基于ANSYS軟件下的通勤車轉向架構架疲勞強度計算分析

王志明 陳曉峰 張開林 劉余龍 劉金榮

【摘要】本文運用ANSYS軟件，參照UIC615-4規范，對通勤動車組轉向架構架進行了有限元疲勞強度計算分析。結果表明：在模擬運用載荷作用下，動車轉向架構架各節點的應力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強7度要求；構架上各主要安裝吊掛座能夠滿足疲勞強度設計要求。

【關鍵詞】通勤車 轉向架 構架 強度計算

1引言

通勤車是用于城市中心商業區到城市郊區、城市群內城市之間快速、便捷的160km/h速度等級動車組，最大軸重為16t。通勤車轉向架構架為整體焊接結構，主要由兩個側梁和兩個橫梁組成。構架側梁為封閉的箱形結構，其下側設置轉臂安裝座，上部設置空氣彈簧座，在構架的外側立板上設置抗側滾扭桿座和二系垂向減振器座，在側梁端部設置一系彈簧安裝座。構架的橫梁采用無縫鋼管結構，在其外側斜對稱設置電機和齒輪箱吊座，在其上部中央設置牽引座，在兩個橫梁之間設置橫向止檔座。

上世紀六十年代前，對轉向架構架的強度分析，主要采用的是經典的結構力學方法[1]：近似法和精確力法[2]。隨著電子計算機的普及和計算方法的發展，電算法越來越受到重視。用有限元法分析得出的理論結果和試驗結果的相對誤差可控制在10％的范圍內[3]。

本文就是運用有限元法對通勤車轉向架構架的疲勞強度進行計算分析，驗證其是否滿足設計要求。

2計算分析

2.1載荷情況

模擬運營載荷是實際運用中經常發生的載荷，這里采用模擬運行商用載荷進行計算，以此來評價構架的疲勞強度。構架強度計算的載荷參照UIC615-4規范，載荷情況如下：

（1）構架一側垂向載荷為：

（2）模擬運營載荷的橫向載荷為：，其中二系簧承受的橫向載荷為：，

二系橫向止擋座承受的橫向載荷為：

（3）斜對稱載荷按5‰軌道扭曲位移量計算：

（4）電機懸掛點的靜載荷為：

電機懸掛點的動載荷：

在電機最大啟動扭矩情況下，考慮驅動裝置6.0g的垂向振動作用，分別計算垂向振動不同方向時的情形，橫向考慮5.0g振動作用，縱向向考慮4.0g振動作用。

（5）齒輪箱懸掛點的靜載荷為：

運用工況下齒輪箱吊座的懸吊載荷取：

（6）當轉向架通過小曲線時，由于前后輪對存在的縱向力使轉向架產生搖頭運動并使轉向架處于最大傾斜位置。該縱向力為：

該縱向力作用在左右輪對的兩側，并且方向相反。當有限元模型采用軸箱彈簧約束時，則在二系彈簧施加一對縱向載荷，該力大小為：

（7）運用工況下的縱向載荷為：

（8）各減震器載荷為：

（9）運用工況下的制動載荷為：，每個制動座由于附加力矩承受的載荷為：，考慮端部結構垂向加速度：±4.0g；每個制動座承受的慣性力：，，，。

2.2工況組合

運營載荷工況以UIC615-4規范中的垂向載荷、橫向載荷和斜對稱載荷為基本載荷，然后再分別疊加上其它的載荷。運營載荷工況組合如表2工況1－17所示。

3應力評定標準

模擬運用狀態的疲勞強度評定標準采用UIC615-4規范。選取構架中應力較大各點，針對計算工況1～17基于最大主應力方向簡化各點應力狀態成單軸應力狀態，計算出各點應力最大值，及應力最小值，按下式計算各點的等效平均應力及等效應力幅值：

計算出的各點等效平均應力及等效應力幅值按疲勞極限圖評定。

4構架有限元離散模型

基于ANSYS12.0有限元分析軟件，建立了構架有限元計算模型。針對構架基本由板件組焊而成結構特點，構架的主要板件離散成為三維實體單元SOLID95，一系簧座支撐及拉桿座處根據構架實際受力狀況分別離散成縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14，以便較好地模擬實際支撐情況。計算模型節點總數為879385個，單元總數為478525個，其中彈簧單元96個，實體單元478429個，構架有限元計算模型見圖1。

5約束條件和加載位置

在有限元計算模型中，約束條件采用彈性邊界。其中垂向彈性邊界施加在側梁端部的軸箱彈簧座和軸箱轉臂座上，橫向和縱向彈性邊界施加在構架側梁的轉臂座上。載荷的加載位置按照載荷的實際作用位置以節點力方式進行施加。構架有限元邊界條件如圖2。定義X軸為構架縱向軸線指向橫梁方向，Y軸為中間軸軸線，符合右手法則，Z軸垂直向上，XY平面與側梁下蓋板下表面重合。

6結果分析

6.1構架疲勞強度校核

對于工況1～17，選取構架所有節點，按上述方法在17個工況下計算出各點的平均應力及極限應力。將所有各節點等效平均應力及極限應力值點入Goodman圖進行疲勞強度評估。構架各節點疲勞強度評定結果見圖3，構架側梁主焊縫部分節點疲勞強度評定結果見圖4。

圖3，4表明：構架上所有節點均位于構架母材Goodman疲勞極限曲線內；部分節點位于焊縫疲勞極限曲線外，而這些節點均不在焊縫位置。故構架主體結構和焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.2抗蛇形減振器座疲勞強度

減振器疲勞強度的校核，考慮動載荷系數1.5，減振器座部分各節點疲勞強度Goodman疲勞評定結果見圖5。圖示表明：抗蛇形減振器座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.3機及齒輪箱座疲勞強度

電機及齒輪箱座疲勞強度的校核，在電機額定扭矩情況下，考慮驅動裝置6.0g的垂向振動、5.0g的橫向振動、4.0g的縱向振動作用，各焊縫節點疲勞強度Goodman疲勞評定結果見圖6，個別節點位于焊縫疲勞極限曲線外，而這些節點均不在焊縫位置。圖示表明：電機及齒輪箱吊掛座焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.5抗側滾扭桿座疲勞強度

焊縫節點疲勞強度Goodman疲勞評定結果見圖7。圖示表明：所有節點均位于母材疲勞極限曲線內，抗側滾扭桿座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

6.6制動座疲勞強度

各焊縫節點疲勞強度Goodman疲勞評定結果見圖8。圖示表明：所有節點均位于母材疲勞極限曲線內，制動座及焊縫疲勞強度滿足設計要求。

7結語

參照UIC615-4規范，對通勤車動車轉向架構架進行了有限元強度分析，結果表明：（1）在模擬運用載荷作用下，通過對構架所有節點的17種載荷工況的分析，動車轉向架構架各節點的應力幅值均不超過材料和焊縫的Goodman疲勞極限圖，滿足疲勞強度要求。（2）構架上主要各安裝吊掛座能夠滿足疲勞強度設計要求。

參考文獻：

[1]上海鐵道學院主編.車輛強度計算理論[M].北京：中國鐵道出版社，1981：126.

[2]趙建民.轉向架構架的強度分析與可靠性評價[J].機車車輛工藝，1992，（4）：14.

[3]SehabertHansM．，MoserC．NaehweisderBetriebs-festigkeitvonDrehgestellenmadderenBauteilenaufdemSchwingungsprtifstand．·GesamtwirkungundwirtschafticheAspekte[J].ZEV+DETGlas．Ann.124（2000）4.291～296.