30 t轴重电力机车转向架构架的静强度与疲劳强度分析及模态分析

杨 萌，李 强，彭永明，马呈祥

（1 北京交通大学 机电学院，北京100044；2 大同电力机车有限责任公司，山西大同037038）

30 t轴重电力机车转向架构架的静强度与疲劳强度分析及模态分析

杨 萌1，李 强1，彭永明2，马呈祥2

（1 北京交通大学 机电学院，北京100044；2 大同电力机车有限责任公司，山西大同037038）

依据UIC 615-4规程的有关内容对设计的30 t轴重机车转向架构架强度进行校核分析，计算了转向架构架在超常工况和模拟运营工况下的载荷，采用Hypermesh软件对三维实体模型进行结构离散化，再利用ANSYS软件对转向架构架的静强度和疲劳强度以及模态进行分析。计算结果表明，该转向架构架能够满足车辆运营要求。

转向架构架；强度分析；模态分析

实现重载运输有两个有效途径，一是设计多轴转向架，二是增大轴重。跟随国内铁路行业发展重载货运的趋势，大同电力机车有限责任公司设计开发了新型30t轴重交流传动电力机车转向架。转向架构架是车辆的重要部件之一，它直接承载车体质量，保证车辆顺利通过曲线。转向架的各种参数直接决定了车辆运行的平稳性、曲线通过安全性和乘坐舒适度。

本文参照UIC 615-4规程的有关内容，确定强度计算载荷和强度评估方法，构架应力计算采用美国ANSYS公司商业版ANSYS11.0软件进行。研究构架在超常工况下的静强度和模拟运营工况下的疲劳强度，经过计算，得出构架满足强度条件的结论。

1 构架模型简介

1.1 构架结构特点

为了适应大轴重的运营情况，优化动力学性能，转向架构架放弃了3大件式构架形式，由两根左右对称的侧梁、端梁、牵引梁和中央横梁组成准构架结构，整体呈“日”字形。侧梁、牵引梁、中央横梁和端梁均为采用上下盖板和立板焊接起来的箱形梁，梁内部适当位置布有筋板。

机车转向架为两轴驱动。采用二系悬挂，一系悬挂使用钢圆弹簧配合垂向减振器，二系悬挂使用橡胶堆传递垂向载荷，并配有横向减振器。轴箱采用双拉杆定位方式。交流电机和齿轮传动系统组成驱动单元，一端通过电机吊杆连接在中央横梁上，另一端固定在抱轴箱上。中央横梁电机吊座旁还设置有防脱落装置吊座。牵引梁上设计有锥形牵引座，牵引拉杆固定在上面完成牵引。考虑到大轴重货运车轮磨损较严重，采用轮盘制动，制动吊座安装在牵引梁和端梁内侧立板上。

1.2 构架有限元模型

使用Hypermesh软件对构架三维实体模型进行离散化，共划分单元160 363个，节点89 662个。箱型梁各板材使用板壳单元shell63，各种设备吊座使用实体单元solid45。电机质心位置创建质心单元mass21，用刚性连接单元rigid与相应的电机吊座位置进行连接。在轴箱弹簧座和转臂橡胶节点处使用弹簧单元combin14模拟弹簧及橡胶堆各向刚度，自由端约束。设置材料属性：弹性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3。离散模型见图1所示。

图1 构架的有限元模型

2 载荷、工况的确定及计算结果

构架的主要参数见表1

表1 构架的主要参数

参照UIC615-4规程的计算方法，并根据具体的结构参数来确定超常载荷和模拟运营载荷。构架载荷分布情况如图2所示。

图2 构架载荷分布

2.1 超常载荷与工况

超常载荷是指车辆运用中可能发生的最大载荷，用来验证构架在运行中可能承受的最大载荷共同作用时，是否有发生持久变形的危险。

它主要包括：

（1）垂向载荷：作用在二系悬挂安装座上，考虑动载系数k。

（2）横向载荷：由二系悬挂安装座和一个横向止挡共同承担。

其中，每个二系悬挂安装座上的横向力：

Fy＿Ss＝二系悬挂横向刚度×（横向止挡自由量＋横向止挡最大压缩量）＝21.9kN

（3）纵向载荷：作用在牵引座锥形柱外表面。机车整车起动牵引力894kN，则每个转向架上受到的纵向力

（4）轨道扭曲：在一轮的情况下轨道扭曲量取Dpz或者在两轮情况下对角位置取Dpz/2。

2.2 超常载荷作用下计算结果

分别计算各载荷单独作用时以及组合工况下的应力分布情况，结果统计于表2。应力分布如图3～图6所示。

表2 各载荷单独作用时应力结果统计MPa

对于各超常载荷工况，最大应力出现在垂向载荷（k＝2）时，为228.07MPa，在超常载荷组合工况下（垂向载荷取k＝1.4时），最大应力为224.01MPa。

图3 垂向载荷单独作用时应力分布云图

图4 横向载荷单独作用时应力分布云图

图5 纵向载荷单独作用时应力分布云图

图6 轨道扭曲载荷单独作用时应力分布云图

图7 超常载荷组合工况最大应力位置

在超常载荷单独作用工况和组合工况下，最大应力位置均出现在轴箱弹簧支撑座上，也就是垂向载荷的主要承载部位，如图7所示。

这主要是由于大轴重对于机车转向架，垂向载荷较其他载荷更大一些，最大应力出现的位置也由它主导。

2.3 模拟运营载荷与工况

模拟运营载荷是指车辆在实际运营中经常承受的载荷，用来验证构架在运行中承受各项载荷共同作用时，是否有出现疲劳裂纹的危险。

它主要包括（见图8）：

（1）垂向：作用在二系悬挂安装座上。考虑承受车体的沉浮（β＝0.2）和侧滚（α＝0.1）。

（2）横向：由二系悬挂安装座和一个横向止挡共同承担。

（3）轨道扭曲：在一轮的情况下轨道扭曲量取Dpz或者在两轮情况下对角位置取Dpz/2。

（4）牵引：作用在牵引座锥形柱外表面。机车整车持续牵引力691 k N，则每个转向架上受到的纵向力

（5）常用制动：采用轮盘制动方式。作用在制动装置安装座内孔。每个制动单元闸片与制动盘间的摩擦力为：

其中FN为制动正压力，33 k N；α为摩擦系数，0.35。

（6）菱形扭动

（7）减振器

二系横向减振器卸荷力11 k N，放大1.5倍为16.5 k N；

一系垂向减振器卸荷力7 k N，放大1.5倍为10.5 k N。

（8）电机惯性载荷

根据UIC615-4标准，设置模拟运营载荷的组合工况。

2.4 模拟运营载荷作用下计算结果

疲劳强度分析时，在构架结构上分别计算各运营载荷组合工况作用下不同位置的结构应力，并从中找出最大值和最小值，通过计算得出平均应力和应力幅值。

先根据构架的结构特征及应力较大位置确定一些易发生疲劳裂纹的危险位置。危险位置及应力计算结果统计于表2。

3 构架静、动强度评估

3.1 静强度评估方法

根据UIC 615-4标准，在超常载荷各载荷单独和组合作用下，转向架构架任何各点应力均不得超过超常载荷许用应力。

3.2 疲劳强度评估方法

疲劳极限应力由Haigh疲劳评价曲线图给出，该图以平均应力为横坐标，以应力幅值为纵坐标，以Goodman线性经验为基础的简化疲劳极限限界图。在模拟运营载荷作用下，转向架构架上任意两种载荷工况所产生的应力差及平均应力应在相应材料或接头的疲劳极限线图的界限之内，即所考查的危险位置对应的点应在疲劳极限图的限界之内。

表3 模拟运营载荷组合工况计算结果MPa

3.3 静强度评估

在超常载荷各载荷单独作用时，最大应力出现在垂向载荷（k＝2时），轴箱弹簧座支撑座立柱边缘处，其值为228.07 MPa；超常载荷组合工况时，最大应力仍出现在这个位置，其值为224.01 MPa，它们都小于E260-450MS材料铸件的屈服极限260 MPa。

同时，构架的大应力位置还包括侧梁止挡位置内部筋板、侧梁下盖板弯曲位置边缘等，它们的应力值也小于S500MC钢的屈服极限500 MPa及接头的许用应力455 MPa。

因此，该构架静强度满足要求。但是在制造过程中应该尤其注意这些位置的焊接质量。

3.4 动强度评估

将表3统计的12个危险位置的平均应力和动应力幅值，绘入相应的母材/焊缝及铸件的Haigh疲劳评价曲线图，见图8。

可知构架及其吊座的动应力范围均未超出Haigh疲劳评价曲线图的界定范围，且裕量较大。因此，该构架疲劳强度满足要求。但是侧梁下盖板弯曲位置与内立板焊缝、横梁内驱动单元座位置加强筋板和侧梁与牵引梁位置下盖板过渡圆弧位置动应力较大，在检修时应多加观察检测。

4 模态分析

构架的模态是构架各阶振型及其固有频率的总称，属于构架的固有特性（即动态特性），它与构架在动态条件下的运用品质有着密切的联系。

通过有限元分析计算构架的自由模态，表4列出了构架的前6阶弹性振型及其固有频率值。

有限元模态分析计算结果表明，构架的第一阶振型特征为两侧梁反向点头，即构架的扭转变形，见图9，频率为47.6 Hz，根据动力学及模态分析原理可知构架的扭转刚度不大，这有利于车辆适应轨道的垂向不平顺。

图8 构架材料母材、焊缝及铸件的Haigh曲线图

表4 构架模态分析结果

图9 构架一阶振型

5 结 论

参照UIC 615-4规程，对转向架构架进行了静、动强度计算、评估，分析结果如下：

（1）超常载荷工况下，最大应力为228.07 MPa，位置在轴箱弹簧座支撑座立柱边缘，小于E260-450MS材料铸件的屈服极限260 MPa。横侧梁板材上的各点应力也小于S500MC钢的屈服极限500 MPa及接头的许用应力455 MPa。该构架的静强度满足要求。

（2）疲劳载荷工况下，构架及其吊座的动应力范围均未超出Haigh曲线图的界定范围。该构架的疲劳强度满足要求。

（3）该构架的一阶固有频率47.591 Hz，振型特征为两侧梁反向点头，说明构架的扭转刚度不大，动态性能较好。

［1］ 严隽耄.车辆工程［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［2］ 王文静，刘志明，李 强，等.CRH2动车转向架构架疲劳强度分析［J］.北京交通大学学报，2009，33（1）：5-9.

［3］ 冯遵委，陈德强，楚永萍.基于Hyper Works的PW80E-IV型转向架动车构架静强度和疲劳强度计算与分析［J］.铁道车辆，2013，51（3）：6-9.

［4］ 杜子学，朱兴高，胡启国.跨座式单轨车辆转向架构架模态分析［J］.机械设计与制造，2011，（11）：222-223.

Strength and Modal Analysis of 30 t Electric Locomotive Bogie Frame

YANG Meng1，LI Qiang1，PENG Yongming2，MA Chengxiang2
（1 School of Mechanical Electronic and Control engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2 Datong Electric Locomotive Co.，Ltd.，Datong 037038 Shanxi，China）

The 30 t electric locomotive bogie was verified based on UIC615-4 specification.The load under exceptional conditions and simulate operation conditions was calculated，and the FEA model was set up by Hypermesh software，then the static strength，fatigue stress and modal frequencies and modal shapes were analyzed by ANASYS software.The calculation results showed that the bogie frame met the design requirements.

bogie frame；strength analysis；modal analysis

U264.8.331＋.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.05

1008－7842（2014）03－0018－05

�）女，硕士生（

2013－12－23）