轉(zhuǎn)向架中央牽引銷靜強度和疲勞強度仿真計算

姚風(fēng)龍，李冠霖，周春梅，高靖添

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

中央牽引銷是牽引裝置的一部分，通過螺栓與車體枕梁連接。在車輛運行時，牽引銷起傳遞轉(zhuǎn)向架牽引力和制動力的作用，在垂向不承擔(dān)支撐車體的任務(wù)。車體相對于轉(zhuǎn)向架的回轉(zhuǎn)是通過中央牽引銷的扭轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，如圖1 所示。

圖1 中央牽引銷的位置

中央牽引銷作為轉(zhuǎn)向架的一部分，其靜態(tài)受力主要包括：橫向載荷、縱向沖擊載荷、起吊載荷。受力示意如圖2 所示。

圖2 實施靜態(tài)試驗時所施加的作用力

1 有限元離散模型

中央牽引銷為整體鑄造結(jié)構(gòu)，采用實體單元（Solid92）建立有限元模型，共離散為75 081 個單元，132 375 個節(jié)點，有限元離散模型如圖3 所示。

圖3 中央牽引銷有限元模型

2 計算載荷與邊界條件

計算載荷和強度評估方法依據(jù)“UIC 615-4”標(biāo)準(zhǔn)［1］和“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)［2］進行確定。

2.1 超常載荷

作用在中央牽引銷上的載荷分別為：

（1）縱向沖擊載荷

根據(jù)“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定5g沖擊加速度下，不允許產(chǎn)生任何失效，可以產(chǎn)生永久變形，因此動車轉(zhuǎn)向架沖擊加速度取5g，中央牽引銷沖擊力為式（1）：

式中：m為動車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，7 800 kg。

（2）每個轉(zhuǎn)向架橫向載荷

每個轉(zhuǎn)向架橫向載荷為式（2）：

式中：Mv+C1（kg）為超員車輛總質(zhì)量；nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)目；ne為每個轉(zhuǎn)向架輪對數(shù)量。取滿軸重17 t，nb=2，ne=2。

（3）起吊載荷

考慮轉(zhuǎn)向架垂向振動加速度為2g產(chǎn)生的載荷為式（3）：

2.2 超常載荷組合工況

將縱向載荷和橫向超常載荷疊加，得到中央牽引銷上的超常載荷組合工況。

2.3 運營載荷

作用在中央牽引銷上的運營載荷有2 種，分別為：

（1）縱向載荷

牽引/制動：當(dāng)全載（滿軸重）時車輛以其最大牽引力加速或減速及以緊急制動率減速時施加在轉(zhuǎn)向架上的載荷為式（4）：

這里，以滿軸重17.0 t 計算，最大制動減速度amax取1.4 m/s2，nb=2。

（2）橫向載荷

橫向載荷為式（5）：

2.4 運營載荷組合工況

將上述2 種運營載荷疊加，得到中央牽引銷上的運營載荷組合工況。

2.5 約束條件

在中央牽引銷安裝螺栓孔位置施加垂向約束，即Uz=0；在中央牽引銷中心圓孔區(qū)施加縱向和橫向約束，即Ux=Uy=0。載荷和約束施加位置如圖4 所示。

圖4 中央牽引銷載荷和約束施加位置圖

2.6 材料參數(shù)

轉(zhuǎn)向架中央牽引銷用材A4（BS3100）的機械性能及其用于靜、動強度評估的許用應(yīng)力，見表1。

表1 中央牽引銷用材的基本力學(xué)性能

3 中央牽引銷強度評估與應(yīng)力分析

中央牽引銷強度評估分為靜強度與疲勞強度評估2 種方法。

靜強度評估方法是在超常載荷5g加速度載荷作用下及各單獨載荷及組合載荷工況下，結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)力均應(yīng)小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力。

疲勞強度評估方法是在模擬運營載荷作用下，各工況交變載荷的組合所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值應(yīng)小于材料的許用疲勞極限，中央牽引銷需同時滿足靜強度要求與疲勞強度要求才能滿足設(shè)計要求。

3.1 超常載荷下應(yīng)力計算分析

在中央牽引銷模型上施加超常載荷，計算各載荷及其組合工況下的中央牽引銷結(jié)構(gòu)應(yīng)力，Von-Mises 應(yīng)力計算結(jié)果云圖如圖5～圖8 所示，各單獨工況和組合工況下的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位見表2。在組合載荷作用下，中央牽引銷上在蓋板下部圓弧邊緣部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，應(yīng)力值為305.1 MPa，小于中央牽引銷用材A4（BS3100）的超常載荷屈服許用應(yīng)力320 MPa，因此該中央牽引銷的靜強度滿足要求。

圖5 超常載荷—縱向載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖6 超常載荷—橫向載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖7 超常載荷—起吊載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖8 超常載荷—組合載荷：中央牽引銷整體動應(yīng)力幅值云圖

表2 超常載荷單獨及其組合工況下中央牽引銷的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位 單位：MPa

3.2 模擬運營載荷應(yīng)力計算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)模型上分別施加縱向載荷和橫向載荷，即可得到整個中央牽引銷的動應(yīng)力幅值，如圖9～圖11 所示。各單獨工況和組合工況下的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位，見表3。可見，在運營載荷組合工況下，中央牽引銷上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在蓋板上部圓弧邊緣部位，幅值為52.4 MPa。該應(yīng)力值小于中央牽引銷用材A4（BS3100）的許用疲勞極限75 MPa，因此，中央牽引銷的疲勞強度滿足要求。

表3 運營載荷單獨及其組合工況下中央牽引銷的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位 單位：MPa

圖9 運營載荷—縱向載荷工況：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖11 運營載荷—組合載荷工況：中央牽引銷整體動應(yīng)力幅值云圖

無論在超常載荷下還是在模擬運營載荷工況下，中央牽引銷與枕梁連接板的過渡圓弧位置均為傳遞牽引力的主要受力部位，容易在此圓弧處出現(xiàn)最大應(yīng)力與疲勞。

圖10 運營載荷—橫向載荷工況：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

中央牽引銷在超常載荷5g加速度載荷作用下及各單獨載荷及組合載荷工況下滿足靜強度計算要求，在模擬運營載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生位置為中央牽引銷與枕梁連接板的過渡圓弧位置，并且各工況交變載荷的組合作用下滿足疲勞強度要求。滿足“UIC 615-4”標(biāo)準(zhǔn)和“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)要求，表明此結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，可以進行下一步的裝車驗證。