機車轉向架構架有限元強度的計算

□ 吳慧仙

江蘇聯合職業技術學院常州鐵道分院 江蘇常州 213011

機車轉向架構架是機車最為關鍵的部件之一，其性能的好壞對機車的走行品質和安全性能有重要影響。近年來，有限元技術在結構分析和優化技術方面的應用越來越廣泛，不僅大大縮短了產品的研發周期，而且有效提高了產品的質量及可靠性。

為保證某出口型機車轉向架構架的質量，縮短研發周期，運用有限元分析軟件ANSYS，對構架進行靜強度及疲勞強度計算，以求優化構架結構，確保實際運營的安全可靠。

1 構架的結構

該型機車采用兩臺三軸轉向架作為它的走行部，軸式為Co-Co，每根軸均為帶有交流牽引電機的轉軸。牽引電機采用滾動軸承抱軸懸掛，內順置布置。車輪采用全加工的進口整體輾鋼輪。另外，設計時還沿用了以往型號機車轉向架的一些成熟結構，如焊接構架、牽引桿裝置、單元制動器等。

該型號機車轉向架由構架、軸箱、輪對、旁承、牽引桿裝置、基礎制動裝置、砂箱、電機懸掛裝置、手動制動裝置、附件等組成。構架的主體是由兩根對稱結構的側梁、兩根相同結構的中間橫梁和前后端梁及各支座組成的焊接結構，其內部設置各種撐板，以提高整體剛度，改善受力情況。構架各梁的橫截面為箱型，側梁頂面含有旁承墊板和橫向減振器座，側面含有一系列垂向減振器座、側板座，底面焊有軸箱上下拉桿座、牽引裝置拐臂座，兩端焊有砂箱座，橫梁和前、后端梁底面焊有電機吊座和制動座。

2 構架的材料及受力分析

2.1 材料

構架的材料采用鋼板及各種鑄鋼座件。鋼板材料為Q345B，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3，密度為7.82 t/m3。鑄件材料為ZG25MnNi，彈性模量為202 GPa，泊松比為 0.3，密度為 7.8 t/m3。

2.2 受力情況

構架是一個受力復雜的結構部件，它不僅承受機車上部所有裝備的質量，而且還承受并傳遞機車運行中產生的各個不同方向和大小的動載荷，各方向載荷及傳遞路線如下。

垂向載荷：車體→構架旁承高圓簧→側梁→彈簧座和上拉桿座→軸箱彈簧→輪對。

橫向載荷：輪對→軸箱→軸箱彈簧和軸箱拉桿→彈簧座和上下拉桿座→側梁→高彈簧和側擋→車體。

縱向載荷：輪對→軸箱→軸箱拉桿→上下拉桿座→側梁→拐臂座→牽引桿裝置→車體。

3 有限元分析計算

3.1 分析標準

根據UIC615-4OR國際標準建立機車各工況載荷的計算方法，采用ANSYS軟件進行構架強度計算。

構架強度的計算按靜強度和動強度兩種方法進行。靜強度計算是在超常載荷作用下，結構上各點應力均不得大于材料的屈服極限和接頭的許用應力。動強度是在主要運營載荷作用下，構架結構上任意兩種載荷工況下的應力差及平均應力在相應材料和接頭的Goodman曲線的界限內。

3.2 構架有限元模型建立

有限元模型是在Pro/E三維模型的基礎上，對細節做了刪除簡化后，導入ANSYS軟件進行幾何處理并劃分網格。整個鋼結構全部采用線性實體單元劃分網格，網格密度很高，單元總數達到40萬，節點總數達12萬，有限元模型如圖1所示。

▲圖1 有限元模型

3.3 計算工況

（1）超常載荷工況計算。根據UIC615-4OR國際標準，作用在每根側梁上的垂向載荷為：

式中：nb為轉向架數；mv為整備狀態下機車質量，t；c1為超常商用載荷，kg；m+為轉向架質量，t。

作用在每個構架上的橫向載荷為：

式中：ne為每轉向架軸數。

由式（1）、（2）計算出在超常載荷下 4 種工況結果，見表1。

（2）主要運營載荷工況的計算。在主要運營載荷工況計算中，轉向架構架需要接受各種載荷組合，以便模擬：車體垂直運動（浮沉振動）引起的垂直力的動態變化，用垂直力的百分比β來表示，βFz；車體側滾引起的垂直力的動態變化，用垂直力的百分比α表示，αFz。一般情況，在歐洲鐵路的正常運營條件下：α=0.1，β=0.2。根據UIC615-4OR國際標準規定，共組合出13種工況，見表2，以便更好地模擬構架受力情況。

①垂向力。

表1 超常載荷工況表（各工況都包含重力加速度）

其中：c2為機車計算中超常商用載荷，與c1相同。

②電機垂向靜載荷為牽引電動機的簧上質量，其值為8 330 N。

③橫向力。

該載何由旁承墊板和側擋座共同承擔。由4個旁承墊板承受的橫向載荷為：4×20 mm×133 N/mm=10 640 N，作用在旁承墊板上。其余橫向力由側擋座承擔：136 210-10 640=125 570 N。側擋座面積：28 456 mm2，則壓力為：125 570/28 456=4.4 MPa。

④ 軌道扭曲為5‰，在此，暫按照2×軸距×5‰=2×1 800×5‰=18 mm 計算。

4 計算結果及評價

4.1 超常載荷工況下的計算結果及靜強度評價

4種超常載荷工況（見表1）下的應力云圖如圖2～圖5所示。

表2 主要運營載荷工況表

表3 超常載荷工況下計算結果

▲圖2 第1工況應力云圖

▲圖3 第2工況應力云圖

▲圖4 第3工況應力云圖

▲圖5 第4工況應力云圖

▲圖6 主要運營第1工況應力圖

▲圖7 主要運營第2工況應力圖

超常載荷工況計算的各個工況下最大應力結果見表3。

由表3可見，各工況下的最大應力都不超出許用應力，因此，該構架滿足靜強度要求。

4.2 主要運營載荷工況下的計算結果及疲勞強度評價

（1）計算結果。圖6、7分別是主要運營載荷第一、第二工況下計算結果的Vonmises應力圖，從圖中可看出應力分布情況和最大應力位置。另外11個主要運營載荷工況下的應力通過同樣分析得出應力圖，最大應力值為97.379 MPa。

▲圖8 鋼板材料的疲勞極限圖

（2）疲勞強度評價。通過13個主要運營載荷工況下的計算結果，找出每一個單元在13個工況下的σ1max和 σ3min值（注：σ1為最大主應力，σ3為最小主應力），計算出每個單元的平均應力：

以平均應力σave為橫坐標，分別以σ1max和σ3min為縱坐標，在疲勞極限圖中畫出每個單元的應力點，這些點應該位于相應材料的疲勞極限區域中。

鋼板材料為Q345B，取屈服強度σS=345 MPa，抗拉強度σb=510 MPa，疲勞極限強度σ-1=220 MPa（按0.43σb計算）。評價鋼板材料的強度時取安全因子S=1.5，評價對接焊縫區時取S=1.65，評價其它類型的焊縫區時取S=1.7，鋼板材料的疲勞極限圖如圖8所示。

由圖8可以看出，有應力點位于其它焊縫的許用應力區域之外，是2個單元的應力點。經查找，該單元位于后橫梁兩側的制動座上蓋板與側梁下蓋板的焊接部位（如圖9所示）。由于橫向力的作用，右側制動座上蓋板受到了擠壓，左側制動座上蓋板受到了拉伸。當構架受到左右交變的橫向力作用時，制動座上蓋板與側梁下蓋板的焊接部位的疲勞應力較高。從結構上分析，由于制動座的上蓋板與側梁的下蓋板焊接在一起，使構架在受到橫向力作用時的彎曲受到了限制，所以其應力較大。

鑄鋼材料為 ZG25MnNi， 取 σS=260 MPa，σb=485 MPa，σ-1=209 MPa（按 0.43σb計算）。 評價鑄鋼材料的強度時取安全因子S=1.5，評價焊縫區時取S=1.7，經過對構架鑄鋼材料的疲勞強度分析，得出所有單元的應力都不超出許用應力。

5 結論

▲圖9 疲勞極限超出部位

通過運用有限元ANSYS軟件分析計算，得出整個構架靜強度滿足要求。通過進一步的疲勞強度分析，發現構架后部的制動座上蓋板與側梁下蓋板的連接處，在主要運營載荷工況下應力超出了疲勞極限。因此應設法改善制動座上蓋板與側梁下蓋板之間的連接，以降低其受橫向載荷作用時的應力。

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