基于40 t轴重转向架侧架的可靠性分析

许　万， 李　炯,2

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 中车长江车辆有限公司， 湖北 武汉 430212)



基于40 t轴重转向架侧架的可靠性分析

许万1， 李炯1,2

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 中车长江车辆有限公司， 湖北 武汉 430212)

货车侧架是铁路货运转向架的一个关键部分，侧架的可靠性不仅直接关系到转向架合格与否，甚至攸关车辆运行安全。以转向架侧架组成为研究对象，依据AAR标准中铸钢转向架侧架确定的40 t轴重转向架B+级钢铸造侧架的相关技术要求，通过建立三维建模，采用ANSYS11.0有限元软件对该侧架的可靠性、安全性进行评估分析。

侧架； 三维建模； 有限元； 可靠性

转向架作为支撑铁路货车车体的走行部件，不仅增加了车体长度和载重，而且承受并传递从车体至轮对之间、轮轨至车体之间的载荷。侧架在转向架中起到不可替代的作用，是整个转向架的基础，各零部件通过侧架组成一个整体。建立数学模型、评估分析侧架的性能指标可以为铁路货车降低运行事故、提高车辆质量提供一套完整的检测方法。

1　转向架侧架组成分析

1.1侧架组成的结构

转向架一般包含轮对组成、侧架组成、制动装置、轴箱悬挂装置、摇枕组成、旁承装置等几个部分。转向架承载车体在轨道上运动时，侧架承载和传递来自各个地方的作用力和载荷。同时侧架的结构、尺寸、形状应该满足弹簧减震装置、制动装置等的设计组装要求。一般来说，侧架两侧梁纵向中心线间的距离和轮对轴颈中心距是一致且固定的。转向架及侧架组成实物如图1、图2所示。

图 1　转向架

图 2　转向架侧架组成

常见的侧架组成由侧架立柱磨耗板、侧架、滑槽磨耗板等组合而成。侧架立柱磨耗板材质一般为45钢，用折头螺栓、防松螺母将其紧固于侧架上，同时与侧架上下连接部位加以焊接。导框摇动座底面为圆弧形，承载鞍顶面也是圆弧形，两圆弧形成滚动副，使侧架像吊杆一样具有摆动的功能，提高了车辆的横向性能。通过Pro/E建立转向架及侧架组成的三维模型如图3、图4所示。

1-侧架；2-轮对；3-中央悬挂及组合式斜楔；4-摇枕；5-轴箱悬挂装置；6-TMX单元制动装置；7-弹性旁承图 3　转向架三维模型及构造

1-立柱磨耗板；2-滑槽磨耗板；3-侧架图 4　侧架组成三维模型及构造

1.2侧架承受载荷方式

侧架与轮对、轴箱之间有3种载荷传递方式：1)转向架的每侧有均衡梁，呈纵向布置。均衡梁两端支于前后两个轴箱上，均衡梁上有弹簧和弹簧座，侧架组成由弹簧支承[1]；2)侧架组成全部由轴箱顶部的弹簧支承；3)轴箱两侧有弹簧托盘，侧架组成由弹簧托盘上的轴承弹簧支承。

2　设计载荷与设定标准

按照平均数假设每个转向架轮对及承载鞍重3156 kg, 则每侧架弹簧承台上的垂直静载荷

F/kN= (2×40000-3156)×9.8/2=376.5

转向架每侧有均衡梁，可假定侧架组成由均衡弹簧支承，受两个垂向约束和中心载荷(图5)。

图 5　侧架组成承受载荷及约束示意图

3　侧架运行过程中可靠性指标分析及标准设定

3.1静强度设计载荷工况与设定标准

静强度设计载荷工况与评定标准如表1所示，其中垂向载荷1.5F施加在弹簧承台上横向载荷0.4F施加在侧架立柱边缘。，

表1　受力分析及标准设定

3.2疲劳载荷评定与载荷情况分析

3.2.1疲劳载荷求解及验证要计算转向架侧架的疲劳强度，即求解侧架在货车每个厂休和段休期之间运行过程中受理论计算交变载荷次数后而不发生结构性故障的最大应力[2]。通常情况下，采用应力-寿命法进行求解：1)先要计算求解侧架在运动过程中承受的纵向载荷和横向载荷；2)按照摇枕侧架运行条件下以载荷从小到大渐变顺序进行加载；3)一般情况下可采用非对称循环公式对单个侧架进行疲劳估算，然后用Goodman方程验证试验结果的准确性，即

(1)

货车运行工况对转向架侧架的材料要求很高，包括侧架铸件在内的立柱摩耗板、滑槽摩耗板、导框摩耗板等部件组成都要求为AAR标准下的B+级钢，仅下心盘允许采用非金属材质。以侧架使用的B+铸钢S-N曲线为基准值进行应力分析，缺陷系数按照通用标准取定为1.5(在正常铸造件合理范围内)进行计算[3]。

3.2.2疲劳载荷工况及标准值由于疲劳受载条件下失效破坏是机械零部件失效的主要形式，而且转向架侧架对整个车体和车轮都有保护作用，一旦受到破坏就容易导致行车安全事故，所以取值都按照最大应力进行标定。转向架侧架的垂向受载荷范围取定0～2.4F，按照运动过程中需要考虑其他非车辆本身因素的影响取为240 MPa；内外两面的疲劳极限取值为300 MPa；左右两边的扭矩位置即平面力偶取值为200 MPa。详细设定如表2所示。

表2　疲劳载荷分析及基准取定

3.2.3侧架组成的加载模型侧架组成加载方法如图6所示，即对侧架组成进行垂直加载、施加扭转载荷、横向加载。

1-扭转和横向载荷；2-垂直载荷；3-垂直载荷块；4-架载梁图 6　侧架组成加载模型示意图

3.3刚度设定标准

刚度评定的载荷工况与考核标准如表3所示。

表3　刚度评定的载荷工况与考核标准

4　建模求解

4.1建模思路

对转向架单边侧架组成进行三维建模，然后导入ANSYS11.0中，通过虚拟运行所有负载，分析结果并得出结论。建模过程如图7所示。

图 7　侧架组成三维建模过程图

4.2有限元离散模型

按照建模步骤对转向架侧架进行有限元分析，利用软件网格划分功能对虚拟三维模型进行网格化(图8)。

图 8　侧架结构离散网格模型

同时在侧架两边轴承位置添加2个模拟约束，在侧架中间添加中心载荷以模拟现实环境。具体数据如表4所示。

表4　模型统计数据

5　应力计算结果及强度评价

5.1静强度计算结果及评价

在侧架结构模型上施加表1中所列载荷工况，VON-MISES应力计算结果及静强度评价见图9。通过分析可知，最大应力134.6 MPa,出现在弹簧套筒边缘处，该值小于B+级铸钢侧架的许用应力评定标准(许用应力为151.2 MPa)[4]，故认为侧架静强度满足设计要求。

图 9　静强度设计载荷下的应力计算

5.2疲劳强度计算结果及评价

按照疲劳强度设定环境和加载情况进行模拟加载，计算结果如图10所示。转向架侧架垂向、纵向载荷一起加载情况下，最大应力值为200.1 MPa，小于给定的240 MPa，分析判断40 t轴重转向架侧架满足缺陷系数下通过37.5万次的疲劳试验。

图10　疲劳试验载荷工况下的应力计算结果

5.3刚度计算结果及评价

各载荷下挠度计算结果及评定见表5和图11。通过分析可知，在横向载荷及垂直载荷下，最大挠度均小于规定值，刚度满足设计要求。

表5　最大挠度及评定

(心盘垂向载荷2.14F下的挠度)　(横向载荷0.57F下的挠度)图11 刚度评定载荷工况下的变形计算结果

6　结束语

本文以铁路运输车辆转向架上关键部件侧架组成为对象，模拟现实运行过程中的条件，给定一定参考标准的载荷、疲劳强度和刚度指标等，通过建立三维模型导入ANSYS11.0软件进行虚拟运行，检验在一定条件下侧架组成各项与可靠性、安全性直接相关的性能指标[5]，经分析静强度、疲劳强度的建模，最大应力值分别为134.6 MPa、200.1 MPa，刚度的最大建模挠度分别为2.44 mm和1.30 mm，在理论设定载荷和标准取值范围内，侧架可靠性满足运行需求，结果可靠。同时这种建模方法可以运用到各大、中型机械制造型企业的零部件生产检验过程中。

[1]严隽耄, 傅茂海. 车辆工程[M]. 北京:中国铁道出版社, 2011 :30-36.

[2]李英民, 韩军, 刘立平. ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J]. 重庆建筑大学学报, 2006, 28(5):90-96.

[3]陈磊. 基于ANSYS的钢筋混凝土结构试验有限元分析[D]. 西安:西安理工大学, 2004.

[4]谷叶水. 客车车身骨架结构有限元分析与研究[D]. 合肥:合肥工业大学, 2005.

[5]杨志慧. 汽车发动机机体有限元分析[D]. 武汉:武汉理工大学, 2007.

[责任编校： 张众]

Reliability Analysis of the Side Frame Based on 40t Axle Load

XU Wan1, LI Jiong1, 2

(1SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China；2CRRCYangtzeCo,.Ltd,Wuhan430212,China)

Side frame is a critical part of the railway freight bogies. Reliability of side frame is directly related to the bogie qualified or not, and even directly with the safety of freight operation. This paper takes the bogie side frame as the study objects. Based on the relevant technical requirements of B + grade steel casting side frame from AAR standard cast steel 40t axle load bogie side frame and through the establishment of three-dimensional modeling and using finite element software ANSYS11.0, it analyzes and assesses the reliability and safety of the side frame.

side frame; three-dimensional modeling; FEM; reliability

2016-04-22

许万(1979-)， 男，湖北武汉人，工学博士，湖北工业大学副教授，研究方向为网络化控制系统,运动控制等

李炯(1988-)，男，湖北黄冈人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机电一体化，过程控制等

1003-4684(2016)04-0007-04

TP29

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