單軸轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞強度及模態(tài)分析＊

付 偉，黃運華，劉 韋，賈洪龍

（1 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031；2 中國北車集團公司 長春軌道客車股份有限公司 轉(zhuǎn)向架開發(fā)部，吉林長春130062）

單軸轉(zhuǎn)向架由于具有優(yōu)良的曲線通過能力及較低的輪軌作用力［1］，其在國外已得到較深入的理論研究［2－4］，并已成功實現(xiàn)運營。但國內(nèi)關(guān)于單軸轉(zhuǎn)向架的理論研究起步較晚，更沒有關(guān)于其焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。單軸轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架有所不同，目前國內(nèi)尚無單軸轉(zhuǎn)向架的計算規(guī)范，也缺少對單軸轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度的研究，因此有必要對其焊接構(gòu)架進行結(jié)構(gòu)強度的研究。基于此，本文擬采用有限元方法，依據(jù) TB／T 2368－2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》［5］設(shè)置載荷工況，對某新型客車單軸轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架進行研究。首先對單軸動力轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的靜強度進行校核，然后根據(jù)ORE B12／RP17給出的多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化的方法和Goodman疲勞極限圖對構(gòu)架進行疲勞強度的分析［6］。

1 焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)及有限元模型

1.1 構(gòu)架的結(jié)構(gòu)

單軸車輛每輛車采用兩組單軸轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架為兩系懸掛，其中一系懸掛采用圓錐橡膠彈簧進行定位并設(shè)置垂向減振器，二系懸掛由空氣彈簧進行承載并設(shè)置橫向減振器、抗蛇行減振器、橫向止擋、抗點頭扭桿。基礎(chǔ)制動裝置為單個軸盤制動，牽引電機采用體懸式，通過單牽引拉桿傳遞縱向力。焊接構(gòu)架由側(cè)梁、端梁、縱向梁、減振器座、齒輪箱座、牽引拉桿座、制動吊座等組成。側(cè)梁采用箱型結(jié)構(gòu)，由上下蓋板、腹板及隔板組焊而成，上、下蓋板寬240mm，腹板高96mm，上蓋板厚12mm，下蓋板14mm。端梁采用中間下凹的結(jié)構(gòu)以降低牽引拉桿座的高度，橫向減振器座、抗側(cè)滾扭桿座焊在端梁上，端梁斷面上、下蓋板寬150mm，腹板高96mm，上、下蓋板厚均為12mm。縱向梁采用箱型結(jié)構(gòu)，上、下蓋板寬140mm，腹板高96mm，上、下蓋板厚均為12mm（圖1），其上焊有橫向止擋座、齒輪箱吊座、制動吊座。側(cè)梁中心距2 000mm，端梁中心距1 420 mm。所有的隔板厚均為10mm。側(cè)梁、端梁、縱向梁采用Q345－B鋼板，其屈服強度為345MPa，抗拉強度為520MPa。制動吊座采用ZG230－450，屈服強度為230 MPa，抗拉強度為450MPa，其余安裝座采用20鋼，屈服強度245MPa，抗拉強度410MPa。

圖1 構(gòu)架主要部分斷面尺寸

1.2 構(gòu)架有限元模型

構(gòu)架為三維空間結(jié)構(gòu)，為準確分析其在各向載荷作用下應(yīng)力分布情況，采用有限元軟件ANSYS對構(gòu)架進行分析。利用有限元軟件計算首先要建立力學模型，力學模型的坐標系采用笛卡爾直角坐標系，X軸為車輛前進方向，Y軸與線路方向垂直，Z軸垂直于軌道面向上。坐標系XOY平面位于側(cè)梁中性面上，坐標原點位于構(gòu)架幾何中心。構(gòu)架模型如圖2所示。構(gòu)架主要是薄板組焊空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)既承受拉壓變形又承受彎曲扭轉(zhuǎn)變形，所以在離散時采用三維彎曲殼單元shell63離散，離散時盡量采用四邊形單元，個別過渡區(qū)域可以采用三角形單元。各種減振器座、牽引拉桿座、制動吊座采用solid45實體單元進行離散，一系彈簧采用combin14彈簧單元離散。在綜合考慮計算精度、計算量情況下最終離散出節(jié)點數(shù)為59 222，單元數(shù)為49 081。各項約束均加在軸箱彈簧處，橫向載荷以面力的形式加在橫向止擋和空氣彈簧安裝座上，齒輪箱支反力和牽引力以面力形式加在齒輪箱安裝座和牽引拉桿座上，制動力以節(jié)點力形式加在制動吊座上。

圖2 焊接構(gòu)架有限元模型

2 構(gòu)架的載荷工況

轉(zhuǎn)向架在運行中承受著各種復(fù)雜的載荷，如何分析確定這些載荷的取值及工況組合十分重要。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計時應(yīng)分別考慮兩種載荷工況，一種是超常載荷，它是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜態(tài)設(shè)計的依據(jù)；另一種是模擬運營載荷，它是構(gòu)架疲勞設(shè)計的依據(jù)［7］。根據(jù) TB／T 2368－2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》，動力轉(zhuǎn)向架應(yīng)分別對超常載荷及運營載荷進行評定。

2.1 超常載荷工況

超常載荷主要考慮垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、齒輪箱吊座載荷。因為單軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)比較特殊，因此需要考慮更多的工況組合，如表1所示。

2.2 運營載荷工況

由于單軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特殊，只有一根車軸，無線路扭曲載荷。故基于靜強度的結(jié)果對構(gòu)架進行疲勞強度分為9個工況。工況組合見表2。其中FZ為模擬運營載荷工況作用在每個轉(zhuǎn)向架上的基本垂向力。

表1 超常載荷工況組合

表2 運營載荷工況表

3 構(gòu)架的強度評定

3.1 靜強度評定

構(gòu)架超常載荷工況下的應(yīng)力分布見圖3～圖6，最大von＿Mises應(yīng)力出現(xiàn)在端梁下凹部分的圓角處，大小為292.934MPa，小于制造材料16Mn的屈服極限，構(gòu)架其他部分的von＿Mises應(yīng)力均小于材料的屈服極限。由圖3～圖6的結(jié)果可知，焊接構(gòu)架的靜強度滿足設(shè)計要求。

3.2 構(gòu)架的疲勞強度評定

根據(jù)TB／T2368－2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》和三向應(yīng)力狀態(tài)向單向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化的方法，計算構(gòu)架上各點在9種載荷工況下的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，按式（1）、式（2）計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，得到各個節(jié)點的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，然后將其點入Haigh圖形式的修正Goodman曲線中，如圖7所示。由圖7可以看出所有節(jié)點的應(yīng)力均在疲勞極限圖內(nèi)，因此構(gòu)架的疲勞強度滿足要求。

圖5 超常載荷工況3

圖6 超常載荷工況4

圖7 構(gòu)架的疲勞極限圖

4 構(gòu)架的模態(tài)分析

由于車輛運行過程中不會出現(xiàn)高頻振動，因此在ANSYS模態(tài)分析中提取了前6階模態(tài)。各階模態(tài)的頻率及振型如表3所示，其中第2和第3階振型如圖8所示。

表3 自振頻率及振型

圖8 構(gòu)架的第2和第3階振型

通過分析表3可以得出如下結(jié)論：構(gòu)架的第1階振型為構(gòu)架總體垂向彎曲，其固有頻率為45.067Hz，已經(jīng)較大，說明構(gòu)架的總體彎曲剛度較大；第2階振型為構(gòu)架扭轉(zhuǎn)，其頻率為54.946Hz，說明構(gòu)架端梁水平部分和下凹部分間的連接剛度較大，有利于承受扭轉(zhuǎn)載荷；第3階振型為構(gòu)架的平面內(nèi)剪切，其頻率為74.371 Hz，說明端梁與橫梁連接剛度較大，有利于構(gòu)架承受剪切載荷；第4階振型為組焊有牽引拉桿座的端梁下凹部分向外側(cè)彎曲，頻率為108.558Hz，說明端梁與縱向梁之間的連接剛度很大，有利于構(gòu)架承受縱向載荷；第5階振型為兩端梁反向彎曲，頻率為114.916Hz，說明構(gòu)架端梁與縱向梁之間連接剛度大，有利于承受縱向載荷；第6階振型為兩側(cè)梁同向彎曲，頻率為126.201 Hz，說明側(cè)梁與端梁之間聯(lián)接剛度很大。構(gòu)架的最低頻率為45.067Hz，已經(jīng)避開了車輛系統(tǒng)的振動頻率［8］，不會發(fā)生共振現(xiàn)象，因此，構(gòu)架的剛度設(shè)計是合理的。

5 結(jié)束語

先建立了單軸轉(zhuǎn)向架的有限元模型，然后根據(jù)TB／T 2368－2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》對構(gòu)架進行強度校核。針對單軸轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了4種超常載荷工況來對構(gòu)架做靜強度評定；并設(shè)計了9種運營載荷工況，利用Goodman疲勞極限圖對構(gòu)架的疲勞強度進行校核。最后對構(gòu)架做了模態(tài)分析，提取了前6階模態(tài)。計算結(jié)果表明構(gòu)架的靜強度和疲勞強度均滿足要求，構(gòu)架的剛度設(shè)計比較合理，能夠滿足車輛的運行要求。

［1］黃運華，趙曉莉，卜繼玲.城軌車輛單軸轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.電力機車與城軌車輛，2007，7（4）：1－4.

［2］Yoshihiro SUDA.Dynamic Characteristics of a Single－Axle Truck for Compatibility between Stability and Curving Performance［J］.Vehicle System Dynamics Supplement 37（2002），616－629.

［3］Polach O.Coupled single－axle running gears－a new radial steering design［J］.Journal of Rail and Rapid Transit，ImechE，2002，216（F3）：197－206.

［4］Akira MATSUMOTO.Verification of Dynamics of an Experimental Single－Axle Truck－Comparison of stand tests，running tests and simulation－［J］.VehicleSystem Dynamics Supplement 37（2002），pp.605－615.

［5］TB／T 2368－2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》［S］.

［6］米彩盈.高速動力車承載結(jié)構(gòu)疲勞強度工程方法研究［D］.成都：西南交通大學，2006.

［7］李 強.動車組設(shè)計［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［8］王賀鵬.車體自振頻率的研究［D］.大連：大連交通大學，2004.