一种快速轨道交通转向架构架强度计算与分析

2022-06-24孙海东

科学技术创新 2022年18期

蒋军乔燕孙海东

（中车南京浦镇车辆有限公司,江苏南京 210031）

近年来,轨道交通行业快速的发展,随着城市内的轨道交通的日趋完善,当前市郊、市域车辆的市场需求越来越大,这些车辆最主要是提供较市内轨道交通更快的速度,以满足相对长里程、长站距的实际运营需要。本文针对一种快速轨道交通转向架构架的强度进行相关计算与分析。

1 构架结构及有限元模型

1.1 构架结构

转向架构架是车辆上最为关键的承载件,承受和传递着转向架各个方向的载荷,影响着车辆的运行安全。本文构架采用H 形焊接结构,主体由侧梁和横梁组成,并焊接相关安装座。

1.2 有限元模型

构架先进行三维设计,然后将模型导入到前处理软件,采用软件中的体单元（SOLID92）进行有限元划分。整个构架共离散为2202076 个单元,3908559 个节点。构架的有限元分析模型如图1 所示。

图1 构架有限元分析模型

1.3 构架材料及评估

该转向架构架主体采用P355NL1 钢板,电机吊座、定位座等采用铸件G20Mn5,材料的屈服强度、屈服许用应力如表1 所示[1]。

表1 构架材料及许用应力

静强度评估：在超常各单独或组合载荷工况作用下,转向架构架任何各点的Von Mises 应力均不得超过材料的屈服许用应力；疲劳强度评估：在任意模拟运营载荷叠加工况作用下,所产生的应力幅值及平均应力应在相应材料或接头的Haigh 疲劳极限图的界限之内。

2 载荷计算

2.1 符号含义

本文中出现的符号含义如表2 所示。

表2 符号含义表

2.2 超常工况载荷计算

2.2.1 垂向载荷

参照UIC615-4[2]（3.1）,车辆垂向载荷由构架两侧的空簧座共同承担,每个空簧座承担的超常垂向载荷Fz_max为166.3kN,按照标准k 取值取1.4。

2.2.2 横向载荷

参照UIC615-4（3.1）,车辆的横向载荷由构架的空簧座和横向挡座共同承担,横向的最大总载荷Fymax为124.6kN。

分配到构架空簧座处的载荷Fy_SS为8.3kN,分配到构架横向挡座处的载荷Fy_LS为108kN。

2.2.3 扭曲载荷

参照UIC615-4（3.1）标准,线路上的轨道扭曲量在超常工况按照10‰考虑,分配到轮对承担的扭曲位移TWZ为11.5mm。

2.2.4 菱形载荷

参照EN 13749-2011[3]（C.2.1）,车轮上承担着驱使转向架发生菱形变形的载荷Fx1max为40.9kN,该载荷最终传递到构架侧梁上。

2.2.5 纵向冲击载荷

参照EN 13749-2011（C.2.1）,车辆在调车冲击工况加速度为3g,调车冲击引起的纵向载荷FXB为228.9kN。

2.2.6 紧急制动载荷

参照EN13749:2011（D.4）,车辆发生制动时制动单元发生动作,转向架承担的纵向制动载荷Fx_D为49.9kN,转向架承担的垂向制动载荷FZ_TBU为20.9kN。

2.2.7 电机启动和短路载荷

参照EN13749:2011（D.5）,车辆在启动时,转向架承担电机载荷Fx_m1为26.7kN。

逆变器发生短路时,由电机产生的气隙短路扭矩引起的转向架载荷Fx_m2为151.3kN,齿轮箱吊座处载荷为159.2kN。

2.2.8 脱轨载荷

参照EN13749:2011（C.2.1）,车辆在脱轨时,转向架承担的垂向载荷FZ 为49.2KN。

2.2.9 减振器载荷

2.3 模拟运营载荷计算

模拟运营载荷计算参照标准及方法相同[4],其结果如表3 所示。

表3 模拟运营工况载荷计算结果

3 计算工况及结果评估

3.1 静强度计算工况及结果评估

通过有限元分析软件,分别对构架上承担的各超常载荷及组合载荷工况进行计算,构架上的最恶劣工况发生在电机气隙短路引起的载荷施加时,计算的最大应力为257.7MPa,位置构架的侧梁中部母材上。此时焊缝最大应力值为171.8MPa,应力云图具体见如图2。转向架构架在各工况下的最大应力情况详见表4。该构架静强度满足选用的标准要求。