250 km/h動車組轉(zhuǎn)向架鋼板焊接結(jié)構(gòu)枕梁研制

盧 權(quán)，陳鳳艷，曹 舜

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035）

250 km/h動車組轉(zhuǎn)向架鋼板焊接結(jié)構(gòu)枕梁研制

盧 權(quán)，陳鳳艷，曹 舜

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035）

介紹了新研制的速度250 km/h城際動車組轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)、鋼板焊接結(jié)構(gòu)枕梁的基本特點(diǎn)及有限元分析計(jì)算。

250 km/h動車組；焊接枕梁；有限元計(jì)算

250 km/h動車組轉(zhuǎn)向架鋼板焊接結(jié)構(gòu)枕梁是以CRH3型動車組為基礎(chǔ)，按照模塊化、系統(tǒng)化、譜型化要求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的。枕梁的功能是連接車體和轉(zhuǎn)向架，主要承受和傳遞車體與轉(zhuǎn)向架的力，同時(shí)作為二系懸掛空氣彈簧氣動系統(tǒng)的附加空氣室，因此枕梁的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。由于鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)枕梁，其成本較高、鑄造工藝復(fù)雜及對鑄造質(zhì)量要求較高等特點(diǎn)，不太適合城際和干線鐵路低成本、制造簡單的要求。為此設(shè)計(jì)了焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架枕梁，計(jì)算結(jié)果表明鋼板焊接結(jié)構(gòu)枕梁能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1 主要技術(shù)參數(shù)（見表1）

表1 250 km/h動車組轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

250 km/h動車組轉(zhuǎn)向架枕梁采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主要由U形上蓋板、U形下蓋板、內(nèi)外立板、左右鑄件和內(nèi)部隔板組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。此鋼板焊接結(jié)構(gòu)特征在于左右鑄件將抗側(cè)滾扭桿安裝座、抗蛇行減振器安裝座與車體支撐連接部位整體鑄造，減少了抗側(cè)滾扭桿座、抗蛇行減振器安裝座與支撐連接部位的焊縫，有效地減少了焊接變形和焊接工作量。同時(shí)這種整體鑄造結(jié)構(gòu)對車體寬度的變化適應(yīng)性非常強(qiáng)，如果車體發(fā)生變化，只需更改與車體支撐連接部位的尺寸而不用更改抗側(cè)滾扭桿安裝座的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，避免了轉(zhuǎn)向架上抗側(cè)滾扭桿組成、構(gòu)架等主體部件的型式和尺寸的變化。枕梁的中間部分為U形下蓋板、U形上蓋板、立板、隔板組成的鋼板焊接結(jié)構(gòu)，這樣可以大大縮短枕梁的生產(chǎn)周期、降低制造成本。

圖1 焊接結(jié)構(gòu)枕梁總體結(jié)構(gòu)圖

3 計(jì)算分析

計(jì)算中對模型進(jìn)行有限元離散時(shí)采用三維實(shí)體單元solid92。該枕梁及與其配合的減振器座、牽引中心銷、抗側(cè)滾扭桿和連接緊固件的總體有限元結(jié)構(gòu)離散圖如圖2所示，整個(gè)模型共離散成185 510個(gè)實(shí)體單元，341 972個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓與枕梁、減振器座、中心銷之間采用接觸單元，以模擬其之間的裝配關(guān)系。

圖2 枕梁有限元分析模型

枕梁零部件材料力學(xué)性能如表2。

表2 枕梁零部件材料性能表MPa

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 枕梁剛度

枕梁的剛度用其在剛度工況下枕梁的垂向變形值來校核，計(jì)算得到枕梁的變形最大值約為0.727 mm，位置為枕梁中部，見圖3。

圖3 枕梁變形云圖

4.2 枕梁靜強(qiáng)度分析

枕梁計(jì)算載荷及計(jì)算工況依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2637－2008《鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動臺》和UIC 615－4《動力車—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》。

枕梁計(jì)算工況按超常載荷工況和運(yùn)營載荷工況計(jì)算，計(jì)算得到的最大當(dāng)量應(yīng)力出現(xiàn)部位及相應(yīng)的許用應(yīng)力如表3所示，應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 超常載荷工況應(yīng)力最大枕梁應(yīng)力云圖

圖5 運(yùn)營載荷工況應(yīng)力最大枕梁應(yīng)力云圖

由表3可得出：

（1）超常載荷工況作用下，枕梁上的最大當(dāng)量應(yīng)力值為175.1 MPa，小于該處材料的許用應(yīng)力314 MPa，故滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（2）運(yùn)營載荷工況作用下，枕梁上的最大當(dāng)量應(yīng)力值為101.6 MPa，小于該處材料的許用應(yīng)力209 MPa，故滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表3 枕梁各載荷工況作用下的應(yīng)力MPa

4.3 枕梁疲勞強(qiáng)度分析

采用疲勞應(yīng)力因數(shù)對枕梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。根據(jù)EN 15085－3《鐵路上的應(yīng)用—鐵路車輛及其部件的焊接—第3部分：設(shè)計(jì)要求》要求，焊縫的應(yīng)力因數(shù)是根據(jù)計(jì)算出的疲勞應(yīng)力值與疲勞許用應(yīng)力值之比。由于缺少我國鐵路常用鋼材疲勞極限圖（Goodman曲線圖），因此本文采用ORE B12/RP17（82）提供的鋼材疲勞極限圖作為補(bǔ)充，并且根據(jù)枕梁各部位所用材料的不同采用不同的疲勞極限圖。

（1）對于抗拉強(qiáng)度大于230 MPa的Q345E的疲勞極限圖采用抗拉強(qiáng)度≮220 MPa的疲勞極限圖，如圖6所示。

圖6 枕梁疲勞極限圖（單位MPa）

（2）模擬運(yùn)營載荷工況分別對枕梁關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力因數(shù)進(jìn)行分析。枕梁關(guān)鍵焊縫應(yīng)力因數(shù)的分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)EN 15085－3要求，應(yīng)力因數(shù)大于0.9的，焊縫應(yīng)力等級為高；應(yīng)力因數(shù)在0.75～0.9之間，焊縫應(yīng)力等級為中級；其余焊縫應(yīng)力因數(shù)均小于0.75的，焊縫應(yīng)力等級為低。焊縫應(yīng)力等級越低，結(jié)構(gòu)的抗疲勞安全性能越好。

從表4中可以看出，只有焊縫15（筋板與外立板焊縫）的應(yīng)力因數(shù)為0.79，應(yīng)力等級為中級。其余個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)力因數(shù)均小于0.75，應(yīng)力等級較低。

表4 枕梁關(guān)鍵焊縫應(yīng)力因數(shù)分析結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）由計(jì)算結(jié)果得出枕梁的剛度較好。

（2）枕梁在超常載荷工況作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在枕梁鑄件抗側(cè)滾扭桿座下邊緣處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為175.1 MPa，小于此處材料的許用應(yīng)力209 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（3）在運(yùn)營載荷工況作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在筋板與外立板焊縫連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為101.6 MPa，小于此處材料的許用應(yīng)力209 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（4）疲勞強(qiáng)度校核，最大應(yīng)力因數(shù)為0.79，應(yīng)力等級為中級。其余各關(guān)鍵部位應(yīng)力因數(shù)均小于0.75，應(yīng)力等級較低，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

（5）該焊接枕梁完成了靜強(qiáng)度和1 000萬次疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］ UIC 615－4.動力車－轉(zhuǎn)向架和走行裝置－轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)［S］.

［2］ EN 10213－3－1996.耐壓鑄鋼件供貨條件第3部：低溫下使用的鋼［S］.

［3］ GB/T 1591－2008.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［4］ TB/T 2594－95.鐵道機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼［S］.

［5］ TB/T 2637－2008.鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動臺［S］.

［6］ 吳 麗，肖守訥，徐鳳妹.200 km/h軌檢車枕梁結(jié)構(gòu)研究［J］.鐵道車輛，2009，（10）：18-20.

Research on Welding Bolster for Bogie of 250 km/h EMU

LU Quan，CHEN Fengyan，CAO Shun
（R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

This paper introduces the main technical parameters of the new-developed bogie for 250 km/h EMU，the characteristics of welding bolster and the FEM computation.

250 km/h EMU；welding bolster；FEM computation

U266.2.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.12

1008－7842（2014）04－0055－03

?）男，碩士研究生，工程師（

2014－14－13）