250 km/h動車組轉向架鋼板焊接結構枕梁研制

盧 權，陳鳳艷，曹 舜

（唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035）

250 km/h動車組轉向架鋼板焊接結構枕梁研制

盧 權，陳鳳艷，曹 舜

（唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035）

介紹了新研制的速度250 km/h城際動車組轉向架的主要技術參數、鋼板焊接結構枕梁的基本特點及有限元分析計算。

250 km/h動車組；焊接枕梁；有限元計算

250 km/h動車組轉向架鋼板焊接結構枕梁是以CRH3型動車組為基礎，按照模塊化、系統化、譜型化要求進行創新設計的。枕梁的功能是連接車體和轉向架，主要承受和傳遞車體與轉向架的力，同時作為二系懸掛空氣彈簧氣動系統的附加空氣室，因此枕梁的設計就顯得尤為重要。由于鋁合金鑄造結構枕梁，其成本較高、鑄造工藝復雜及對鑄造質量要求較高等特點，不太適合城際和干線鐵路低成本、制造簡單的要求。為此設計了焊接結構的轉向架枕梁，計算結果表明鋼板焊接結構枕梁能滿足強度設計要求。

1 主要技術參數（見表1）

表1 250 km/h動車組轉向架的主要技術參數

2 結構特點

250 km/h動車組轉向架枕梁采用鋼板焊接結構，主要由U形上蓋板、U形下蓋板、內外立板、左右鑄件和內部隔板組成，結構簡圖如圖1所示。此鋼板焊接結構特征在于左右鑄件將抗側滾扭桿安裝座、抗蛇行減振器安裝座與車體支撐連接部位整體鑄造，減少了抗側滾扭桿座、抗蛇行減振器安裝座與支撐連接部位的焊縫，有效地減少了焊接變形和焊接工作量。同時這種整體鑄造結構對車體寬度的變化適應性非常強，如果車體發生變化，只需更改與車體支撐連接部位的尺寸而不用更改抗側滾扭桿安裝座的結構形式和尺寸，避免了轉向架上抗側滾扭桿組成、構架等主體部件的型式和尺寸的變化。枕梁的中間部分為U形下蓋板、U形上蓋板、立板、隔板組成的鋼板焊接結構，這樣可以大大縮短枕梁的生產周期、降低制造成本。

圖1 焊接結構枕梁總體結構圖

3 計算分析

計算中對模型進行有限元離散時采用三維實體單元solid92。該枕梁及與其配合的減振器座、牽引中心銷、抗側滾扭桿和連接緊固件的總體有限元結構離散圖如圖2所示，整個模型共離散成185 510個實體單元，341 972個節點。螺栓與枕梁、減振器座、中心銷之間采用接觸單元，以模擬其之間的裝配關系。

圖2 枕梁有限元分析模型

枕梁零部件材料力學性能如表2。

表2 枕梁零部件材料性能表MPa

4 計算結果

4.1 枕梁剛度

枕梁的剛度用其在剛度工況下枕梁的垂向變形值來校核，計算得到枕梁的變形最大值約為0.727 mm，位置為枕梁中部，見圖3。

圖3 枕梁變形云圖

4.2 枕梁靜強度分析

枕梁計算載荷及計算工況依據標準TB/T 2637－2008《鐵路客車轉向架構架、搖枕及搖動臺》和UIC 615－4《動力車—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗》。

枕梁計算工況按超常載荷工況和運營載荷工況計算，計算得到的最大當量應力出現部位及相應的許用應力如表3所示，應力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 超常載荷工況應力最大枕梁應力云圖

圖5 運營載荷工況應力最大枕梁應力云圖

由表3可得出：

（1）超常載荷工況作用下，枕梁上的最大當量應力值為175.1 MPa，小于該處材料的許用應力314 MPa，故滿足強度設計要求。

（2）運營載荷工況作用下，枕梁上的最大當量應力值為101.6 MPa，小于該處材料的許用應力209 MPa，故滿足強度設計要求。

表3 枕梁各載荷工況作用下的應力MPa

4.3 枕梁疲勞強度分析

采用疲勞應力因數對枕梁結構的疲勞強度進行校核。根據EN 15085－3《鐵路上的應用—鐵路車輛及其部件的焊接—第3部分：設計要求》要求，焊縫的應力因數是根據計算出的疲勞應力值與疲勞許用應力值之比。由于缺少我國鐵路常用鋼材疲勞極限圖（Goodman曲線圖），因此本文采用ORE B12/RP17（82）提供的鋼材疲勞極限圖作為補充，并且根據枕梁各部位所用材料的不同采用不同的疲勞極限圖。

（1）對于抗拉強度大于230 MPa的Q345E的疲勞極限圖采用抗拉強度≮220 MPa的疲勞極限圖，如圖6所示。

圖6 枕梁疲勞極限圖（單位MPa）

（2）模擬運營載荷工況分別對枕梁關鍵焊縫的應力因數進行分析。枕梁關鍵焊縫應力因數的分析結果如表4所示。

根據EN 15085－3要求，應力因數大于0.9的，焊縫應力等級為高；應力因數在0.75～0.9之間，焊縫應力等級為中級；其余焊縫應力因數均小于0.75的，焊縫應力等級為低。焊縫應力等級越低，結構的抗疲勞安全性能越好。

從表4中可以看出，只有焊縫15（筋板與外立板焊縫）的應力因數為0.79，應力等級為中級。其余個關鍵部位應力因數均小于0.75，應力等級較低。

表4 枕梁關鍵焊縫應力因數分析結果

5 結 論

（1）由計算結果得出枕梁的剛度較好。

（2）枕梁在超常載荷工況作用下，最大當量應力發生在枕梁鑄件抗側滾扭桿座下邊緣處，最大當量應力值為175.1 MPa，小于此處材料的許用應力209 MPa，滿足強度設計要求。

（3）在運營載荷工況作用下，最大當量應力發生在筋板與外立板焊縫連接處，最大當量應力值為101.6 MPa，小于此處材料的許用應力209 MPa，滿足強度設計要求。

（4）疲勞強度校核，最大應力因數為0.79，應力等級為中級。其余各關鍵部位應力因數均小于0.75，應力等級較低，滿足疲勞強度要求。

（5）該焊接枕梁完成了靜強度和1 000萬次疲勞強度試驗，疲勞試驗結果滿足相關標準要求。

［1］ UIC 615－4.動力車－轉向架和走行裝置－轉向架構架結構強度試驗［S］.

［2］ EN 10213－3－1996.耐壓鑄鋼件供貨條件第3部：低溫下使用的鋼［S］.

［3］ GB/T 1591－2008.低合金高強度結構鋼［S］.

［4］ TB/T 2594－95.鐵道機車車輛結構用低合金鑄鋼［S］.

［5］ TB/T 2637－2008.鐵路客車轉向架構架、搖枕及搖動臺［S］.

［6］ 吳 麗，肖守訥，徐鳳妹.200 km/h軌檢車枕梁結構研究［J］.鐵道車輛，2009，（10）：18-20.

Research on Welding Bolster for Bogie of 250 km/h EMU

LU Quan，CHEN Fengyan，CAO Shun
（R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

This paper introduces the main technical parameters of the new-developed bogie for 250 km/h EMU，the characteristics of welding bolster and the FEM computation.

250 km/h EMU；welding bolster；FEM computation

U266.2.8

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.12

1008－7842（2014）04－0055－03

?）男，碩士研究生，工程師（

2014－14－13）