A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證
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張冠蘭1，趙文平2，穆曉軍1
（1．唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035;2．唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035）
摘要：構(gòu)架作為軌道車輛走行部中的重要部件，起著傳遞載荷的關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響車輛的運(yùn)行安全。主要介紹了A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，并通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該構(gòu)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，設(shè)計(jì)合理。
關(guān)鍵詞：A型地鐵；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；強(qiáng)度；有限元分析中圖分類號(hào)：TP391.7：U260. 331+.8
0 引言
轉(zhuǎn)向架是鐵路車輛的一個(gè)重要組成部分，而構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的主要組成部件，不僅是其余零部件的安裝基礎(chǔ)，而且承受及傳遞各種作用力和載荷，其可靠性將直接影響車輛的運(yùn)行安全，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理可靠需要通過(guò)有限元仿真分析或試驗(yàn)等手段進(jìn)行檢驗(yàn)。
本文通過(guò)分析A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，建立了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型，參照UIC615-4《動(dòng)力車-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，從而驗(yàn)證了構(gòu)架結(jié)構(gòu)的安全性。
1A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.1 構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)
A型地鐵轉(zhuǎn)向架采用兩級(jí)懸掛系統(tǒng)，一系懸掛裝置為鋼簧和橡膠簧組合，二系懸掛裝置采用空氣彈簧，它主要由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱定位裝置、天線梁裝置、中央懸掛裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置構(gòu)成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為H形結(jié)構(gòu)，主要由側(cè)梁、橫梁、制動(dòng)吊座和牽引拉桿座等組成。橫、側(cè)梁均采用上蓋板、下蓋板和立板組焊成箱形結(jié)構(gòu)梁；側(cè)梁中間適當(dāng)位置布置筋板，橫梁上焊有電機(jī)吊座、齒輪箱吊座和牽引拉桿座等。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
1.2 構(gòu)架受力特點(diǎn)
構(gòu)架要承受來(lái)自車體的重量，車體的垂向（Z向）載荷通過(guò)二系懸掛裝置傳遞給構(gòu)架，橫向（Y向）載荷通過(guò)橫向止擋傳遞到構(gòu)架橫向止擋座，縱向（X向）載荷則通過(guò)牽引拉桿傳遞到構(gòu)架牽引拉桿座；同時(shí)還要承受線路扭曲及電機(jī)、齒輪箱等懸掛部件產(chǎn)生的各向
載荷。
2轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元計(jì)算
2.1 建立離散模型
為了準(zhǔn)確分析構(gòu)架在各向載荷作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)，利用Hypermesh軟件進(jìn)行建模處理和網(wǎng)格劃分，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體網(wǎng)格建立離散模型，對(duì)于一系簧采用相應(yīng)剛度的彈簧單元模擬。在全面考慮計(jì)算量及精度的情況下，整個(gè)構(gòu)架共離散為303 951個(gè)單元、601 784個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2所示。其中，位移約束施加在一系彈簧處，構(gòu)架承受的各項(xiàng)載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式施加在相應(yīng)位置。
2.2 載荷工況
構(gòu)架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分別考慮兩種載荷工況，超常載荷工況和模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況。超常載荷工況計(jì)算的目的是驗(yàn)證在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷共同作用下，構(gòu)架沒(méi)有永久變形的危險(xiǎn)。模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況的計(jì)算目的是驗(yàn)證在運(yùn)行時(shí)主要載荷共同作用下，轉(zhuǎn)向架搖枕沒(méi)有產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)。本文依據(jù)UIC615-4《動(dòng)力車一轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》對(duì)超常載荷和模擬運(yùn)營(yíng)載荷進(jìn)行評(píng)定。 2.2.1 超常載荷工況
超常載荷主要考慮垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷和扭曲載荷，其工況組合如表1所示。
2.2.2模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況
模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況主要考慮轉(zhuǎn)向架運(yùn)行中可能經(jīng)常出現(xiàn)的載荷，除了構(gòu)架的垂向、橫向、縱向載荷外，還有制動(dòng)載荷、減振器載荷、齒輪箱吊桿力及電機(jī)等吊掛件的慣性載荷，其工況組合如表2所示。其中，α為側(cè)滾系數(shù)，β為浮沉系數(shù)。
3計(jì)算結(jié)果分析
3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析
根據(jù)上述有限元模型及載荷工況，計(jì)算得到了各工況的當(dāng)量應(yīng)力及應(yīng)力分布云圖。超常載荷工況下最大當(dāng)量應(yīng)力為189.7 M Pa，出現(xiàn)在牽引拉桿座鍛造彎角處，未超出材料的許用應(yīng)力；模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下最大當(dāng)量應(yīng)力為117.7 M Pa，出現(xiàn)在側(cè)梁上蓋板圓弧處，未超出材料的許用應(yīng)力，構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足要求。其中超常載荷組合工況2下的構(gòu)架應(yīng)力云圖如圖3所示。
3.2疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析
對(duì)構(gòu)架模擬運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，根據(jù)多軸應(yīng)力狀態(tài)向單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化的方法，求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin，按照式(1)和式(2)計(jì)算平均應(yīng)力σm。和應(yīng)力幅值σa：
然后選擇相應(yīng)鋼材的Goodman疲勞極限圖，計(jì)算出相應(yīng)的許用應(yīng)力幅值，即可判斷各點(diǎn)應(yīng)力幅值是否超出許用值。經(jīng)評(píng)估后可知，所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均在疲勞極限圖內(nèi)，因此構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足要求。構(gòu)架上某條關(guān)鍵焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估圖如圖4所示。
4試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：構(gòu)架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，試驗(yàn)載荷卸除后也沒(méi)有發(fā)生永久變形，說(shuō)明靜強(qiáng)度滿足要求；疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)階段1 000萬(wàn)次，各階段都進(jìn)行了磁粉探傷檢驗(yàn)，均未出現(xiàn)任何形式的裂紋，說(shuō)明疲勞強(qiáng)度滿足要求。
5結(jié)論
按照UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核及試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果均表明構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足要求。
