某维护牵引车转向架构架强度的有限元分析

邓赞　杨绍波

摘要：利用有限元分析软件，对某磁浮项目中的维护牵引车转向架在运行中的极限工况进行了静强度校核，同时使用Goodman-smith疲劳极限曲线图法对构架进行了疲劳强度评定。从而证明了设计的合理性，为后续结构的改进和优化提供了理论依据，为同类型转向架的设计研发提供了参考。

Abstract： The static structure strength of the frame of a locomotive bogie for facilities maintenance in a maglev project in ultimate conditions was evaluated through finite element analysis software， and the fatigue strength evaluation of the frame was assessed by Goodman—smith fatigue limit curve diagram. This study provides the theoretical certification of feasibility in this project and theoretical evidence for further promotion and optimization， as well as valuable reference for the design of the same types of bogie.

关键词：牵引车;转向架构架;有限元分析;Goodman-smith疲劳极限曲线图

Key words： locomotive;bogie frame;finite element analysis;Goodman-smith fatigue limit curve

0  引言

转向架是牵引车最关键的零部件之一，是车辆转向、制动、传递牵引力和支撑车体的重要载体。而转向架构架是转向架的主体结构，因此牵引车转向架构架的可靠性对机车的运行的性能和安全至关重要[1]。在设计阶段，有必要对转向架构架进行静强度和疲劳强度评定。

某磁浮工程维护牵引车是湘电重型装备有限公司為保障国内第一条完全拥有自主知识产权的中低速磁悬浮列车线路运营而研发的一种工程车辆，由于车辆运行道路的特殊性——车辆运行轨道比较窄，在国内外没有可供参考的设计。本文通过建立了转向架构架有限元分析模型，完成了转向架构架的强度分析，并根据Goodman-smith疲劳极限曲线图法对构架进行了疲劳强度评定。

1  有限元模型的建立

首先在三维软件平台上建立牵引车转向架构架的三维模型，然后在Workbench中进行有限元网格划分，最后在ANSYS中进行仿真计算。

转向架构架是由钢板焊接而成的全封闭结构，在构架上设有一系橡胶弹簧安装座、二系弹簧安装座、拉绳吊座、牵引拉杆座、横向止档座、导向支架等相关部件。横梁和侧梁内部设有筋板，以加强构架的强度和刚度。构架使用的材料为Q345B低合金高强度钢（见表1）。

在建立转向架构架有限元模型时，对焊接处进行如下简化和假设（如图1所示）：选取焊接处焊料性能与母材一致。忽略对结构影响不大的孔、过渡圆角、倒角及一些细小的搭接边上的凸台。去掉工艺块、安全吊等对构件强度影响较的小零件。导向支架与转向架构架主体间的螺栓连接也使用刚性连接模拟简化。

由于板壳模型的计算量相对实体模型偏小，且计算精度能够满足工程要求，对网格的控制方面更容易采用高精度的单元[2]，本文将构架的板材处理成面来进行计算。转向架二系弹簧上所承载的主要部件有：车架、驾驶室、发动机、发电机及其各种附件等，这些主要部件质量折算成下压力直接加载于转向架之上;对于一系弹簧悬架和轮对部分，由于不在本次分析范围内，则省略后在原一系弹簧位置直接进行约束。有限元网格划分采用自由划分网格和强制六面体网格划分相结合的方法。转向架主体和导向支架有限元模型分别如图2和图3所示。

2  静强度计算

2.1 计算工况

为了能够全面地评估构架的可靠性，对于转向架构架主体本文选定了牵引车运行过程中的4种极限工况来进行校核计算，对于导向支架选取2种极限工况进行校核计算。转向架构架的4种极限工况见表2。

2.2 计算结果

利用ANSYS完成有限元计算并进行后处理后得到各工况下的Von Mises应力分布情况。向架构架主体的4种极限工况应力云图如图4所示。从图4可知，构架主体最大应力发生在工况2，最大应力为98MPa，同时4种工况最大应力位置都在侧梁末端与轮对大梁加强筋的连接处。

导向支架在2种极限工况下的应力云图如图5所示。从图5可知，导向支架最大应力都出现在两种极限工况中，最大应力为197MPa。工况1时，最大应力位置为下支架加强筋处;工况2时，最大应力位置为下弯板折弯位置。

Q345材料屈服强度极限为345MPa。由上面的分析可知，最大应力都小于材料的屈服强度极限。转向架构架的最小安全系数为3.52，导向支架的最小安全系数为1.75。在运用载荷情况下，材料的极限强度对应的安全系数S为2.2，材料的屈服强度对应的安全系数S在无焊缝区为1.5，有焊缝区为1.65[3]。由此可知，转向架两个部件的安全系数都大于1.65，满足运用载荷下的静强度要求。

3  一般工况下的疲劳强度评定

对构架疲劳强度的评定，我国目前还没有自己的疲劳极限图。本文采用已被国际铁路联盟UIC的研究组织ORE第12专题组推荐使用的Smith疲劳强度图法，也称为Goodman-smith疲劳度曲线图法[4]。

根据维护牵引车的动力学分析计算，牵引车以35km/h的速度在FRA 5级谱的直线轨道上运行时（一般工况），得到单个二系弹簧力的时间历程曲线如图6所示。弹力的平均值为18390N，最大值20145N，最小值16657N。

由静力学计算可知，转向架构架在一般工况下的最大应力值为63.92MPa。根据材料力学的相关理论，材料在弹性变形阶段，应力与载荷成线性关系，由此可得到转向架构架的最大应力？滓max=69.08MPa，最小应力？滓min=57.12MPa。

参考教科装[2001]21号文《200km/h 及以上速度級铁道车辆强度设计及实验鉴定暂行规定》可以计算得到

考虑到材料Q345B的抗拉强度为？滓b=470～630MPa，为保守起见，采用ORE B12/RP17提供的抗拉强度不小于420N/mm2钢的Goodman-smith疲劳度曲线图，如图7所示。

根据计算所得数据，结合Goodman-smith疲劳极限曲线图[5]，可知转向架构架的应力幅值位于安全区域内，且有较大的富余，因此转向架构架满足疲劳强度要求。

4  结论

利用有限元方法对转向架构架进行了强度分析，从分析的结果可以看出，转向架构架的应力分布较为均匀、合理，在极限工况下构架仍具有足够的安全裕度。

参照 ERRI B12/RP17 规定，用Goodman-smith疲劳极限曲线图法对构架进行疲劳强度评定。结果表明构所有节点均在疲劳极限曲线包络线内，能够满足疲劳强度的要求。

此次计算分析结果可为后期的应力测定实验提供指导作用，为合理确定应力测定位置提供了参考。并为后面的进一步的结构改进和优化工作提供了依据，也为同类型机车转向架的设计和研发提供了借鉴。

参考文献：

[1]郁炜，江海兵.机车转向架构架强度的有限元分析[J].机械制造，2008，46（08）：7-9.

[2]卢耀辉，冯振，陈天利，曾京，邬平波.铁道车辆转向架构架多轴疲劳强度有限元分析方法[J].北京交通大学学报，2014，04：26-31，39.

[3]刘红艳.地铁车辆转向架构架强度分析[J].中国科技信息，2014，05：179-181.

[4]张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J].机械设计与制造，2009，01：45-47.

[5]中华人民共和国铁道部.TB/T 2368—2005，动力转向架构架强度试验方法[S].北京：中国标准出版社，2005.