CRH3C型動車組轉向架承載件結構強度分析

李睿釗

（中國鐵路南寧局集團有限公司南寧車輛段，廣西南寧 530000）

0 引言

轉向架是動車組的關鍵部件之一，它用來傳遞各種載荷，支撐車體，并牽引著輪對在軌道上運動使車體運行。其中，構架是轉向架的骨架，是動車組的主要承載部件。隨著動車組的輕量化要求，構架自重不斷減輕，導致動車組運行時線路的激擾令構架恰好處于低階彈性振型范圍，易使轉向架承載件部位產生形變，當疲勞損傷累積達到一定程度，就會出現疲勞破壞，對行車安全構成威脅。為查找分析構架的薄弱部位，以達到明確檢修導向、精準檢修的目的，所以對轉向架結構強度分析是現階段迫切需完成的工作。

1 構架結構及有限元模型的建立

CRH3C 動車組動力轉向架為SF500CN 型號，其構架采用“雙H”形鋼板壓型焊接結構，以采用德標材料S355J2G3WC 和S355J2G3C 低合金高強度耐候鋼為主，關鍵零部件全部為鍛件，側梁由若干塊低合金鋼板焊接而成，轉向架各設備安裝座焊接在構架側梁上。但由于三維軟件的局限性以及為使有限元仿真分析方便進行，模型采用造型法建模，將整個構架以一個零件的形式導入ANSYS 分析。完善好構架結構的實體模型后，對其進行網格離散化操作，單元數為59240，節點數為116504。

2 構架的邊界條件和載荷計算

本文參照國際鐵路聯盟《動力單元-轉向架和走行裝置-轉向架構架的結構強度試驗》（UIC 615-4—2003）的規定標準，將車輛在實際運行情況下，構架的各種載荷如蛇行運動、晃車、不平順等工況進行組合，施加載荷和約束，分析后評定構架的靜強度及其疲勞強度。

超常載荷是指在動車組運行過程中鮮有出現，是數值比較大的載荷。CRH3C 型動車組動力轉向架構架超常載荷工況下的載荷計算值如表1 所示。

表1 超常工況載荷計算值 單位：N

動車組在行駛過程中出現振動頻率較高，并對車體各承載部件的疲勞強度有較大影響的載荷被稱為模擬運營載荷。CRH3C 型動車組轉向架構架模擬運營載荷工況下的載荷計算值如表2 所示。

表2 模擬運營工況載荷計算值 單位：N

表2 （續）

3 構架的強度分析

3.1 靜強度評定

應用ANSYS workbench 模塊，按照表3 中超常載荷工況數值計算表中的工況組合對構架添加約束條件并進行加載計算，形變結果如圖1 所示。

圖1 超常載荷工況2 下構架形變圖

表3 超常載荷工況2 下構受力情況

根據國際鐵路聯盟《動力單元-轉向架和走行裝置-轉向架構架的結構強度試驗》（UIC 615-4—2003）標準規定的載荷施加方式及測試標準，使用三種超常載荷工況對CRH3C SF500CN 構架進行靜強度分析。模擬測試結果表明在三種不同超常載荷工況下，最大應力主要集中在構架帽筒與側梁上下蓋板連接處、轉臂定位座與側梁下蓋板連接處、空氣彈簧導柱與側梁上下蓋板連接處。三種超常載荷工況相比較，最大應力發生在超常載荷工況二下，帽筒與側梁上蓋板連接處，最大應力的值為267.32MPa。已知構架材料的許用應力為345.0MPa，大于上述最大應力267.32MPa。因此，構架在現有結構下可以滿足靜強度要求，故SF500CN 型號構架永久變形的風險在超常載荷工況作用下不會產生。

3.2 疲勞強度評定

應用ANSYS workbench 模塊，將上文所述的邊界條件與運行載荷工況模擬數值計算表（見表2）進行組合，對SF500CN 構架添加約束條件并進行加載計算。得出十三種動車組運行時載荷模擬工況下SF500CN 轉向架構架的應力分布特點與數值大小。由于《動力單元-轉向架和走行裝置-轉向架構架的結構強度試驗》（UIC 615-4—2003）標準對構架進行疲勞強度評價的方法是采用Goodman-smith 疲勞極限圖，需對各工況下的動應力進行校核，所以在模擬運營載荷工況下的應力分布圖中，對重點測試區域應力值進行依次測量，得出應力平均大小與應力幅值，根據各測試重點區域的平均應力數值與應力幅值，找到其在Goodman-smith 疲勞極限圖的對應點，若得到的每個點都在構架材料的疲勞極限圖范圍內，則在運營模擬工況時構架不會產生疲勞裂紋的風險。但如在疲勞極限圖的包絡線之外存在數值點，則允許范圍不能超過許用應力值的20%。平均應力和應力幅值通過以下公式計算：

式（1）～式（2）中：σave為平均應力；Δσ為應力幅值。

通過對構架應力分布圖及變形云圖的分析，結合構架的結構特性和以上幾點準則，總結出五類重點測試區域。具體位置如圖2 所示。

圖2 構架疲勞強度評定重點測試區域

構架疲勞強度評估五類重點測試區域的平均應力及應力幅值計算結果如表4 所示。

表4 構架重點測試區域應力計算表 單位：MPa

將表4 所示構架疲勞強度評估五類重點測試區域的平均應力與應力幅值的對應點標繪在Goodmansmith 疲勞極限圖中，最終結果如圖3 所示。

圖3 Goodman-smith 疲勞極限圖

由圖3 可知，第一類、第三類、第四類重點測試區域所對應的應力點落在Goodman-smith 疲勞極限圖母材以及焊縫的疲勞極限范圍之內，第二類重點測試區域和第五類重點測試區域所對應的應力點分布在Goodman-smith 疲勞極限圖焊縫的疲勞極限范圍之外，但允許范圍未超出焊縫疲勞許用應力值的20%。因而SF500CN 構架結構滿足動車組在各類運行載荷工況下的疲勞強度要求。第二類重點測試區域（空氣彈簧導柱與側梁上、下蓋板連接區域）和第五類重點測試區域（帽筒與側梁上、下蓋板連接處）為構架疲勞強度的危險區域。

4 結論

本論文以CRH3C 型動車組SF500CN 轉向架的構架為分析對象，依據國際鐵路聯盟UIC 標準的《動力單元-轉向架和走行裝置-轉向架構架的結構強度試驗》（UIC 615-4—2003）對構架進行強度分析，最終得出如下結論：

第一，在超常載荷工況下，最大應力發生在超常載荷工況二，帽筒與側梁上蓋板連接處，最大應力的值為267.32MPa。已知構架材料的許用應力為345.0MPa，大于上述最大應力267.32MPa。因此，SF500CN 型構架滿足靜強度結構要求。

第二，根據構架在十三種模擬運營工況下的應力分布圖，選取了五類重點測試區域，通過Goodmansmith 疲勞極限圖，對SF500CN 轉向架進行疲勞強度分析。結果表明，SF500CN 型構架結構滿足動車組運行疲勞強度要求。第二類重點測試區域（空氣彈簧導柱與側梁上、下蓋板連接區域）和第五類重點測試區域（帽筒與側梁上、下蓋板連接處）為構架疲勞強度的危險區域。