空軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析

貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郭 雷

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析的目的是為了確定轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用載荷作用下具有的承載能力，保證其在使用期間的安全性和可靠性；與此同時(shí)應(yīng)盡可能減小轉(zhuǎn)向架及其各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)自重，才能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

目前，構(gòu)架強(qiáng)度分析方法主要采用經(jīng)典的力學(xué)方法和有限元法。對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的零部件，用材料力學(xué)方法即可獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但是對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，目前應(yīng)用比較廣泛的分析方法是采用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。本文即是采用CATIA中自帶的ANSYS功能對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

表1 空中軌道列車的主要參數(shù)

利用CATIA軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行建模和對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。如圖1和圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架CATIA模型

圖2 CATIA網(wǎng)格劃分

1.構(gòu)架靜強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度分析中涉及的計(jì)算載荷和計(jì)算載荷工況根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）規(guī)程UIC 615-4-2003《Motive power units-Bogies and running gear-Bogie frame structure strength tests》（《動(dòng)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)》）確定。

2.超常工況下載荷靜強(qiáng)度分析

這是為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用過程中，在最大超常載荷作用下，構(gòu)架到底會(huì)不會(huì)發(fā)生永久變形，在這同時(shí)就需要對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改等。

超常工況載荷試驗(yàn)為全載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的任何點(diǎn)不得超出材料的許用應(yīng)力，試驗(yàn)載荷撤去后，構(gòu)架不得有任何永久變形。該試驗(yàn)中不模擬作用在轉(zhuǎn)向架上的慣性力（即不模擬牽引力和制動(dòng)力），因此，為平衡車輪上的力而在二系懸掛裝置（包括空氣彈簧和橫向止檔）上施加了較大的橫向力，試驗(yàn)中如果位于二系懸掛裝置（包括空氣彈簧和橫向止檔）上方的部件應(yīng)力超出了材料的彈性極限，應(yīng)將橫向力減半后重新試驗(yàn)。

試驗(yàn)載荷定義如圖3所示。

圖3 超常工況靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷施加示意圖

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的垂向靜載荷：

式中：

Q—轉(zhuǎn)向架軸重，取Q=7500kg；

nb—轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取nb=2；

β—垂向動(dòng)載荷系數(shù)，取β=0.4；

m+—轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，取m+=4600kg。

代入式(1)，求得：

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的橫向載荷：

式中：

mv—空車整備質(zhì)量（裝載相應(yīng)的燃料和水），取mv=8455kg；

c1—人員質(zhì)量，取c1=75×70=5250kg；

nb—轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取nb=2；

ne—每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)數(shù)量，取ne=2。

帶入式(2)，求得：

橫向載荷施加的位置包括轉(zhuǎn)筆定位銷和搖枕安裝座的地方。

經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)臂定位座所收的橫向力大概為F=/2=21203.8375。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的扭曲載荷：

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架裝有一系和二系懸掛裝置，根據(jù)根據(jù)UIC 615-4-2003《動(dòng)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)》，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受的扭曲載荷為線路最大扭曲載荷的10‰，可以在一系螺旋鋼彈簧處施加轉(zhuǎn)向架固定軸距的10‰的位移等效代替，即1.84×10‰=0.0184m。而一系彈簧的橫向剛度為5MN/m，所以扭轉(zhuǎn)載荷為：

在超常工況載荷靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中不模擬縱向載荷。在異常場(chǎng)合，系數(shù)1.4可增加到2，即此時(shí)的工作情況被視為特殊情況的時(shí)候。

3.模擬運(yùn)營(yíng)工況下載荷靜強(qiáng)度分析

這是為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架在實(shí)際主要運(yùn)營(yíng)載荷的作用下，構(gòu)架到底會(huì)不會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋等情況（垂直和橫向力、線路扭曲的影響）。

試驗(yàn)裝配中應(yīng)該允許在實(shí)際運(yùn)用中在任何可能發(fā)生載荷的位置都要施加載荷，并同時(shí)能模擬懸掛裝置以及轉(zhuǎn)向架與車體之間連接件的運(yùn)動(dòng)和自由度。在安裝牽引電機(jī)后，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架需要接受各種載荷組合，以便模擬車體垂直運(yùn)動(dòng)（浮沉運(yùn)動(dòng)）引起的垂向力的動(dòng)態(tài)變化和車體側(cè)滾引起的垂向力的動(dòng)態(tài)變化。

試驗(yàn)載荷定義如圖4所示。

圖4 模擬運(yùn)營(yíng)工況靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷施加示意圖

（1）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的垂向靜載荷

（2）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的垂向動(dòng)載荷

車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)引起的垂向力的動(dòng)態(tài)變化，它的垂向力百分?jǐn)?shù)用α來表示，即，取α=0.1；車體的吹響運(yùn)動(dòng)（浮沉運(yùn)動(dòng)）引起的垂向力的動(dòng)態(tài)變化，他的垂向力百分?jǐn)?shù)用β表示，即βFz，取β=0.2.如果所知道的線路質(zhì)量非常差的時(shí)候，或者是加入車輛工作在超高非常不足的線路上，則這些值可以取得更大一些。但是懸掛式列車的的工作線路一般來說都是比較好的，所以就按α=0.1和β=0.2來取。

齒輪箱所傳遞給安裝座的載荷是按齒輪箱重量在乘以三，所以：

（3）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的橫向載荷

式中m+為轉(zhuǎn)向架重量，取m+=4600kg。

帶入式中(4)，求得：

（4）轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的扭曲載荷

本文中的轉(zhuǎn)向架裝有一系和二系懸掛裝置，所以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受的扭曲載荷為線路最大扭曲載荷的10‰，可以在一系彈簧處施加轉(zhuǎn)向架固定軸距的10‰的垂向位移等效代替，即1.84×10‰=0.0184m。

（5）載荷工況及載荷組合

在不考慮縱向載荷（即不考慮牽引設(shè)備和制動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的附加載荷）的情況下，根據(jù)以上計(jì)算的各種載荷，的到基于靜強(qiáng)度理論的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況的組合，如表2表示。

表2 載荷工況及載荷組合

將各載荷計(jì)算結(jié)果帶入表2，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 載荷工況及載荷組合（力/N）

4.邊界條件

在施加載荷之前，需要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行添加約束條件，在四個(gè)一系彈簧處需要施加一個(gè)垂向約束和橫向約束，由于還要考慮扭曲載荷，所以還需要在四個(gè)導(dǎo)向輪的安裝座處加上橫向約束。

5.小結(jié)

本章通過CATIA對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行三維建模，在利用CATIA本身自帶的的ANSYS功能，先對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，并且通過分析計(jì)算，計(jì)算出了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度分析涉及的種種載荷大小和載荷工況的不同組合。在進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的時(shí)候，需要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行添加邊界條件，本章節(jié)講述了怎么給轉(zhuǎn)向架構(gòu)架添加邊界條件，為后面的強(qiáng)度分析的方針計(jì)算提供的夯實(shí)的前期支撐。也是很必要的一個(gè)關(guān)鍵步驟。