永磁直驱货运电力机车构架强度分析及结构优化

2021-03-20董胜敏

铁道机车车辆 2021年1期

董胜敏

（中车大同电力机车有限公司技术中心，山西大同 037038）

永磁直驱货运电力机车转向架构架是机车走行部的关键承载部件，在机车运行过程中要承受车体质量和构架上的各类部件（牵引电机、制动器、减振器等）产生的作用力及惯性载荷，受力条件复杂。根据标准EN 13749-2011：《铁路设施—轮组和转向架—转向架结构要求的规定方法》规定的载荷对转向架构架进行了强度分析，其中附着于构架的设备加速度首次采用特殊加速度20g，疲劳加速度6g，并且计算了构架模态。焊接构架的焊缝部位容易产生疲劳裂纹，依据ERRI B12/RP17：《铁路货车钢质车体底架及转向架试验程序》中的多轴应力转化为单轴应力的方法进行了构架母材及焊缝疲劳强度分析，进而对疲劳强度不合格的构架牵引梁进行了结构优化；优化后的构架静强度、疲劳强度均满足标准要求。

1 构架介绍

永磁直驱电力机车是我国继“快速客运电力机车”和“重载电力机车”之后，在交流电力机车领域又一突破。机车采用永磁直驱驱动系统+挠性板联轴器的转向架，由于直驱系统没有齿轮箱装配，提高了驱动系统的传动效率、可靠性、可维修性；维护成本较低；对环境友好，噪声及油污染少。

构架为“日”字形结构，由前端牵引梁、中间横梁、后端梁、两根左右对称的侧梁以及各安装座组成。梁体均为板材焊接箱梁，梁内部适当位置布有筋板，梁体上根据安装要求布置有牵引座板、电机吊座、轴箱拉杆座、减振器座、一系弹簧座、制动器安装座等，如图1所示。

转向架构架基本参数见表1。

转向架构架主要材料参数见表2。

表1 构架基本参数

表2 主要材料参数 MPa

2 构架有限元分析

永磁直驱电力机车转向架构架分析流程如图2所示。

图2 分析流程图

2.1 构架有限元模型

为了真实地模拟构架在各种工况下的受力及边界条件，在保证构架计算精度的前提下提高计算效率，在建立有限元分析模型时对模型进行如下简化处理：将车轴用梁单元模拟；车轴与轴箱体之间通过Revolute连接；轴箱体设置为刚体，并通过弹簧单元与构架相连；轴箱拉杆设置为刚体，拉杆体和芯轴之间通过Bushing连接，并根据橡胶关节参数设置轴向刚度、径向刚度、扭转刚度和偏转刚度；制动器用质量单元模拟。

构架有限元模型采用四面体单元进行网格划分，单元尺寸为12 mm，共2 232 255个单元，617 370个节点，如图3所示。

图3 构架有限元模型

2.2 构架边界条件

根据构架实际安装运用情况，对有限元模型施加如下边界条件：

垂向约束施加于模拟轮对滚动圆处；

横向约束施加于模拟轮对一侧滚动圆处；

纵向约束施加于牵引销处；

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作用在侧梁上的垂向载荷施加于构架二系橡胶堆座板处；

作用在侧梁上的横向载荷施加于构架二系橡胶堆座板处以及二系横向止档处；

轨道扭曲在对角线模拟车轮滚动圆处施加10‰或5‰的垂向位移。

2.3 载荷及工况

2.3.1计算载荷

按照标准EN 13749-2011，构架设计与评估的载荷工况分为超常载荷和运营载荷两大类。

第1类为静态载荷，用于验证施加极限（特殊）载荷后构架是否破坏或者去除载荷后构架是否遭受永久变形；第2类为疲劳载荷，用于验证构架在正常运行期间是否会发生疲劳失效的情况【1】。

永磁直驱电力机车牵引电机采用全架悬形式，在机车运行时电机产生的振动直接传导至构架上。构架运营工况的电机惯性载荷以往通常按照UIC 615-4-2003：《动力单元—转向架和走行机构—转向架构架结构强度试验》中规定的牵引电机自重3倍加载，或者TB/T 2368-2005：《动力转向架构架强度试验方法》中规定的各向振动加速2.5g加载。但是，根据既有车型动力学试验数据，电机垂向振动载荷往往大于3g，文中为了保证构架设计准确性选用EN 13749-2011规定的超常工况电机垂向振动加速度20g，运营工况电机垂向振动加速度6g。

2.3.2工况组合（见表4～表5）

2.4 强度评估

2.4.1静强度评估

在超常载荷工况下，构架各处的Von-Mises应力应小于相应材料的许用应力。超常载荷工况的计算结果如表6所示，从表中可以看出，构架各部位Von-Mises应力均低于相应材料的许用应力，构架最小安全系数为1.24，出现在电机短路工况详见图4。

2.4.2疲劳强度评估

构架疲劳强度评价按照ERRI B12/RP17中的多轴应力简化为等效单轴应力的方法，计算构架各种运营载荷工况和/或相关的组合载荷下的平均应力σm及最大主应力σmax、最小主应力σmin，然后采用Goodman疲劳界限图进行结果评估，各项应力均位于相应材料的Goodman疲劳界限图内，则构架疲劳强度满足要求。

表3 载荷列表

图4 电机短路工况应力云图

图5 母材疲劳强度评估图

图5是构架母材的疲劳强度评价结果，符合标准要求。

对构架焊缝的统计节点应力进行数据处理，有部分结果超出Goodman疲劳界限图界限，如图6所示；焊缝应力幅值最大为132.2 MPa，疲劳强度不符合要求。

表4 超常载荷工况

对结果进行分析可知，疲劳风险点主要集中在构架牵引梁焊缝，如图7所示，因此进一步优化牵引梁结构。

2.5 牵引梁结构优化

构架牵引梁受力情况复杂，需同时承受牵引载荷和电机惯性载荷。疲劳强度不合格主要是由于电机惯性载荷增大后牵引梁刚度不够造成的，为此，在保证电机安装接口前提下将牵引梁纵向加宽30 mm，垂向向下加高10 mm，降低牵引梁下平面与牵引座板间的高度差；优化后构架牵引梁焊缝疲劳强度结果如图8所示，牵引梁下盖板过渡圆弧处应力幅值为53.197 MPa，主体焊缝Goodman疲劳界限图见图9，疲劳强度合格。