西安地鐵車輛轉向架構架靜強度與疲勞強度分析

張凱函 李 強 楊廣雪

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

轉向架是地鐵車輛最關鍵的部件之一，其性能對車輛的走行品質和安全性具有重要影響。因此，對轉向架構架進行強度分析是十分必要的。

本文是在了解西安地鐵車輛轉向架的基本組成、結構特點的基礎上，確定了該型轉向架構架的載荷來源，并根據相關規范確定計算載荷；然后利用Hypermesh軟件對構架實體進行網格劃分，再利用有限元分析軟件Ansys對轉向架構架進行有限元分析；最后參照UIC規程對構架的靜強度和疲勞強度進行了評定，確定其是否滿足強度要求。

1 西安地鐵車輛轉向架構架

1.1 模型

構架為H形構架，主要由側梁、橫梁和縱向輔助梁等組成，如圖1所示。

圖1 西安地鐵車輛轉向架構架實景圖

綜合考慮整體的計算精度及計算量，選取轉向架構架整體作為分析模型進行離散化。考慮構架模型的實際組成情況，計算主要采用三維實體單元和彈簧單元建模，采用映射網格和自由網格兩種網格生成方式。整個計算模型離散出三維四面體實體網格單元346 938個，節點112 099個。其有限元模型離散情況如圖2所示。

圖2 西安地鐵車輛轉向架構架三維實體網格離散示意圖

1.2 構架強度評價標準

在轉向架焊接構架的疲勞強度方面，已形成了以UIC 615－4規程和JISE 4208《鐵道車輛轉向架構架設計通用條件》為代表的設計、評價體系。轉向架構架結構強度評定一般包括三方面的內容，即：作用載荷的分析確定，靜強度分析與評定，疲勞強度分析與評定。作用在轉向架構架上的載荷主要有超常載荷、運營載荷和特殊載荷。

根據UIC 615標準，確定構架的基本載荷模式，設計了22個計算工況，其中包括5個超常載荷工況、4個特殊載荷工況和9個運營工況。表1、表2、表3列出了3種載荷類型下的工況。

表1 模擬超常載荷作用下工況組合表

表2 模擬特殊載荷作用下工況組合表 kN

表3 模擬運營載荷作用下工況組合表

2 模擬應力計算結果

在超常載荷組合工況下，構架上最大應力出現在工況5的彈簧座與側梁下蓋板連接焊縫部（見圖3），最大值為145.457MPa。

在特殊載荷的組合工況中，構架上最大應力發生在轉向架緊急制動工況下，橫梁與電機吊座過渡處，其值為314.763MPa。

在運營載荷工況下，構架上最大應力發生在第9工況作用下的制動夾鉗座圓弧過渡處（見圖4），其值為85.430MPa。

上述應力均小于Q345R焊接區的屈服應力（330MPa）及STKM13B鋼焊縫區的許用應力（270 MPa）。

圖3 超常載荷工況5應力云圖

圖4 運營載荷工況9應力云圖

通過Ansys軟件計算，在模擬運營載荷工況下，第3工況和第9工況的應力差最大。這個組合工況也是構架上容易發生最大動應力幅值的工況。圖5為第3工況和第9工況疊加后的平均應力云圖，即在豎直靜載荷作用下構架上的應力分布，最大應力發生在牽引拉桿座頂板與橫梁連接根部，其值為62.226MPa；圖6、圖7為構架整體及其大應力部位的局部動應力幅值云圖。表4列出了大應力區的平均應力和動應力幅值，是基于焊接構架的結構特點，參照驅動和制動工況下應力的分布狀況，選出一些關鍵部位作為驅動工況和制動工況疲勞強度評估的關鍵點進行重點分析。

圖5 運營載荷下第3、9工況疊加后的平均應力云圖

圖6 運營荷載下構架整體動應力幅值云圖

圖7 運營荷載下構架大應力部位的局部動應力幅值云圖

3 疲勞強度評估

疲勞強度采用古德曼（Goodman）疲勞極限圖進行評價。將表4中列出的構架大應力區域的動應力幅值和平均應力點入構架相應材料母材／焊接接頭的疲勞極限圖中（見圖8）。由圖8可見，側梁區大應力部位焊縫處的動應力幅值均未超出Q235B／Q345R鋼疲勞極限圖中對接焊縫的疲勞極限，且安全裕度較高。橫側梁連接區、橫縱梁連接區及各吊座與橫梁連接區是構架上動應力幅值較高的部位。其中齒輪箱吊座立板與橫梁連接處焊縫部位的動應力幅值已接近STKM13B材料疲勞強度極限圖中未修磨焊縫的疲勞極限，故對該部位的焊縫應充分關注，應確保其焊接質量，并仔細修磨，以提高其疲勞強度。

圖8 疲勞極限圖

4 結語

1）采用Ansys程序模擬計算了西安地鐵轉向架構架在超常載荷、特殊載荷、運營載荷工況下的最大應力值。模擬結果表明，在超常載荷工況下，構架上最大應力出現在工況5彈簧座與側梁下蓋板連接焊縫部，最大值為145.457MPa；在特殊載荷工況下，構架上最大應力發生在橫梁與電機吊座過渡處，其值為314.763MPa；在運營載荷工況下，構架上最大應力發生在第9工況作用下的制動夾鉗座圓弧過渡處，其值為85.430MPa。

2）根據現有規范，利用古德曼疲勞極限圖對構架進行了疲勞強度評估。結果表明，焊縫處的動應力幅值均未超出Q235B／Q345R鋼疲勞極限圖。該構架滿足疲勞強度的要求，故此地鐵車輛轉向架構架符合疲勞強度安全要求。這可為工業生產的安全性提供理論參考依據。

［1］嚴雋耄.車輛工程［M］.成都：西南交通大學，2005.

［2］TB／T 2368—93內燃、電力機車轉向架構架靜強度試驗方法［S］.

［3］TB／T 1335—1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范［S］.

［4］陽光武，肖守訥，金鼎昌.基于彈性構架的地鐵車輛動力學分析［J］.中國鐵道科學，2004（4）：42.

［5］張鎖懷，李永春，孫軍帥.地鐵車輛轉向架構架有限元強度計算與分析［J］.機械設計與制作，2009（1）：45.

［6］TB／T 2337—91客車構架強度評定標準［S］.

［7］李強，金新燦.動車組設計［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［8］崔二光，劉志明，秦國棟，等.焊接構架疲勞強度的評估方法［J］.科學技術與工程，2003（8）：334.

［9］趙少汴，王忠保.疲勞設計［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［10］崔殿國.機車車輛可靠性設計及應用［M］.北京：中國鐵道出版社.2008.

［11］劉盛勛，趙邦華.車輛設計參考手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1988.

［12］陳厚嫦.200km／h電動車組動力轉向架強度計算與分析［J］.鐵道機車車輛，2000（3）：25.

［13］楊紅霞，湯文成.機車構架靜強度及模態有限元分析［J］.設計與研究.2006（11）：14.

［14］于建廷.車輛強度評價中存在的問題及解決辦法［J］.鐵道車輛，2001（3）：33.

［15］達根 T V，伯恩J.疲勞設計準則［M］.北京：國防工業出版社，1982.

［16］米彩盈，李芾.焊接轉向架構架疲勞強度評定的工程辦法［J］.內燃機車，2002（6）：11.