单轴转向架焊接构架疲劳强度及模态分析＊

付 伟，黄运华，刘 韦，贾洪龙

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 中国北车集团公司 长春轨道客车股份有限公司 转向架开发部，吉林长春130062）

单轴转向架由于具有优良的曲线通过能力及较低的轮轨作用力［1］，其在国外已得到较深入的理论研究［2－4］，并已成功实现运营。但国内关于单轴转向架的理论研究起步较晚，更没有关于其焊接构架结构设计方面的研究。单轴转向架焊接构架结构形式与常规转向架焊接构架有所不同，目前国内尚无单轴转向架的计算规范，也缺少对单轴转向架焊接构架结构强度的研究，因此有必要对其焊接构架进行结构强度的研究。基于此，本文拟采用有限元方法，依据 TB／T 2368－2005《动力转向架构架强度试验方法》［5］设置载荷工况，对某新型客车单轴转向架焊接构架进行研究。首先对单轴动力转向架焊接构架的静强度进行校核，然后根据ORE B12／RP17给出的多轴应力向单轴应力转化的方法和Goodman疲劳极限图对构架进行疲劳强度的分析［6］。

1 焊接构架的结构及有限元模型

1.1 构架的结构

单轴车辆每辆车采用两组单轴转向架。转向架为两系悬挂，其中一系悬挂采用圆锥橡胶弹簧进行定位并设置垂向减振器，二系悬挂由空气弹簧进行承载并设置横向减振器、抗蛇行减振器、横向止挡、抗点头扭杆。基础制动装置为单个轴盘制动，牵引电机采用体悬式，通过单牵引拉杆传递纵向力。焊接构架由侧梁、端梁、纵向梁、减振器座、齿轮箱座、牵引拉杆座、制动吊座等组成。侧梁采用箱型结构，由上下盖板、腹板及隔板组焊而成，上、下盖板宽240mm，腹板高96mm，上盖板厚12mm，下盖板14mm。端梁采用中间下凹的结构以降低牵引拉杆座的高度，横向减振器座、抗侧滚扭杆座焊在端梁上，端梁断面上、下盖板宽150mm，腹板高96mm，上、下盖板厚均为12mm。纵向梁采用箱型结构，上、下盖板宽140mm，腹板高96mm，上、下盖板厚均为12mm（图1），其上焊有横向止挡座、齿轮箱吊座、制动吊座。侧梁中心距2 000mm，端梁中心距1 420 mm。所有的隔板厚均为10mm。侧梁、端梁、纵向梁采用Q345－B钢板，其屈服强度为345MPa，抗拉强度为520MPa。制动吊座采用ZG230－450，屈服强度为230 MPa，抗拉强度为450MPa，其余安装座采用20钢，屈服强度245MPa，抗拉强度410MPa。

图1 构架主要部分断面尺寸

1.2 构架有限元模型

构架为三维空间结构，为准确分析其在各向载荷作用下应力分布情况，采用有限元软件ANSYS对构架进行分析。利用有限元软件计算首先要建立力学模型，力学模型的坐标系采用笛卡尔直角坐标系，X轴为车辆前进方向，Y轴与线路方向垂直，Z轴垂直于轨道面向上。坐标系XOY平面位于侧梁中性面上，坐标原点位于构架几何中心。构架模型如图2所示。构架主要是薄板组焊空间结构，结构既承受拉压变形又承受弯曲扭转变形，所以在离散时采用三维弯曲壳单元shell63离散，离散时尽量采用四边形单元，个别过渡区域可以采用三角形单元。各种减振器座、牵引拉杆座、制动吊座采用solid45实体单元进行离散，一系弹簧采用combin14弹簧单元离散。在综合考虑计算精度、计算量情况下最终离散出节点数为59 222，单元数为49 081。各项约束均加在轴箱弹簧处，横向载荷以面力的形式加在横向止挡和空气弹簧安装座上，齿轮箱支反力和牵引力以面力形式加在齿轮箱安装座和牵引拉杆座上，制动力以节点力形式加在制动吊座上。

图2 焊接构架有限元模型

2 构架的载荷工况

转向架在运行中承受着各种复杂的载荷，如何分析确定这些载荷的取值及工况组合十分重要。转向架构架设计时应分别考虑两种载荷工况，一种是超常载荷，它是转向架构架静态设计的依据；另一种是模拟运营载荷，它是构架疲劳设计的依据［7］。根据 TB／T 2368－2005《动力转向架构架强度试验方法》，动力转向架应分别对超常载荷及运营载荷进行评定。

2.1 超常载荷工况

超常载荷主要考虑垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、齿轮箱吊座载荷。因为单轴转向架结构比较特殊，因此需要考虑更多的工况组合，如表1所示。

2.2 运营载荷工况

由于单轴转向架结构特殊，只有一根车轴，无线路扭曲载荷。故基于静强度的结果对构架进行疲劳强度分为9个工况。工况组合见表2。其中FZ为模拟运营载荷工况作用在每个转向架上的基本垂向力。

表1 超常载荷工况组合

表2 运营载荷工况表

3 构架的强度评定

3.1 静强度评定

构架超常载荷工况下的应力分布见图3～图6，最大von＿Mises应力出现在端梁下凹部分的圆角处，大小为292.934MPa，小于制造材料16Mn的屈服极限，构架其他部分的von＿Mises应力均小于材料的屈服极限。由图3～图6的结果可知，焊接构架的静强度满足设计要求。

3.2 构架的疲劳强度评定

根据TB／T2368－2005《动力转向架构架强度试验方法》和三向应力状态向单向应力状态转化的方法，计算构架上各点在9种载荷工况下的最大应力和最小应力，按式（1）、式（2）计算平均应力和应力幅，得到各个节点的平均应力和应力幅，然后将其点入Haigh图形式的修正Goodman曲线中，如图7所示。由图7可以看出所有节点的应力均在疲劳极限图内，因此构架的疲劳强度满足要求。

图5 超常载荷工况3

图6 超常载荷工况4

图7 构架的疲劳极限图

4 构架的模态分析

由于车辆运行过程中不会出现高频振动，因此在ANSYS模态分析中提取了前6阶模态。各阶模态的频率及振型如表3所示，其中第2和第3阶振型如图8所示。

表3 自振频率及振型

图8 构架的第2和第3阶振型

通过分析表3可以得出如下结论：构架的第1阶振型为构架总体垂向弯曲，其固有频率为45.067Hz，已经较大，说明构架的总体弯曲刚度较大；第2阶振型为构架扭转，其频率为54.946Hz，说明构架端梁水平部分和下凹部分间的连接刚度较大，有利于承受扭转载荷；第3阶振型为构架的平面内剪切，其频率为74.371 Hz，说明端梁与横梁连接刚度较大，有利于构架承受剪切载荷；第4阶振型为组焊有牵引拉杆座的端梁下凹部分向外侧弯曲，频率为108.558Hz，说明端梁与纵向梁之间的连接刚度很大，有利于构架承受纵向载荷；第5阶振型为两端梁反向弯曲，频率为114.916Hz，说明构架端梁与纵向梁之间连接刚度大，有利于承受纵向载荷；第6阶振型为两侧梁同向弯曲，频率为126.201 Hz，说明侧梁与端梁之间联接刚度很大。构架的最低频率为45.067Hz，已经避开了车辆系统的振动频率［8］，不会发生共振现象，因此，构架的刚度设计是合理的。

5 结束语

先建立了单轴转向架的有限元模型，然后根据TB／T 2368－2005《动力转向架构架强度试验方法》对构架进行强度校核。针对单轴转向架的结构特点，设计了4种超常载荷工况来对构架做静强度评定；并设计了9种运营载荷工况，利用Goodman疲劳极限图对构架的疲劳强度进行校核。最后对构架做了模态分析，提取了前6阶模态。计算结果表明构架的静强度和疲劳强度均满足要求，构架的刚度设计比较合理，能够满足车辆的运行要求。

［1］黄运华，赵晓莉，卜继玲.城轨车辆单轴转向架关键技术综述［J］.电力机车与城轨车辆，2007，7（4）：1－4.

［2］Yoshihiro SUDA.Dynamic Characteristics of a Single－Axle Truck for Compatibility between Stability and Curving Performance［J］.Vehicle System Dynamics Supplement 37（2002），616－629.

［3］Polach O.Coupled single－axle running gears－a new radial steering design［J］.Journal of Rail and Rapid Transit，ImechE，2002，216（F3）：197－206.

［4］Akira MATSUMOTO.Verification of Dynamics of an Experimental Single－Axle Truck－Comparison of stand tests，running tests and simulation－［J］.VehicleSystem Dynamics Supplement 37（2002），pp.605－615.

［5］TB／T 2368－2005《动力转向架构架强度试验方法》［S］.

［6］米彩盈.高速动力车承载结构疲劳强度工程方法研究［D］.成都：西南交通大学，2006.

［7］李 强.动车组设计［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［8］王贺鹏.车体自振频率的研究［D］.大连：大连交通大学，2004.