3B0軸式機車底架疲勞強度分析

于淼 鄭長國 馬天逸

摘要： 結合有限元和多體動力學仿真方法，探究3B0軸式機車運行工況對底架疲勞強度的影響。結果表明：3B0軸式機車底架受力矩作用中間轉向架橡膠堆支反力小于兩端，致使中間轉向架橡膠堆高出兩端;隨著機車運行線路惡劣程度的增加，車體兩端垂向振動大于中間部位且比值逐漸增大，易引起中間轉向架橡膠堆支撐不足;機車運行線路條件惡劣時，垂向和橫向振動載荷將引起牽引座和橫向止擋焊縫附近疲勞傷損。

Abstract： Combined with finite element method and multi-body dynamics method， the influence of operating conditions on the fatigue strength of locomotive underframe with 3B0 bogie is studied. The support reaction of intermediate bogie rubber pile is less than that of both ends by the load moment on the underframe， resulting in the rubber pile of intermediate bogie higher than both ends. With the severity of running line， the vertical vibrations of the car body ends are greater than that of the intermediate， and the ratio increases gradually. It is liable to cause insufficient support for the rubber pile of the intermediate bogie. While the vertical and lateral vibration loads will cause fatigue damage near the welds of the traction base and the lateral stop.

關鍵詞： 底架強度;3B0軸式機車;車體振動;焊縫疲勞

Key words： underframe strength;locomotive with 3B0 bogie;car body vibration;welding fatigue

中圖分類號：U262.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0034-03

0 ?引言

目前，機車多由兩軸或三軸轉向架為單元組成，即以B0-B0和C0-C0軸式為主。對于小半徑曲線較多、坡度較大的線路，因其整體改造成本高，大多選取更加適用的3B0軸式機車來改善列車運行性能。但與此同時因運行線路復雜，外載荷條件相對惡劣，機車結構及零部件容易受到損壞，例如，機車底架中間牽引座兩側中梁底板對接焊縫焊趾處以及中間牽引座與下蓋板角焊縫焊趾處疲勞強度相對薄弱。

對于車體疲勞傷損的研究方法主要包括現場調研及試驗和仿真分析。在現場調研及試驗方面，SEO Sung等利用模擬實際動載荷的大型試驗方法評價鋁合金車體疲勞強度[1]。哥倫比亞地鐵鋁合金車體的枕梁在同一位置多次出現裂紋，現場從枕梁加固和優(yōu)化焊接工藝兩方面對其修復[2]。梁圣童通過對某出口機車底架主梁局部裂紋的大量現場調查，得出底架主梁魚腹圓弧過渡部位的曲線半徑和工藝焊接順序為主要因素[3]。趙方偉等根據實測車體關鍵部位動應力數據獲得小應力循環(huán)對車體疲勞損傷的影

響[4]。在仿真分析法方面，Jun HK等利用斷裂力學，結合有限元方法和物理載荷試驗，研究了動車組底架裂紋的臨界尺寸和擴展速率[5]。馬思群等基于等效結構應力法和Miner線性累積疲勞損傷理論，提出初始焊接缺陷的存在明顯降低車體的抗疲勞特性[6]。盧耀輝等采用固有應變法計算了動車組鋁合金車體的焊接殘余應力分布，提出焊接殘余應力明顯改變最大主應力的方向[7]。

目前對于車體疲勞傷損的研究主要集中于焊縫疲勞評價和焊接工藝兩個方面，對于車輛系統(tǒng)振動特性和運行工況的影響研究甚少，尤其是缺少3B0軸式機車三轉向架的力學特性分析。本文將結合有限元和多體動力學仿真方法，開展3B0軸式機車底架疲勞強度計算分析，探究機車運行工況對底架疲勞強度的影響。

1 ?車體結構靜強度分析

機車總重76.2噸，最高運行速度為100km/h，軸式為B0-B0-B0（即3B0）。機車為內走廊式、底架承載結構，從底架分上、下兩部分：上部分包括各室和內部設備，分別為一端司機室、輔助室、冷卻室、動力室、電氣室、二端司機室，其中，燃油箱設在兩端司機室后墻，柴油機發(fā)電機組設在動力室;下部分包括三個兩軸轉向架，2個總風缸，4個蓄電池箱。機車上部通過六個橡膠堆座作用在轉向架上。每個轉向架通過一個牽引銷與底架連接在一起，轉向架設有橫向止擋。車體板件材料和鑄件材料分別選用Q235B和ZG230-450。車體底架主要采用4節(jié)點等參薄殼單元模擬主體結構，用質量元來模擬附加結構的質量。由于底架設備重量及位置分布對其結構振動有很大影響，因此具有明確安裝位置及質心的設備以集中質量的形式施加在各自的質心位置。其它設備以均布力的形式加在各自的位置上，如各室鋼結構、內裝、油漆、布線等。殼單元的尺寸在大多數的結構部件中的典型長度約為20～30mm，而在更多的細化區(qū)域則要小一些。車體鑄件以及二系懸掛橡膠堆采用實體單元離散模擬。模型共有209880個節(jié)點和275747個單元，車體結構如圖1所示。

三個轉向架二系懸掛橡膠堆上表面距軌面高度在設計時是一致的，但現場發(fā)現某些機車解體后出現中間轉向架的橡膠堆高度明顯高于兩端距軌面高度。針對該情況，對車體底架進行靜強度計算分析。在垂直靜載工況下，中間轉向架橡膠堆處支反力小于兩端，但從機車底架重量分布情況來看，中間部位的動力室由于配有柴油發(fā)電機組，重量分布大于兩端。由機車底架位移計算可知，底架兩端最大位移約為4.79mm，而中間部位約為0。因此，在三個轉向架支撐作用下，出現如圖2所示情況，在力矩作用下中間轉向架橡膠堆支反力反而小于兩端，長此以往將導致中間轉向架橡膠堆高出兩端，甚至在某些振動載荷較大的工況將導致中間轉向架橡膠堆支撐不足的情況發(fā)生。因此，在探究機車底架中部容易發(fā)生疲勞傷損的原因時，將重點考慮中間轉向架橡膠堆支撐不足工況。

2 ?機車運行動態(tài)分析

利用多體動力學仿真方法，探究運營工況下與三個轉向架位置相對應的車體底架振動情況，建立機車-軌道系統(tǒng)動力學模型。軌道不平順是引發(fā)列車振動、輪軌作用力增大的主要因素，不同軌道不平順對機車車輛平穩(wěn)運行影響各異。結合現場實際運用軌道情況，軌道不平順譜分別采用了美國四級譜（AAR4）和美國五級譜（AAR5）。設機車運行速度為100km/h，匯總與三個轉向架位置相對應的車體垂向振動加速度最大值如圖3所示。

由圖3可以看出，兩端轉向架位置對應的車體垂向振動加速度大于中間轉向架位置。當軌道不平順譜為AAR5時，車體兩端最大垂向振動約為中間部位的1.5倍;當軌道不平順譜為AAR4時，車體兩端最大垂向振動上升為中間部位的1.8倍左右。隨著機車運行線路惡劣程度的增加，車體兩端垂向振動與中間部位的比值逐漸增大。結合有限元和多體動力學仿真結果可以進一步得出實際運營工況可能存在中間轉向架橡膠堆支撐不足的情況。

3 ?疲勞載荷工況分析

通過對該機車車體靜強度工況[8]計算可知，母材應力在考慮安全系數的情況下均小于按標準和規(guī)范確定的許用應力，車體結構靜強度符合相關標準和規(guī)范的要求。因此，下面將從結構疲勞角度探究機車車體底架中部容易發(fā)生疲勞傷損的原因。

在縱向載荷方面，考慮機車牽引、制動對車體底架疲勞傷損產生的影響。通常應在技術規(guī)范中規(guī)定由于牽引/制動產生的載荷循環(huán)的數值大小，但如果沒有規(guī)定的可用數據，縱向振動載荷可以取0.15g[8]。計算中間轉向架橡膠堆支撐不足工況下車體底架第一主應力可知，在牽引座和橫向止擋焊縫附近存在應力集中;且牽引工況對牽引座和橫向止擋附近部位應力影響較大，而制動工況對其影響較小。標準[8]提供的機車垂向和橫向加速度經驗值分別為（1±0.25）g和±0.2g。由于實際運行線路情況相對惡劣，分別計算垂向載荷（1±0.25）g、（1±0.5）g、（1±0.75）g、（1±1.0）g工況下機車車體結構強度，即垂向振動載荷0.5g、1.0g、1.5g、2.0g工況。由于底架疲勞傷損容易出現在中間牽引座兩側中梁底板對接焊縫（簡稱橫向止擋附近）以及中間牽引座與下蓋板角焊縫處（簡稱牽引座附近），匯總相應部位（牽引座、橫向止擋附近）的第一主應力最大值如圖4所示。結合前文分析所得中間轉向架橡膠堆支撐不足情況，將中間轉向架二系懸掛支撐力范圍設為0～100kN，間隔10kN取值。

由圖4可以看出，隨著垂向載荷的增加以及中間轉向架二系懸掛支撐力的減少，牽引座和橫向止擋焊縫附近的第一主應力逐漸上升，且牽引座附近上升更快。根據鋼結構疲勞標準[9]，參照鋼材的焊縫接頭形式，對于牽引座和橫向止擋焊縫附近部位，鋼材的疲勞強度為51.31MPa。因此，圖4中部分線路條件惡劣工況的第一主應力超過疲勞強度限值，將引起焊縫附近疲勞傷損。

考慮線路不平順引起的垂向和橫向振動載荷同時存在的工況，橫向振動加速度取±0.2g（即0.4g）。獲得底架容易發(fā)生疲勞傷損部位（牽引座、橫向止擋附近）的第一主應力最大值如圖5所示。

由圖5可以看出，在橫向載荷和垂向載荷共同作用下，橫向載荷的存在增大了牽引座和橫向止擋焊縫附近的第一主應力值，且橫向止擋焊縫附近的響應更加明顯。因此，橫向載荷將加速橫向止擋附近疲勞傷損的出現。

4 ?結論

①3B0軸式機車底架在三個轉向架二系懸掛橡膠堆支撐作用下，受力矩作用中間轉向架橡膠堆支反力小于兩端，致使中間轉向架的橡膠堆距軌面高度高于兩端。

②兩端轉向架位置對應的車體垂向振動加速度大于中間轉向架位置，且隨著機車運行線路惡劣程度的增加，車體兩端垂向振動與中間部位的比值逐漸增大，易引起中間轉向架橡膠堆支撐不足。

③牽引工況對牽引座和橫向止擋附近部位應力影響較大，而制動工況對其影響較小。當機車運行線路條件惡劣時，垂向和橫向振動載荷將引起牽引座和橫向止擋焊縫附近疲勞傷損，橫向振動載荷對橫向止擋作用更明顯。

參考文獻：

[1]Sung Il SEO， et al. Fatigue strength evaluation of aluminium alloy car body of vehicles by large scale dynamic load test[J]. JSME International Journal， 2005，48（1）： 27-34.

[2]Roger Zimmerli. Metro EMUs aluminium alloy car bodies cracking solved using fatigue analysis[J]. Rail volution， 2010，1（1）：44-45.

[3]梁圣童.DPU-30型機車底架裂紋和改進的分析研究[J].內燃機車，2006，2（9）：6-8.

[4]趙方偉，謝基龍.小應力循環(huán)對C70E型車體疲勞損傷的影響研究[J].機械工程學報，2014，50（10）：121-126.

[5]Jun H.K.， Jung H.S.， Lee D.H.， et al. Fatigue crack evaluation on the underframe of EMU carbody[J]. Procedia Engineering， 2010， 2（1）：893-900.

[6]馬思群，谷理想，袁永文，等.焊接缺陷對動車組鋁合金車體疲勞壽命影響研究[J].鐵道學報，2014，7（2）：42-48.

[7]盧耀輝，張德文，趙智堂，等.焊接殘余應力對動車組鋁合金車體疲勞強度的影響[J].交通運輸工程學報，2019，19（4）：94-103.

[8]BS EN 12663 Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies，Part 1：Locomotives and passenger rolling stock （and alternative method for freight wagons）[S]. 2010.

[9]BS EN 1993 Fatigue strength of steel structures Part 1.9： Fatigue strength of steel structures[S]. 2002.