30 t軸重電力機車轉向架構架的靜強度與疲勞強度分析及模態分析

楊 萌，李 強，彭永明，馬呈祥

（1 北京交通大學 機電學院，北京100044；2 大同電力機車有限責任公司，山西大同037038）

30 t軸重電力機車轉向架構架的靜強度與疲勞強度分析及模態分析

楊 萌1，李 強1，彭永明2，馬呈祥2

（1 北京交通大學 機電學院，北京100044；2 大同電力機車有限責任公司，山西大同037038）

依據UIC 615-4規程的有關內容對設計的30 t軸重機車轉向架構架強度進行校核分析，計算了轉向架構架在超常工況和模擬運營工況下的載荷，采用Hypermesh軟件對三維實體模型進行結構離散化，再利用ANSYS軟件對轉向架構架的靜強度和疲勞強度以及模態進行分析。計算結果表明，該轉向架構架能夠滿足車輛運營要求。

轉向架構架；強度分析；模態分析

實現重載運輸有兩個有效途徑，一是設計多軸轉向架，二是增大軸重。跟隨國內鐵路行業發展重載貨運的趨勢，大同電力機車有限責任公司設計開發了新型30t軸重交流傳動電力機車轉向架。轉向架構架是車輛的重要部件之一，它直接承載車體質量，保證車輛順利通過曲線。轉向架的各種參數直接決定了車輛運行的平穩性、曲線通過安全性和乘坐舒適度。

本文參照UIC 615-4規程的有關內容，確定強度計算載荷和強度評估方法，構架應力計算采用美國ANSYS公司商業版ANSYS11.0軟件進行。研究構架在超常工況下的靜強度和模擬運營工況下的疲勞強度，經過計算，得出構架滿足強度條件的結論。

1 構架模型簡介

1.1 構架結構特點

為了適應大軸重的運營情況，優化動力學性能，轉向架構架放棄了3大件式構架形式，由兩根左右對稱的側梁、端梁、牽引梁和中央橫梁組成準構架結構，整體呈“日”字形。側梁、牽引梁、中央橫梁和端梁均為采用上下蓋板和立板焊接起來的箱形梁，梁內部適當位置布有筋板。

機車轉向架為兩軸驅動。采用二系懸掛，一系懸掛使用鋼圓彈簧配合垂向減振器，二系懸掛使用橡膠堆傳遞垂向載荷，并配有橫向減振器。軸箱采用雙拉桿定位方式。交流電機和齒輪傳動系統組成驅動單元，一端通過電機吊桿連接在中央橫梁上，另一端固定在抱軸箱上。中央橫梁電機吊座旁還設置有防脫落裝置吊座。牽引梁上設計有錐形牽引座，牽引拉桿固定在上面完成牽引。考慮到大軸重貨運車輪磨損較嚴重，采用輪盤制動，制動吊座安裝在牽引梁和端梁內側立板上。

1.2 構架有限元模型

使用Hypermesh軟件對構架三維實體模型進行離散化，共劃分單元160 363個，節點89 662個。箱型梁各板材使用板殼單元shell63，各種設備吊座使用實體單元solid45。電機質心位置創建質心單元mass21，用剛性連接單元rigid與相應的電機吊座位置進行連接。在軸箱彈簧座和轉臂橡膠節點處使用彈簧單元combin14模擬彈簧及橡膠堆各向剛度，自由端約束。設置材料屬性：彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3。離散模型見圖1所示。

圖1 構架的有限元模型

2 載荷、工況的確定及計算結果

構架的主要參數見表1

表1 構架的主要參數

參照UIC615-4規程的計算方法，并根據具體的結構參數來確定超常載荷和模擬運營載荷。構架載荷分布情況如圖2所示。

圖2 構架載荷分布

2.1 超常載荷與工況

超常載荷是指車輛運用中可能發生的最大載荷，用來驗證構架在運行中可能承受的最大載荷共同作用時，是否有發生持久變形的危險。

它主要包括：

（1）垂向載荷：作用在二系懸掛安裝座上，考慮動載系數k。

（2）橫向載荷：由二系懸掛安裝座和一個橫向止擋共同承擔。

其中，每個二系懸掛安裝座上的橫向力：

Fy＿Ss＝二系懸掛橫向剛度×（橫向止擋自由量＋橫向止擋最大壓縮量）＝21.9kN

（3）縱向載荷：作用在牽引座錐形柱外表面。機車整車起動牽引力894kN，則每個轉向架上受到的縱向力

（4）軌道扭曲：在一輪的情況下軌道扭曲量取Dpz或者在兩輪情況下對角位置取Dpz/2。

2.2 超常載荷作用下計算結果

分別計算各載荷單獨作用時以及組合工況下的應力分布情況，結果統計于表2。應力分布如圖3～圖6所示。

表2 各載荷單獨作用時應力結果統計MPa

對于各超常載荷工況，最大應力出現在垂向載荷（k＝2）時，為228.07MPa，在超常載荷組合工況下（垂向載荷取k＝1.4時），最大應力為224.01MPa。

圖3 垂向載荷單獨作用時應力分布云圖

圖4 橫向載荷單獨作用時應力分布云圖

圖5 縱向載荷單獨作用時應力分布云圖

圖6 軌道扭曲載荷單獨作用時應力分布云圖

圖7 超常載荷組合工況最大應力位置

在超常載荷單獨作用工況和組合工況下，最大應力位置均出現在軸箱彈簧支撐座上，也就是垂向載荷的主要承載部位，如圖7所示。

這主要是由于大軸重對于機車轉向架，垂向載荷較其他載荷更大一些，最大應力出現的位置也由它主導。

2.3 模擬運營載荷與工況

模擬運營載荷是指車輛在實際運營中經常承受的載荷，用來驗證構架在運行中承受各項載荷共同作用時，是否有出現疲勞裂紋的危險。

它主要包括（見圖8）：

（1）垂向：作用在二系懸掛安裝座上。考慮承受車體的沉浮（β＝0.2）和側滾（α＝0.1）。

（2）橫向：由二系懸掛安裝座和一個橫向止擋共同承擔。

（3）軌道扭曲：在一輪的情況下軌道扭曲量取Dpz或者在兩輪情況下對角位置取Dpz/2。

（4）牽引：作用在牽引座錐形柱外表面。機車整車持續牽引力691 k N，則每個轉向架上受到的縱向力

（5）常用制動：采用輪盤制動方式。作用在制動裝置安裝座內孔。每個制動單元閘片與制動盤間的摩擦力為：

其中FN為制動正壓力，33 k N；α為摩擦系數，0.35。

（6）菱形扭動

（7）減振器

二系橫向減振器卸荷力11 k N，放大1.5倍為16.5 k N；

一系垂向減振器卸荷力7 k N，放大1.5倍為10.5 k N。

（8）電機慣性載荷

根據UIC615-4標準，設置模擬運營載荷的組合工況。

2.4 模擬運營載荷作用下計算結果

疲勞強度分析時，在構架結構上分別計算各運營載荷組合工況作用下不同位置的結構應力，并從中找出最大值和最小值，通過計算得出平均應力和應力幅值。

先根據構架的結構特征及應力較大位置確定一些易發生疲勞裂紋的危險位置。危險位置及應力計算結果統計于表2。

3 構架靜、動強度評估

3.1 靜強度評估方法

根據UIC 615-4標準，在超常載荷各載荷單獨和組合作用下，轉向架構架任何各點應力均不得超過超常載荷許用應力。

3.2 疲勞強度評估方法

疲勞極限應力由Haigh疲勞評價曲線圖給出，該圖以平均應力為橫坐標，以應力幅值為縱坐標，以Goodman線性經驗為基礎的簡化疲勞極限限界圖。在模擬運營載荷作用下，轉向架構架上任意兩種載荷工況所產生的應力差及平均應力應在相應材料或接頭的疲勞極限線圖的界限之內，即所考查的危險位置對應的點應在疲勞極限圖的限界之內。

表3 模擬運營載荷組合工況計算結果MPa

3.3 靜強度評估

在超常載荷各載荷單獨作用時，最大應力出現在垂向載荷（k＝2時），軸箱彈簧座支撐座立柱邊緣處，其值為228.07 MPa；超常載荷組合工況時，最大應力仍出現在這個位置，其值為224.01 MPa，它們都小于E260-450MS材料鑄件的屈服極限260 MPa。

同時，構架的大應力位置還包括側梁止擋位置內部筋板、側梁下蓋板彎曲位置邊緣等，它們的應力值也小于S500MC鋼的屈服極限500 MPa及接頭的許用應力455 MPa。

因此，該構架靜強度滿足要求。但是在制造過程中應該尤其注意這些位置的焊接質量。

3.4 動強度評估

將表3統計的12個危險位置的平均應力和動應力幅值，繪入相應的母材/焊縫及鑄件的Haigh疲勞評價曲線圖，見圖8。

可知構架及其吊座的動應力范圍均未超出Haigh疲勞評價曲線圖的界定范圍，且裕量較大。因此，該構架疲勞強度滿足要求。但是側梁下蓋板彎曲位置與內立板焊縫、橫梁內驅動單元座位置加強筋板和側梁與牽引梁位置下蓋板過渡圓弧位置動應力較大，在檢修時應多加觀察檢測。

4 模態分析

構架的模態是構架各階振型及其固有頻率的總稱，屬于構架的固有特性（即動態特性），它與構架在動態條件下的運用品質有著密切的聯系。

通過有限元分析計算構架的自由模態，表4列出了構架的前6階彈性振型及其固有頻率值。

有限元模態分析計算結果表明，構架的第一階振型特征為兩側梁反向點頭，即構架的扭轉變形，見圖9，頻率為47.6 Hz，根據動力學及模態分析原理可知構架的扭轉剛度不大，這有利于車輛適應軌道的垂向不平順。

圖8 構架材料母材、焊縫及鑄件的Haigh曲線圖

表4 構架模態分析結果

圖9 構架一階振型

5 結 論

參照UIC 615-4規程，對轉向架構架進行了靜、動強度計算、評估，分析結果如下：

（1）超常載荷工況下，最大應力為228.07 MPa，位置在軸箱彈簧座支撐座立柱邊緣，小于E260-450MS材料鑄件的屈服極限260 MPa。橫側梁板材上的各點應力也小于S500MC鋼的屈服極限500 MPa及接頭的許用應力455 MPa。該構架的靜強度滿足要求。

（2）疲勞載荷工況下，構架及其吊座的動應力范圍均未超出Haigh曲線圖的界定范圍。該構架的疲勞強度滿足要求。

（3）該構架的一階固有頻率47.591 Hz，振型特征為兩側梁反向點頭，說明構架的扭轉剛度不大，動態性能較好。

［1］ 嚴雋耄.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］ 王文靜，劉志明，李 強，等.CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析［J］.北京交通大學學報，2009，33（1）：5-9.

［3］ 馮遵委，陳德強，楚永萍.基于Hyper Works的PW80E-IV型轉向架動車構架靜強度和疲勞強度計算與分析［J］.鐵道車輛，2013，51（3）：6-9.

［4］ 杜子學，朱興高，胡啟國.跨座式單軌車輛轉向架構架模態分析［J］.機械設計與制造，2011，（11）：222-223.

Strength and Modal Analysis of 30 t Electric Locomotive Bogie Frame

YANG Meng1，LI Qiang1，PENG Yongming2，MA Chengxiang2
（1 School of Mechanical Electronic and Control engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2 Datong Electric Locomotive Co.，Ltd.，Datong 037038 Shanxi，China）

The 30 t electric locomotive bogie was verified based on UIC615-4 specification.The load under exceptional conditions and simulate operation conditions was calculated，and the FEA model was set up by Hypermesh software，then the static strength，fatigue stress and modal frequencies and modal shapes were analyzed by ANASYS software.The calculation results showed that the bogie frame met the design requirements.

bogie frame；strength analysis；modal analysis

U264.8.331＋.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.05

1008－7842（2014）03－0018－05

?）女，碩士生（

2013－12－23）