西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析

張凱函 李 強(qiáng) 楊廣雪

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

轉(zhuǎn)向架是地鐵車輛最關(guān)鍵的部件之一，其性能對(duì)車輛的走行品質(zhì)和安全性具有重要影響。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析是十分必要的。

本文是在了解西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的基本組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷來源，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定計(jì)算載荷；然后利用Hypermesh軟件對(duì)構(gòu)架實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再利用有限元分析軟件Ansys對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行有限元分析；最后參照UIC規(guī)程對(duì)構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)定，確定其是否滿足強(qiáng)度要求。

1 西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

1.1 模型

構(gòu)架為H形構(gòu)架，主要由側(cè)梁、橫梁和縱向輔助梁等組成，如圖1所示。

圖1 西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架實(shí)景圖

綜合考慮整體的計(jì)算精度及計(jì)算量，選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體作為分析模型進(jìn)行離散化。考慮構(gòu)架模型的實(shí)際組成情況，計(jì)算主要采用三維實(shí)體單元和彈簧單元建模，采用映射網(wǎng)格和自由網(wǎng)格兩種網(wǎng)格生成方式。整個(gè)計(jì)算模型離散出三維四面體實(shí)體網(wǎng)格單元346 938個(gè)，節(jié)點(diǎn)112 099個(gè)。其有限元模型離散情況如圖2所示。

圖2 西安地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架三維實(shí)體網(wǎng)格離散示意圖

1.2 構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度方面，已形成了以UIC 615－4規(guī)程和JISE 4208《鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)通用條件》為代表的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)體系。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定一般包括三方面的內(nèi)容，即：作用載荷的分析確定，靜強(qiáng)度分析與評(píng)定，疲勞強(qiáng)度分析與評(píng)定。作用在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的載荷主要有超常載荷、運(yùn)營載荷和特殊載荷。

根據(jù)UIC 615標(biāo)準(zhǔn)，確定構(gòu)架的基本載荷模式，設(shè)計(jì)了22個(gè)計(jì)算工況，其中包括5個(gè)超常載荷工況、4個(gè)特殊載荷工況和9個(gè)運(yùn)營工況。表1、表2、表3列出了3種載荷類型下的工況。

表1 模擬超常載荷作用下工況組合表

表2 模擬特殊載荷作用下工況組合表 kN

表3 模擬運(yùn)營載荷作用下工況組合表

2 模擬應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在超常載荷組合工況下，構(gòu)架上最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況5的彈簧座與側(cè)梁下蓋板連接焊縫部（見圖3），最大值為145.457MPa。

在特殊載荷的組合工況中，構(gòu)架上最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)向架緊急制動(dòng)工況下，橫梁與電機(jī)吊座過渡處，其值為314.763MPa。

在運(yùn)營載荷工況下，構(gòu)架上最大應(yīng)力發(fā)生在第9工況作用下的制動(dòng)夾鉗座圓弧過渡處（見圖4），其值為85.430MPa。

上述應(yīng)力均小于Q345R焊接區(qū)的屈服應(yīng)力（330MPa）及STKM13B鋼焊縫區(qū)的許用應(yīng)力（270 MPa）。

圖3 超常載荷工況5應(yīng)力云圖

圖4 運(yùn)營載荷工況9應(yīng)力云圖

通過Ansys軟件計(jì)算，在模擬運(yùn)營載荷工況下，第3工況和第9工況的應(yīng)力差最大。這個(gè)組合工況也是構(gòu)架上容易發(fā)生最大動(dòng)應(yīng)力幅值的工況。圖5為第3工況和第9工況疊加后的平均應(yīng)力云圖，即在豎直靜載荷作用下構(gòu)架上的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力發(fā)生在牽引拉桿座頂板與橫梁連接根部，其值為62.226MPa；圖6、圖7為構(gòu)架整體及其大應(yīng)力部位的局部動(dòng)應(yīng)力幅值云圖。表4列出了大應(yīng)力區(qū)的平均應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力幅值，是基于焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況下應(yīng)力的分布狀況，選出一些關(guān)鍵部位作為驅(qū)動(dòng)工況和制動(dòng)工況疲勞強(qiáng)度評(píng)估的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖5 運(yùn)營載荷下第3、9工況疊加后的平均應(yīng)力云圖

圖6 運(yùn)營荷載下構(gòu)架整體動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

圖7 運(yùn)營荷載下構(gòu)架大應(yīng)力部位的局部動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

3 疲勞強(qiáng)度評(píng)估

疲勞強(qiáng)度采用古德曼（Goodman）疲勞極限圖進(jìn)行評(píng)價(jià)。將表4中列出的構(gòu)架大應(yīng)力區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力點(diǎn)入構(gòu)架相應(yīng)材料母材／焊接接頭的疲勞極限圖中（見圖8）。由圖8可見，側(cè)梁區(qū)大應(yīng)力部位焊縫處的動(dòng)應(yīng)力幅值均未超出Q235B／Q345R鋼疲勞極限圖中對(duì)接焊縫的疲勞極限，且安全裕度較高。橫側(cè)梁連接區(qū)、橫縱梁連接區(qū)及各吊座與橫梁連接區(qū)是構(gòu)架上動(dòng)應(yīng)力幅值較高的部位。其中齒輪箱吊座立板與橫梁連接處焊縫部位的動(dòng)應(yīng)力幅值已接近STKM13B材料疲勞強(qiáng)度極限圖中未修磨焊縫的疲勞極限，故對(duì)該部位的焊縫應(yīng)充分關(guān)注，應(yīng)確保其焊接質(zhì)量，并仔細(xì)修磨，以提高其疲勞強(qiáng)度。

圖8 疲勞極限圖

4 結(jié)語

1）采用Ansys程序模擬計(jì)算了西安地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常載荷、特殊載荷、運(yùn)營載荷工況下的最大應(yīng)力值。模擬結(jié)果表明，在超常載荷工況下，構(gòu)架上最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況5彈簧座與側(cè)梁下蓋板連接焊縫部，最大值為145.457MPa；在特殊載荷工況下，構(gòu)架上最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁與電機(jī)吊座過渡處，其值為314.763MPa；在運(yùn)營載荷工況下，構(gòu)架上最大應(yīng)力發(fā)生在第9工況作用下的制動(dòng)夾鉗座圓弧過渡處，其值為85.430MPa。

2）根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，利用古德曼疲勞極限圖對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)估。結(jié)果表明，焊縫處的動(dòng)應(yīng)力幅值均未超出Q235B／Q345R鋼疲勞極限圖。該構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度的要求，故此地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架符合疲勞強(qiáng)度安全要求。這可為工業(yè)生產(chǎn)的安全性提供理論參考依據(jù)。

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