基于40 t軸重轉向架側架的可靠性分析

許　萬， 李　炯,2

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 中車長江車輛有限公司， 湖北 武漢 430212)

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基于40 t軸重轉向架側架的可靠性分析

許萬1， 李炯1,2

(1 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 中車長江車輛有限公司， 湖北 武漢 430212)

貨車側架是鐵路貨運轉向架的一個關鍵部分，側架的可靠性不僅直接關系到轉向架合格與否，甚至攸關車輛運行安全。以轉向架側架組成為研究對象，依據AAR標準中鑄鋼轉向架側架確定的40 t軸重轉向架B+級鋼鑄造側架的相關技術要求，通過建立三維建模，采用ANSYS11.0有限元軟件對該側架的可靠性、安全性進行評估分析。

側架； 三維建模； 有限元； 可靠性

轉向架作為支撐鐵路貨車車體的走行部件，不僅增加了車體長度和載重，而且承受并傳遞從車體至輪對之間、輪軌至車體之間的載荷。側架在轉向架中起到不可替代的作用，是整個轉向架的基礎，各零部件通過側架組成一個整體。建立數學模型、評估分析側架的性能指標可以為鐵路貨車降低運行事故、提高車輛質量提供一套完整的檢測方法。

1　轉向架側架組成分析

1.1側架組成的結構

轉向架一般包含輪對組成、側架組成、制動裝置、軸箱懸掛裝置、搖枕組成、旁承裝置等幾個部分。轉向架承載車體在軌道上運動時，側架承載和傳遞來自各個地方的作用力和載荷。同時側架的結構、尺寸、形狀應該滿足彈簧減震裝置、制動裝置等的設計組裝要求。一般來說，側架兩側梁縱向中心線間的距離和輪對軸頸中心距是一致且固定的。轉向架及側架組成實物如圖1、圖2所示。

圖 1　轉向架

圖 2　轉向架側架組成

常見的側架組成由側架立柱磨耗板、側架、滑槽磨耗板等組合而成。側架立柱磨耗板材質一般為45鋼，用折頭螺栓、防松螺母將其緊固于側架上，同時與側架上下連接部位加以焊接。導框搖動座底面為圓弧形，承載鞍頂面也是圓弧形，兩圓弧形成滾動副，使側架像吊桿一樣具有擺動的功能，提高了車輛的橫向性能。通過Pro/E建立轉向架及側架組成的三維模型如圖3、圖4所示。

1-側架；2-輪對；3-中央懸掛及組合式斜楔；4-搖枕；5-軸箱懸掛裝置；6-TMX單元制動裝置；7-彈性旁承圖 3　轉向架三維模型及構造

1-立柱磨耗板；2-滑槽磨耗板；3-側架圖 4　側架組成三維模型及構造

1.2側架承受載荷方式

側架與輪對、軸箱之間有3種載荷傳遞方式：1)轉向架的每側有均衡梁，呈縱向布置。均衡梁兩端支于前后兩個軸箱上，均衡梁上有彈簧和彈簧座，側架組成由彈簧支承[1]；2)側架組成全部由軸箱頂部的彈簧支承；3)軸箱兩側有彈簧托盤，側架組成由彈簧托盤上的軸承彈簧支承。

2　設計載荷與設定標準

按照平均數假設每個轉向架輪對及承載鞍重3156 kg, 則每側架彈簧承臺上的垂直靜載荷

F/kN= (2×40000-3156)×9.8/2=376.5

轉向架每側有均衡梁，可假定側架組成由均衡彈簧支承，受兩個垂向約束和中心載荷(圖5)。

圖 5　側架組成承受載荷及約束示意圖

3　側架運行過程中可靠性指標分析及標準設定

3.1靜強度設計載荷工況與設定標準

靜強度設計載荷工況與評定標準如表1所示，其中垂向載荷1.5F施加在彈簧承臺上橫向載荷0.4F施加在側架立柱邊緣。，

表1　受力分析及標準設定

3.2疲勞載荷評定與載荷情況分析

3.2.1疲勞載荷求解及驗證要計算轉向架側架的疲勞強度，即求解側架在貨車每個廠休和段休期之間運行過程中受理論計算交變載荷次數后而不發生結構性故障的最大應力[2]。通常情況下，采用應力-壽命法進行求解：1)先要計算求解側架在運動過程中承受的縱向載荷和橫向載荷；2)按照搖枕側架運行條件下以載荷從小到大漸變順序進行加載；3)一般情況下可采用非對稱循環公式對單個側架進行疲勞估算，然后用Goodman方程驗證試驗結果的準確性，即

(1)

貨車運行工況對轉向架側架的材料要求很高，包括側架鑄件在內的立柱摩耗板、滑槽摩耗板、導框摩耗板等部件組成都要求為AAR標準下的B+級鋼，僅下心盤允許采用非金屬材質。以側架使用的B+鑄鋼S-N曲線為基準值進行應力分析，缺陷系數按照通用標準取定為1.5(在正常鑄造件合理范圍內)進行計算[3]。

3.2.2疲勞載荷工況及標準值由于疲勞受載條件下失效破壞是機械零部件失效的主要形式，而且轉向架側架對整個車體和車輪都有保護作用，一旦受到破壞就容易導致行車安全事故，所以取值都按照最大應力進行標定。轉向架側架的垂向受載荷范圍取定0～2.4F，按照運動過程中需要考慮其他非車輛本身因素的影響取為240 MPa；內外兩面的疲勞極限取值為300 MPa；左右兩邊的扭矩位置即平面力偶取值為200 MPa。詳細設定如表2所示。

表2　疲勞載荷分析及基準取定

3.2.3側架組成的加載模型側架組成加載方法如圖6所示，即對側架組成進行垂直加載、施加扭轉載荷、橫向加載。

1-扭轉和橫向載荷；2-垂直載荷；3-垂直載荷塊；4-架載梁圖 6　側架組成加載模型示意圖

3.3剛度設定標準

剛度評定的載荷工況與考核標準如表3所示。

表3　剛度評定的載荷工況與考核標準

4　建模求解

4.1建模思路

對轉向架單邊側架組成進行三維建模，然后導入ANSYS11.0中，通過虛擬運行所有負載，分析結果并得出結論。建模過程如圖7所示。

圖 7　側架組成三維建模過程圖

4.2有限元離散模型

按照建模步驟對轉向架側架進行有限元分析，利用軟件網格劃分功能對虛擬三維模型進行網格化(圖8)。

圖 8　側架結構離散網格模型

同時在側架兩邊軸承位置添加2個模擬約束，在側架中間添加中心載荷以模擬現實環境。具體數據如表4所示。

表4　模型統計數據

5　應力計算結果及強度評價

5.1靜強度計算結果及評價

在側架結構模型上施加表1中所列載荷工況，VON-MISES應力計算結果及靜強度評價見圖9。通過分析可知，最大應力134.6 MPa,出現在彈簧套筒邊緣處，該值小于B+級鑄鋼側架的許用應力評定標準(許用應力為151.2 MPa)[4]，故認為側架靜強度滿足設計要求。

圖 9　靜強度設計載荷下的應力計算

5.2疲勞強度計算結果及評價

按照疲勞強度設定環境和加載情況進行模擬加載，計算結果如圖10所示。轉向架側架垂向、縱向載荷一起加載情況下，最大應力值為200.1 MPa，小于給定的240 MPa，分析判斷40 t軸重轉向架側架滿足缺陷系數下通過37.5萬次的疲勞試驗。

圖10　疲勞試驗載荷工況下的應力計算結果

5.3剛度計算結果及評價

各載荷下撓度計算結果及評定見表5和圖11。通過分析可知，在橫向載荷及垂直載荷下，最大撓度均小于規定值，剛度滿足設計要求。

表5　最大撓度及評定

(心盤垂向載荷2.14F下的撓度)　(橫向載荷0.57F下的撓度)圖11 剛度評定載荷工況下的變形計算結果

6　結束語

本文以鐵路運輸車輛轉向架上關鍵部件側架組成為對象，模擬現實運行過程中的條件，給定一定參考標準的載荷、疲勞強度和剛度指標等，通過建立三維模型導入ANSYS11.0軟件進行虛擬運行，檢驗在一定條件下側架組成各項與可靠性、安全性直接相關的性能指標[5]，經分析靜強度、疲勞強度的建模，最大應力值分別為134.6 MPa、200.1 MPa，剛度的最大建模撓度分別為2.44 mm和1.30 mm，在理論設定載荷和標準取值范圍內，側架可靠性滿足運行需求，結果可靠。同時這種建模方法可以運用到各大、中型機械制造型企業的零部件生產檢驗過程中。

[1]嚴雋耄, 傅茂海. 車輛工程[M]. 北京:中國鐵道出版社, 2011 :30-36.

[2]李英民, 韓軍, 劉立平. ANSYS在砌體結構非線性有限元分析中的應用研究[J]. 重慶建筑大學學報, 2006, 28(5):90-96.

[3]陳磊. 基于ANSYS的鋼筋混凝土結構試驗有限元分析[D]. 西安:西安理工大學, 2004.

[4]谷葉水. 客車車身骨架結構有限元分析與研究[D]. 合肥:合肥工業大學, 2005.

[5]楊志慧. 汽車發動機機體有限元分析[D]. 武漢:武漢理工大學, 2007.

[責任編校： 張眾]

Reliability Analysis of the Side Frame Based on 40t Axle Load

XU Wan1, LI Jiong1, 2

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China；2CRRCYangtzeCo,.Ltd,Wuhan430212,China)

Side frame is a critical part of the railway freight bogies. Reliability of side frame is directly related to the bogie qualified or not, and even directly with the safety of freight operation. This paper takes the bogie side frame as the study objects. Based on the relevant technical requirements of B + grade steel casting side frame from AAR standard cast steel 40t axle load bogie side frame and through the establishment of three-dimensional modeling and using finite element software ANSYS11.0, it analyzes and assesses the reliability and safety of the side frame.

side frame; three-dimensional modeling; FEM; reliability

2016-04-22

許萬(1979-)， 男，湖北武漢人，工學博士，湖北工業大學副教授，研究方向為網絡化控制系統,運動控制等

李炯(1988-)，男，湖北黃岡人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為機電一體化，過程控制等

1003-4684(2016)04-0007-04

TP29

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