转向架构架疲劳应力计算与评估

兰清群，王伟

1.安徽交通职业技术学院，安徽 合肥 230051；2.合肥市轨道交通集团有限公司 运营分公司，安徽 合肥 230000

0 引言

随着轨道交通车辆的快速发展，车辆关键部件的强度成为影响运行安全的重要因素。由于车辆结构复杂且试验费用昂贵，通过仿真软件对疲劳强度预测评估成为一项重要手段[1-3]。轻量化等强度和等刚度设计已成为轨道交通车辆转向架构架的基本要求。国内学者对转向架焊接构架的疲劳强度校核及可靠性提升进行了广泛研究[4-6]。文献[7]研究了标准动车组转向架构架的疲劳可靠性并提出结构优化方法。文献[8-14]研究了铁道车辆转向架构架疲劳强度并提出动载荷识别方法。文献[15-19]对焊接构架疲劳强度及动态特性进行分析，提出焊接构架疲劳强度的评估方法。文献[20-21]提出了基于载荷谱提升转向架构架疲劳可靠性的方法。以往研究主要考虑模拟运营载荷和超常载荷对构架强度的影响，而未考虑局部动载荷的影响，随着列车运行速度不断提高及转向架轻量化的发展趋势，容易引起转向架构架振动频率与线路固有频率重叠，导致转向架构架受到动载荷影响而产生较大的疲劳损伤。

本文以某低地板车辆转向架构架为研究对象，依据文献[22-23]要求，采用ANSYS有限元仿真软件搭建仿真模型，充分考虑动应力对构架疲劳强度的影响，分别计算构架的母材、打磨的焊缝边缘部位和不打磨焊缝边缘部位的3组包络线的许用应力，与其余工况的组合变化应力比较，评价构架的疲劳强度是否满足设计要求。

1 转向架构架有限元计算模型

采用AutoCAD和SolidWorks软件进行建模和局部简化后，由ANSYS有限元仿真软件对转向架构架模型自动离散。根据构架的结构特点，板类结构采用Shell单元离散，座类结构采用Solid单元离散，端梁采用Beam单元离散，电机齿轮箱单元质点处建立Mass单元，模拟安装部件质量。为使模型更加精确，受力复杂的部位由人工干预离散。构架共离散成140 442个节点，74 156个单元。转向架构架实体模型如图1所示，离散后有限元计算模型如图2所示。

图1 转向架构架实体模型 图2 转向架构架有限元模型

构架支撑在轴箱弹簧支座上，在每个支撑面上建立弹簧边界单元，弹簧边界单元的垂向、横向和纵向刚度为一系悬挂对应的3个方向刚度，弹簧边界单元共计32个。模型坐标原点位于构架中心，x轴方向为横向水平向右方向，y轴方向为车辆前进方向，z轴方向垂直向上指向横梁上盖板位置。构架垂向载荷作用在侧梁弹簧座上，横向载荷作用在侧梁腹部的横向止挡位上，斜对称载荷作用在构架最外端的轴箱弹簧座上，牵引力作用在构架侧梁的牵引拉杆座上。转向架构架主要参数如表1所示。

表1 转向架构架主要参数

2 载荷及强度设计条件

2.1 静载荷

静载荷是指车辆在静止状态下构架所承受的载荷，转向架构架上的静载荷[22]

W=W1+W2+W3，

式中：W1为车体重量，W2为车辆的装载重量，W3为转向架重量。

根据轴和转向架重量，可计算得到每侧弹簧座垂向静载荷为115.03 kN，每个电机齿轮箱重量为7.85 kN。转向架构架的静载荷条件如表2所示。

表2 转向架构架的静载荷条件

2.2 动载荷

动载荷是指车辆在运行状态下构架所承受的载荷，分为静载荷与附加系数的乘积所表示的载荷以及安装部件的特性所决定的载荷[22]。由于横向止挡对称布置，仅加一侧作用于横向止挡的水平方向载荷作为1个计算工况，有限元后处理时计算结果以所加载荷一侧为准。不同动载荷条件下的计算工况的边界约束条件略有不同，根据实际装配结构，各工况统一为轴箱3向弹性约束，其刚度与实际一系刚度相同[23]。将文献[22]中规定的驱动力作用于驱动装置座的载荷转化为电机齿轮箱质心点的扭矩，取轮轨黏着因数为0.3，根据黏着限制，不考虑传动系扭矩损失和电机扭矩输出特性，得到转向架构架的动载荷及作用位置如表3所示。

表3 转向架构架的动载荷及作用位置

注：g为重力加速度。

2.3 强度设计条件

图3 SMA490应力极限图

国内转向架构架采用的材料为16MnR，与日本SMA490材料性能相近[24]，采用文献[22]中SMA490材料性能数据作为评定依据，SMA490的应力极限图如图3所示。图3中红色线条包络区域为疲劳强度的评定区域，σB为抗拉强度，σB=490 MPa；σ0为屈服应力，σ0=305 MPa；σw1、σw2、σw3分别为母材疲劳许用应力、不打磨焊接边缘部位疲劳许用应力、打磨焊接边缘部位疲劳许用应力，取值分别为155、70、110 MPa；σm为交点应力。

3 构架强度计算结果分析

3.1 构架应力计算

平均应力是按照工况1的静载荷所计算出的各个应力代数和的平均值[22-23],组合动应力σamp是所有动载荷应力的合成，计算公式[25]为：

(1)

式中：σz1、σz2、σz3、σz4分别为载荷Wz1、Wz2、Wz3、Wz4产生的应力，σy1、σy2、σy3分别为载荷Wy1、Wy2、Wy3产生的应力，σx1、σx2、σx3分别为载荷Wx1、Wx2、Wx3产生的应力，σr为载荷Wr产生的应力。

利用ANSYS有限元仿真软件计算构架在静载荷作用下的平均应力分布，得到母材、打磨的焊缝边缘部位和不打磨的焊缝边缘部位红色包络线内平均应力下的许用应力σper，如图4所示。根据式(1)在模型中加载得到转向架构架的应力云图如图5所示。由图5可知，最大应力出现在牵引拉杆座过渡部位。

a)母材 b)打磨焊缝边缘部位 c)不打磨焊缝边缘部位 图4 转向架构架σper云图

a)整体 b)牵引拉杆座 图5 转向架构架应力云图

3.2 构架疲劳强度校核

疲劳安全裕量

σd=σper-σamp，

若σd≥0，结构疲劳强度足够；若σd<0，说明结构疲劳强度不足。

疲劳安全系数

η=σper/σamp，

若η≥1，则构架疲劳强度满足要求。

3.2.1 母材强度校核

转向架构架母材的σd云图如图6所示，构架母材的η云图如图7所示(图中灰色部分η>5)。由图6可知：转向架构架母材的最小σd位于侧梁立板与上盖板折弯连接处，侧梁立板与下盖板连接处和横向减振器座与电机吊座部位的σd也较小，但都有一定的裕量。由图7可知，所有部位η>1，母材疲劳强度满足要求。

图6 转向架构架母材σd云图 图7 转向架构架母材η云图

3.2.2 打磨焊缝边缘部位强度校核

转向架构架打磨焊缝边缘部位的σd云图如图8所示，打磨焊缝边缘部位的η云图如图9所示(图中灰色部分η>5)。由图8可知，打磨焊缝边缘部位的最小σd位于内轴箱座与侧梁下盖板连接处、侧梁下盖板与立板折弯连接处、侧梁上盖板与立板折弯连接处，横向减振器加强立板与横梁上盖板连接处的σd也较低，但都有一定的裕量。由图9可知，打磨焊缝边缘部位η>1。转向架构架各焊缝满足规范中焊缝打磨要求时，打磨焊缝边缘部位构架疲劳强度满足要求。

图8 打磨焊缝边缘部位σd云图 图9 打磨焊缝边缘部位η云图

3.2.3 不打磨焊缝边缘部位强度校核

假定转向架构架焊缝全部不打磨，得到不打磨焊缝边缘部位的σd云图如图10所示，不打磨焊缝边缘部位的η云图如图11所示(图中灰色部分η>5)。由图10、11可知，不打磨焊缝边缘部位σd<0，σd较小的焊缝为构架2个侧梁盖板过渡部位、横梁横向减振器及电机吊座部位。该部位必须进行焊缝打磨以满足疲劳强度要求。

图10 不打磨焊缝边缘部位σd云图 图11 不打磨焊缝边缘部位η云图

4 结论

ANSYS有限元仿真可作为评估低地板车辆转向架构架疲劳强度的重要手段，在考虑动应力的情况下，分别计算转向架构架母材、打磨过的焊缝边缘部位和不打磨焊缝边缘部位的3组包络线对应的许用应力幅值，与各工况的组合变化应力幅值相比较，根据疲劳安全裕量云图和疲劳安全系数云图预测转向架构架结构的薄弱部位，评价构架的疲劳强度是否满足设计要求。转向架构架母材及打磨焊缝边缘部位有一定的疲劳安全裕量，能满足疲劳强度的要求。在疲劳安全系数较低的焊缝部位应严格控制焊接质量并焊后打磨以满足疲劳强度要求。