永磁直驅貨運電力機車構架強度分析及結構優化

董勝敏

（中車大同電力機車有限公司 技術中心，山西大同 037038）

永磁直驅貨運電力機車轉向架構架是機車走行部的關鍵承載部件，在機車運行過程中要承受車體質量和構架上的各類部件（牽引電機、制動器、減振器等）產生的作用力及慣性載荷，受力條件復雜。根據標準EN 13749-2011：《鐵路設施—輪組和轉向架—轉向架結構要求的規定方法》規定的載荷對轉向架構架進行了強度分析，其中附著于構架的設備加速度首次采用特殊加速度20g，疲勞加速度6g，并且計算了構架模態。焊接構架的焊縫部位容易產生疲勞裂紋，依據ERRI B12/RP17：《鐵路貨車鋼質車體底架及轉向架試驗程序》中的多軸應力轉化為單軸應力的方法進行了構架母材及焊縫疲勞強度分析，進而對疲勞強度不合格的構架牽引梁進行了結構優化；優化后的構架靜強度、疲勞強度均滿足標準要求。

1 構架介紹

永磁直驅電力機車是我國繼“快速客運電力機車”和“重載電力機車”之后，在交流電力機車領域又一突破。機車采用永磁直驅驅動系統+撓性板聯軸器的轉向架，由于直驅系統沒有齒輪箱裝配，提高了驅動系統的傳動效率、可靠性、可維修性；維護成本較低；對環境友好，噪聲及油污染少。

構架為“日”字形結構，由前端牽引梁、中間橫梁、后端梁、兩根左右對稱的側梁以及各安裝座組成。梁體均為板材焊接箱梁，梁內部適當位置布有筋板，梁體上根據安裝要求布置有牽引座板、電機吊座、軸箱拉桿座、減振器座、一系彈簧座、制動器安裝座等，如圖1所示。

轉向架構架基本參數見表1。

轉向架構架主要材料參數見表2。

表1 構架基本參數

表2 主要材料參數 MPa

2 構架有限元分析

永磁直驅電力機車轉向架構架分析流程如圖2所示。

圖2 分析流程圖

2.1 構架有限元模型

為了真實地模擬構架在各種工況下的受力及邊界條件，在保證構架計算精度的前提下提高計算效率，在建立有限元分析模型時對模型進行如下簡化處理：將車軸用梁單元模擬；車軸與軸箱體之間通過Revolute連接；軸箱體設置為剛體，并通過彈簧單元與構架相連；軸箱拉桿設置為剛體，拉桿體和芯軸之間通過Bushing連接，并根據橡膠關節參數設置軸向剛度、徑向剛度、扭轉剛度和偏轉剛度；制動器用質量單元模擬。

構架有限元模型采用四面體單元進行網格劃分，單元尺寸為12 mm，共2 232 255個單元，617 370個節點，如圖3所示。

圖3 構架有限元模型

2.2 構架邊界條件

根據構架實際安裝運用情況，對有限元模型施加如下邊界條件：

垂向約束施加于模擬輪對滾動圓處；

橫向約束施加于模擬輪對一側滾動圓處；

縱向約束施加于牽引銷處；

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作用在側梁上的垂向載荷施加于構架二系橡膠堆座板處；

作用在側梁上的橫向載荷施加于構架二系橡膠堆座板處以及二系橫向止檔處；

軌道扭曲在對角線模擬車輪滾動圓處施加10‰或5‰的垂向位移。

2.3 載荷及工況

2.3.1計算載荷

按照標準EN 13749-2011，構架設計與評估的載荷工況分為超常載荷和運營載荷兩大類。

第1類為靜態載荷，用于驗證施加極限（特殊）載荷后構架是否破壞或者去除載荷后構架是否遭受永久變形；第2類為疲勞載荷，用于驗證構架在正常運行期間是否會發生疲勞失效的情況【1】。

永磁直驅電力機車牽引電機采用全架懸形式，在機車運行時電機產生的振動直接傳導至構架上。構架運營工況的電機慣性載荷以往通常按照UIC 615-4-2003：《動力單元—轉向架和走行機構—轉向架構架結構強度試驗》中規定的牽引電機自重3倍加載，或者TB/T 2368-2005：《動力轉向架構架強度試驗方法》中規定的各向振動加速2.5g加載。但是，根據既有車型動力學試驗數據，電機垂向振動載荷往往大于3g，文中為了保證構架設計準確性選用EN 13749-2011規定的超常工況電機垂向振動加速度20g，運營工況電機垂向振動加速度6g。

2.3.2工況組合（見表4～表5）

2.4 強度評估

2.4.1靜強度評估

在超常載荷工況下，構架各處的Von-Mises應力應小于相應材料的許用應力。超常載荷工況的計算結果如表6所示，從表中可以看出，構架各部位Von-Mises應力均低于相應材料的許用應力，構架最小安全系數為1.24，出現在電機短路工況詳見圖4。

2.4.2疲勞強度評估

構架疲勞強度評價按照ERRI B12/RP17中的多軸應力簡化為等效單軸應力的方法，計算構架各種運營載荷工況和/或相關的組合載荷下的平均應力σm及最大主應力σmax、最小主應力σmin，然后采用Goodman疲勞界限圖進行結果評估，各項應力均位于相應材料的Goodman疲勞界限圖內，則構架疲勞強度滿足要求。

表3 載荷列表

圖4 電機短路工況應力云圖

圖5 母材疲勞強度評估圖

圖5是構架母材的疲勞強度評價結果，符合標準要求。

對構架焊縫的統計節點應力進行數據處理，有部分結果超出Goodman疲勞界限圖界限，如圖6所示；焊縫應力幅值最大為132.2 MPa，疲勞強度不符合要求。

表4 超常載荷工況

對結果進行分析可知，疲勞風險點主要集中在構架牽引梁焊縫，如圖7所示，因此進一步優化牽引梁結構。

2.5 牽引梁結構優化

構架牽引梁受力情況復雜，需同時承受牽引載荷和電機慣性載荷。疲勞強度不合格主要是由于電機慣性載荷增大后牽引梁剛度不夠造成的，為此，在保證電機安裝接口前提下將牽引梁縱向加寬30 mm，垂向向下加高10 mm，降低牽引梁下平面與牽引座板間的高度差；優化后構架牽引梁焊縫疲勞強度結果如圖8所示，牽引梁下蓋板過渡圓弧處應力幅值為53.197 MPa，主體焊縫Goodman疲勞界限圖見圖9，疲勞強度合格。

2.6 模態分析

構架模態為構架各階振型及固有頻率總稱，構架自由模態如表7所示，構架一階模態頻率為44.09 Hz，振型為扭轉振動，扭轉剛度合理，有利于車輛適應軌道不平順，如圖10所示。

3 結論

根據標準EN 13749-2011和ERRI B12/RP17對永磁直驅貨運電力機車轉向架構架進行了強度分析及評價，結果如下：

表5 運營載荷工況組合

圖6 疲勞強度評估圖

表6 靜強度分析結果

（1）構架各部位Von-Mises應力均低于相應材料的許用應力，靜強度滿足標準要求；

（2）通過對構架焊縫疲勞強度進行分析可知牽引梁焊縫疲勞強度不合格，因此將構架牽引梁縱向加寬30 mm，垂向向下加高10 mm，降低牽引梁下平面與牽引座板間的高度差；優化后的結果表明，所有焊縫應力及鑄件、鍛件母材應力均在其Goodman疲勞極限圖界限之內，疲勞強度滿足標準要求。

圖7 主體梁焊縫應力幅云圖

圖8 牽引梁焊縫應力幅云圖

圖9 主體梁焊縫疲勞強度評估圖

（3）構架第1階模態頻率為44.09 Hz，振型為構架扭轉振動，動態性能良好。

表7 構架前6階模態分析結果

圖10 構架第1階模態振型

綜上所述，永磁直驅貨運電力機車轉向架構架強度滿足設計要求。