軸箱內置式車輛走行部焊接構架及其疲勞強度分析

王志明 ，陳曉峰 ，2，吳才香 ，曾 偉

（1.中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲412001；2.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲412001）

0 引言

車輛走行部是車輛安全運行的關鍵系統，而走行部構架則為該系統的關鍵部件，起著承載、傳遞牽引力與制動力、安裝所有走行部設備的作用。構架一般為鋼板焊接結構或者鑄件、鋼板組合的焊接結構，不僅要滿足走行部系統各設備的空間要求，還要滿足結構設計的疲勞強度要求。

上世紀上半葉，對轉向架構架結構的強度計算分析，主要采用結構力學方法[1]—近似法和精確力法[2]。隨著電子計算機的普及和計算方法的發展，電算法越來越受到重視。其中有限元分析法在車輛結構強度計算中得到了廣泛的應用和發展，該方法理論分析的結果和試驗結果的相對誤差可控制在10%的范圍內[3]。

目前國內城市軌道交通車輛的走行部基本都是軸箱外置式，如各個地鐵公司的A型地鐵以及B型地鐵，高速動車組，包括目前所有的客運以及貨運機車等。由于軸箱外置式走行部外部限界較寬，隨著我國軌道交通裝備的出海，現有的車輛走行部已無法滿足海外一些國家的外部限界要求，因此開發一種軸箱內置式車輛走行部顯得尤為必要，而設計出適用于軸箱內置式走行部的構架更是重中之重。然而由于軸箱內置，構架側梁跨距減小，這就要求走行部設備布置必須打破常規的布置方式。本文就是在此前提下設計出了一種用于車輛軸箱內置式走行部焊接構架，并基于Hypermesh 13.0軟件及ANASYS 14.0軟件，參照國際標準EN13749-2011[4]對其結構強度進行了有限元仿真分析，按照標準ERRI B12 RP17[5]和DVS1612[6]給出的方法驗證其是否滿足設計要求。

1 結構介紹

1.1 結構解決的技術問題

目前，大多數車輛走行部基本上是軸箱外置式，所設計的構架都是適用于軸箱外置式走行部的構架。為了滿足軸箱內置式走行部的需求，本文提供了一種軸箱內置式走行部用構架，以解決以下技術問題：

（1）滿足軸箱內置式走行部牽引裝置、電機、齒輪箱、一系懸掛、二系懸掛等部件的所有安裝要求；

（2）提供一種安全可靠的電機吊掛方式、齒輪箱吊掛方式及牽引裝置安裝方式；

（3）構架上所有的安裝孔全部采用通孔設計，避免螺紋孔滑牙后的維修問題。

1.2 構架結構

設計構架為鑄件與鋼板組合的焊接結構，該結構由兩根箱型側梁與兩個橫梁焊接而成，如圖1所示。

圖1 構架結構

構架側梁與傳統的走行部構架側梁不同，傳統的走行部構架側梁只承擔安裝兩系懸掛的作用，而該構架側梁除上述作用外還將電機吊掛座和齒輪箱吊掛座都設計在了側梁上。為電機和齒輪箱提供了一種便捷的拆裝方式，如圖1所示。

構架橫梁一為鑄件焊接結構，集成了牽引座、制動器安裝座與齒輪箱防落座。橫梁二為無縫鋼管與鑄件的焊接結構。

2 有限元強度分析

2.1 結構受力分析

依據歐洲標準EN13749-2011，在運營載荷狀態下，走行部構架結構靜強度和疲勞強度分析的基本計算載荷由車體和一系懸掛結構的振動加速度和車體承受的側風載荷組成，車體、構架、牽引裝置和二系懸掛裝置的受力分析如圖2所示。

圖2 車體、構架、牽引裝置受力分析

式中Fw為車體風載荷產生的橫向力；

Fyp為一系懸掛質量對構架的橫向慣性力；

Fyb=Fyc+Fw+Fyp構架承擔的總橫向載荷；

FARB為抗側滾扭桿的承擔的垂向載荷值；

金隆公司在合理組織生產，穩定各項外部因素影響，保證電解生產能力穩定的前提下，2016年電解產能首次突破46萬t，達到46.39萬t，如圖1所示。圖2為電解產能隨電解電流密度提高的變化趨勢。電解連續超額完成全年生產計劃，且相關技術指標進一步優化，如陰極銅優質品率、電流效率等，詳見圖3所示。

mc為二系簧上質量；

Fyc為車體橫向慣性載荷；

Fzs1為增載側二系彈簧承擔的垂向載荷；

Fzs2為減載在側二系彈簧承擔的垂向載荷；

Hw為風載荷作用下中心到構架橫向止擋極限位置的垂向距離；

Hc為車體慣性載荷作用下中心到構架橫向止擋極限位置的垂向距離。

2.2 結構有限元模型

應用Hypermesh 13.0軟件將整個構架焊接結構離散成三維實體單元solid92、電機用mass21質量單元代替、一系彈簧按照其三個方向的剛度離散為combine14彈簧單元。為了準確模擬驅動系統和制動系統對構架的載荷作用情況，根據驅動系統和制動系統的實際結構，采用梁單元模擬其承擔載荷對構架的作用情況和運動關系；采用梁單元模擬輪對、軸箱和牽引拉桿結構及其相互間的運動關系；采用combine14彈簧單元模擬一系懸掛系統。構架有限元模型如圖3所示。

圖3 結構有限元模型

2.3 結構疲勞強度評估方法

根據ERRI B12 RP17[5]和DVS1612[6]給出的方法確定構架制造材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線評價其疲勞強度。MKJ圖如圖4所示。

圖4 材料的MKJ曲線

σmax—節點的最大等效主應力；σmin—節點的最小等效主應力。

通過運用圖4所給出的母材和焊縫區域的疲勞曲線，查找出不同應力比對應的疲勞許用應力值。若某個節點在某個應力比所對應的實際最大應力或最小應力的絕對值小于該應力比所對應的疲勞許用應力，則說明該焊接結構具備一定的疲勞強度儲備，實際最大應力與疲勞許用應力相差越大，疲勞強度儲備越大。那么該節點滿足疲勞強度設計要求，否則需改進該處的結構設計。

上述評價方法可用下式表示，即節點的安全系數：

為了在ANSYS 14.0軟件顯示的方便，引入材料利用度（Degrees of Utilization，簡寫“DoU”）的概念，用以表征材料機械性能的利用率，其取值為安全系數的倒數。

材料利用度公式為：

2.4 疲勞強度評估結果

將運用Hypermesh13.0建立的有限元模型導入到軟件ANSYS 14.0中，參照標準EN13749-2011 BⅢ類載荷工況和上述的疲勞評價方法，應用APDL語言編寫加載命令流及結果輸出命令流，模型導入后直接讀取相應的命令流加載和讀取結果，典型材料利用度分布如圖5所示，由圖可知整個構架結構的材料利用度均小于1，即該構架結構設計滿足強度要求。

圖5 構架結構典型的材料利用度分布

3 結論

設計了一種用于軸箱內置式車輛走行部焊接構架，結構合理，符合實際需求。利用有限元結構強度分析方法對焊接結構進行了疲勞強度分析，結果表明，所設計的焊接構架結構疲勞強度滿足標準及實際運營要求。