàn)疲勞裂紋的情況。而對于特殊運營載荷情況來說，所施加的載荷主要包括運營載荷、轉向架相關部件（包括減速機、制動器、減振器等等）所形成的變載荷等等[3]，通過這些載荷來判定轉向架構架是否會出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 轉向架構架評定標準概述

（1）靜強度評價標準

從TB/T2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》以及TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》中能夠得知，在靜強度評價過程中，不同載荷情況評定標準有所不同，其中超常載荷情況下采取的是材料屈服強度進行評價，而其他工況下采取的是材料許用應力進行評價。

（2）疲勞強度評價標準

從TB/T2368-2005《動力轉向架構架強度試驗方法》中可知，在進行構架疲勞強度評價時可以從運營載荷工況、特殊運營載荷等情況進行。受到上述兩種載荷作用下，采用構架上等效應力比較大（具有較強代表性）的點進行應力計算，在此基礎上選定每個測點極限應力值，同時按照如下公式進行平均應力和應力幅的計算。

在進行構架疲勞強度評定過程中要參照圖2 所示鋼材疲勞極限曲線進行計算結果的對比，以此為基礎實施構架疲勞強度評定。構架在經(jīng)過多次疲勞破壞之后所得到的應力需要處于封閉曲線范圍內(nèi)才屬于安全狀態(tài)，如果處在封閉曲線之外就表明材料可能產(chǎn)生斷裂等問題。按照所測點位置的差異，如果處在對接焊縫位置那么要采取曲線a1作為標準；如果處在其他類型焊縫位置那么要采取曲線a2作為標準；如果處在非焊接材料無缺口效應位置就要采用曲線b作為標準。

圖2 鋼材疲勞極限線圖

4 計算結果分析

（1）構架的靜強度分析

受到轉向架構架對稱結構的影響，為了防止出現(xiàn)重復計算的情況，可以將類似載荷工況去除掉，能夠得到最大等效應力值以及產(chǎn)生的區(qū)域，在不同載荷情況下構架所受到的最大等效應力都在相應材料應力評定標準之下[4]，所以，總體上可以判定構架的靜強度符合標準設定要求。另外，也能夠得知，在超常載荷工況的情況下構架具有最大等效應力，此應力處在側梁內(nèi)肋板位置，其最大應力雖然超出了240MPa，但是還處于側梁內(nèi)肋板材料的屈服強度（345MPa）之下。

（2）構架的疲勞強度分析

通過對“運營載荷”以及“特殊運營載荷”實施模擬，能夠得到構架每個測點疲勞強度的評定Goodman 圖，具體如圖3 所示。圖中a、b 兩圖分別闡述的是模擬運營官載荷以及特殊運營載荷情況下構架每個測點強度的評定情況，從上圖中能夠得知，構架中每個測點疲勞強度極限值都處在母體材料和焊縫位置疲勞極限范圍內(nèi)，這就可以表明構架的疲勞強度符合標準范圍的要求。

圖3 構架每個測點強度評定Goodman圖

（3）構架的模態(tài)分析

為了進一步明確軌道工程車輛在實際運行過程中轉向架構架所產(chǎn)生的振動情況，同時也為了確定在實際應用時構架所產(chǎn)生的變形趨勢，需要通過ANSYS 有限元分析軟件對于此構架實施約束模態(tài)仿真分析。橫擺的形式，這就表明了在軌道工程車輛長時間運行過程中會發(fā)生側梁橫向變形的情況。

5 試驗驗證

為了確定分析結果的準確性，可以對轉向架構架進行疲勞試驗來進一步明確其強度情況。為了進行有效的試驗，要按照轉向架構架具體結構建立起試驗平臺，利用多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)對其施加載荷。試驗過程中要在構架上施加垂向、橫向載荷，其中垂向載荷主要包括“靜態(tài)部分”、“準靜態(tài)部分”、“動態(tài)部分”等，橫向載荷主要包括“準靜態(tài)部分”、“動態(tài)部分”等。

按照TB/T3549.1-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范轉向架第1 部分：轉向架構架》的相應規(guī)定在構架上施加垂向載荷以及橫向載荷，同時需要將兩種載荷的相位角設定為0°。按照所施加載荷值之間的差異，可以按照如下幾個階段進行疲勞性試驗：

第一階段：動載荷循環(huán)次數(shù)設定為6×106；

第二階段：動載荷循環(huán)次數(shù)設定為2×106，同時保持試驗載荷靜態(tài)部分不變，而將準靜態(tài)部分、動態(tài)部分調(diào)整成為第一階段的1.2倍；

第三階段：動載荷循環(huán)次數(shù)設定為2×106，同時保持試驗載荷靜態(tài)部分不變，而將準靜態(tài)部分、動態(tài)部分調(diào)整成為第一階段的1.4倍。

按照上述載荷施加方式設置載荷之后，對轉向架構架分別實施6×106、8×106、10×106的疲勞性試驗，在每個階段都對加載之后的構架實施磁粉探傷并沒有發(fā)現(xiàn)存在裂紋的情況，這就充分說明了構架的疲勞強度滿足標準規(guī)定，符合設計標準規(guī)范。

6 結束語

本文在不同載荷情況下（包括：超常載荷、模擬運營載荷、模擬特殊運營載荷）對于軌道工程車輛轉向架構架實施分析（主要包括：靜強度分析、疲勞強度分析、模態(tài)分析等），利用有限元軟件以及試驗驗證的方式都得到了同樣的結果，表明此構架疲勞強度滿足標準要求，可以正常應用在軌道工程車輛當中。