基于ANSYS软件下的通勤车转向架构架疲劳强度计算分析

王志明 陈晓峰 张开林 刘余龙 刘金荣

【摘要】本文运用ANSYS软件，参照UIC615-4规范，对通勤动车组转向架构架进行了有限元疲劳强度计算分析。结果表明：在模拟运用载荷作用下，动车转向架构架各节点的应力幅值均不超过材料和焊缝的Goodman疲劳极限图，满足疲劳强7度要求；构架上各主要安装吊挂座能够满足疲劳强度设计要求。

【关键词】通勤车 转向架 构架 强度计算

1引言

通勤车是用于城市中心商业区到城市郊区、城市群内城市之间快速、便捷的160km/h速度等级动车组，最大轴重为16t。通勤车转向架构架为整体焊接结构，主要由两个侧梁和两个横梁组成。构架侧梁为封闭的箱形结构，其下侧设置转臂安装座，上部设置空气弹簧座，在构架的外侧立板上设置抗侧滚扭杆座和二系垂向减振器座，在侧梁端部设置一系弹簧安装座。构架的横梁采用无缝钢管结构，在其外侧斜对称设置电机和齿轮箱吊座，在其上部中央设置牵引座，在两个横梁之间设置横向止档座。

上世纪六十年代前，对转向架构架的强度分析，主要采用的是经典的结构力学方法[1]：近似法和精确力法[2]。随着电子计算机的普及和计算方法的发展，电算法越来越受到重视。用有限元法分析得出的理论结果和试验结果的相对误差可控制在10％的范围内[3]。

本文就是运用有限元法对通勤车转向架构架的疲劳强度进行计算分析，验证其是否满足设计要求。

2计算分析

2.1载荷情况

模拟运营载荷是实际运用中经常发生的载荷，这里采用模拟运行商用载荷进行计算，以此来评价构架的疲劳强度。构架强度计算的载荷参照UIC615-4规范，载荷情况如下：

（1）构架一侧垂向载荷为：

（2）模拟运营载荷的横向载荷为：，其中二系簧承受的横向载荷为：，

二系横向止挡座承受的横向载荷为：

（3）斜对称载荷按5‰轨道扭曲位移量计算：

（4）电机悬挂点的静载荷为：

电机悬挂点的动载荷：

在电机最大启动扭矩情况下，考虑驱动装置6.0g的垂向振动作用，分别计算垂向振动不同方向时的情形，横向考虑5.0g振动作用，纵向向考虑4.0g振动作用。

（5）齿轮箱悬挂点的静载荷为：

运用工况下齿轮箱吊座的悬吊载荷取：

（6）当转向架通过小曲线时，由于前后轮对存在的纵向力使转向架产生摇头运动并使转向架处于最大倾斜位置。该纵向力为：

该纵向力作用在左右轮对的两侧，并且方向相反。当有限元模型采用轴箱弹簧约束时，则在二系弹簧施加一对纵向载荷，该力大小为：

（7）运用工况下的纵向载荷为：

（8）各减震器载荷为：

（9）运用工况下的制动载荷为：，每个制动座由于附加力矩承受的载荷为：，考虑端部结构垂向加速度：±4.0g；每个制动座承受的惯性力：，，，。

2.2工况组合

运营载荷工况以UIC615-4规范中的垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷为基本载荷，然后再分别叠加上其它的载荷。运营载荷工况组合如表2工况1－17所示。

3应力评定标准

模拟运用状态的疲劳强度评定标准采用UIC615-4规范。选取构架中应力较大各点，针对计算工况1～17基于最大主应力方向简化各点应力状态成单轴应力状态，计算出各点应力最大值，及应力最小值，按下式计算各点的等效平均应力及等效应力幅值：

计算出的各点等效平均应力及等效应力幅值按疲劳极限图评定。

4构架有限元离散模型

基于ANSYS12.0有限元分析软件，建立了构架有限元计算模型。针对构架基本由板件组焊而成结构特点，构架的主要板件离散成为三维实体单元SOLID95，一系簧座支撑及拉杆座处根据构架实际受力状况分别离散成纵向、横向及垂向弹簧单元COMBIN14，以便较好地模拟实际支撑情况。计算模型节点总数为879385个，单元总数为478525个，其中弹簧单元96个，实体单元478429个，构架有限元计算模型见图1。

5约束条件和加载位置

在有限元计算模型中，约束条件采用弹性边界。其中垂向弹性边界施加在侧梁端部的轴箱弹簧座和轴箱转臂座上，横向和纵向弹性边界施加在构架侧梁的转臂座上。载荷的加载位置按照载荷的实际作用位置以节点力方式进行施加。构架有限元边界条件如图2。定义X轴为构架纵向轴线指向横梁方向，Y轴为中间轴轴线，符合右手法则，Z轴垂直向上，XY平面与侧梁下盖板下表面重合。

6结果分析

6.1构架疲劳强度校核

对于工况1～17，选取构架所有节点，按上述方法在17个工况下计算出各点的平均应力及极限应力。将所有各节点等效平均应力及极限应力值点入Goodman图进行疲劳强度评估。构架各节点疲劳强度评定结果见图3，构架侧梁主焊缝部分节点疲劳强度评定结果见图4。

图3，4表明：构架上所有节点均位于构架母材Goodman疲劳极限曲线内；部分节点位于焊缝疲劳极限曲线外，而这些节点均不在焊缝位置。故构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求。

6.2抗蛇形减振器座疲劳强度

减振器疲劳强度的校核，考虑动载荷系数1.5，减振器座部分各节点疲劳强度Goodman疲劳评定结果见图5。图示表明：抗蛇形减振器座及焊缝疲劳强度满足设计要求。

6.3机及齿轮箱座疲劳强度

电机及齿轮箱座疲劳强度的校核，在电机额定扭矩情况下，考虑驱动装置6.0g的垂向振动、5.0g的横向振动、4.0g的纵向振动作用，各焊缝节点疲劳强度Goodman疲劳评定结果见图6，个别节点位于焊缝疲劳极限曲线外，而这些节点均不在焊缝位置。图示表明：电机及齿轮箱吊挂座焊缝疲劳强度满足设计要求。

6.5抗侧滚扭杆座疲劳强度

焊缝节点疲劳强度Goodman疲劳评定结果见图7。图示表明：所有节点均位于母材疲劳极限曲线内，抗侧滚扭杆座及焊缝疲劳强度满足设计要求。

6.6制动座疲劳强度

各焊缝节点疲劳强度Goodman疲劳评定结果见图8。图示表明：所有节点均位于母材疲劳极限曲线内，制动座及焊缝疲劳强度满足设计要求。

7结语

参照UIC615-4规范，对通勤车动车转向架构架进行了有限元强度分析，结果表明：（1）在模拟运用载荷作用下，通过对构架所有节点的17种载荷工况的分析，动车转向架构架各节点的应力幅值均不超过材料和焊缝的Goodman疲劳极限图，满足疲劳强度要求。（2）构架上主要各安装吊挂座能够满足疲劳强度设计要求。

参考文献：

[1]上海铁道学院主编.车辆强度计算理论[M].北京：中国铁道出版社，1981：126.

[2]赵建民.转向架构架的强度分析与可靠性评价[J].机车车辆工艺，1992，（4）：14.

[3]SehabertHansM．，MoserC．NaehweisderBetriebs-festigkeitvonDrehgestellenmadderenBauteilenaufdemSchwingungsprtifstand．·GesamtwirkungundwirtschafticheAspekte[J].ZEV+DETGlas．Ann.124（2000）4.291～296.