高速轉向架焊接構架性能仿真建模方法

謝素明，楊文平，高 陽

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028;2.中國北國集團 長春軌道客車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130062)*

0 引言

鐵路運輸向著高速與重載方向發展，作為列車的主要承載結構轉向架的服役條件變得更加惡劣，轉向架暴露出的問題越來越多，如:軸箱轉臂裂紋、空氣彈簧各部件不同程度的失效和橫向油壓減振器嚴重漏油等故障［1-2］，對車輛的安全運營產生嚴重威脅.

目前，對高速轉向架開展的主要研究集中在載荷譜編制與性能分析方面.王文靜等對武廣客運專線高速列車運營全工況下的轉向架載荷進行了跟蹤測試，編制了構架浮沉、側滾、扭轉與橫向載荷系譜［3］.趙志強分析CRH5A型動車組三級檢修時轉向架靜載試驗中存在的問題［4］.張大福等基于京津線的構架主要載荷的時間歷程，分析了各種故障工況對CRH3型動車組拖車轉向架主要載荷的影響程度關系［5］.趙波等對某型高速動車組轉向架構架進行靜強度和疲勞強度分析與評估［6］.安琪研究了高速動車組轉向架構架振型和扭轉剛度對車輛系統動力學行為的影響以及構架扭轉剛度對其結構疲勞強度的影響，提出了扭轉柔性構架的剛度設計準則［7］.

高速動車組轉向架承載具有特殊性，在仿真分析其結構性能的各項指標時，創建高置信度的分析模型是關鍵.本文通過研究有限元分析的構架及部件變形規律，總結高速動車組動車焊接構架及其附屬部件的支撐和承載模擬方法.

1 構架結構及承載特點

自主研發高速動車轉向架為無搖枕、轉臂式軸箱定位結構.焊接構架是由兩根側梁和兩根橫梁組成的H型構架.側梁上焊有定位座、抗蛇形減振器座、垂向減振器座、抗側滾扭桿座以及制動吊座等;橫梁上焊有電機吊座、齒輪箱吊座、橫向減震器座以及牽引拉桿座;橫梁之間有箱形結構的縱向連接梁，縱向梁上焊有橫向止擋.側梁、橫梁及縱向連接梁采用高強度耐候鋼板，安裝座和橫梁與側梁連接部位采用Q345E鍛造而成.

國際鐵路聯盟標準(UIC515-4和UIC615-4)、歐洲標準(EN13749)、日本工業標準(JIS E4207)以及我國現有的焊接構架設計標準TB/T1335-1996和TB/T2368-1993構架強度設計方法是轉向架試驗載荷及評價的主要標準.根據這些標準，構架主要承受垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷以及來自附屬結構的慣性載荷等，參見圖1.

圖1 構架試驗的主要載荷分布及支撐位置示意圖

2 構架性能仿真模型

構架性能仿真模型應包括的內容:焊接構架主結構與其上的附屬安裝座結構的有限元建模、對支撐結構的模擬、承受載荷的施加.此外，當考察局部安裝座結構強度時，也需要考慮是否將聯接部位結構納入到仿真模型中.

2.1 構架結構建模

H型的構架主結構應主要離散為三維六面體單元，為了分析出側梁與橫梁沿厚度方向的應力變化梯度，沿板厚方向應至少有二層單元.焊接到構架上的各種鍛造件(定位座、減振器、吊座等)，當需要對焊縫建模時，這些鍛造件以及與構架的焊縫主要離散為六面體單元，過渡單元采用四面體單元，見圖2.

圖2 構架性能仿真模型局部示意圖

2.2 構架支撐模擬

為保證與構架靜強度試驗支撐位置(見圖1)的一致性，構架性能仿真模型中在構架軸箱彈簧位置需建立彈簧單元和約束來垂向支撐構架;橫向和縱向支撐需要通過一些“特殊單元”聯接轉臂座和牽引拉桿座，這些“特殊單元”僅向構架傳遞載荷.通常借助 ANSYS軟件中的 RBE2和RBE3單元實現.RBE屬于多點約束單元，基于一定的模式來控制節點之間的自由度.RBE2單元是典型的剛性單元，該單元是一個主節點決定多個從節點，用來模擬兩個部件成為一體的情況.RBE3單元主節點位移是從節點位移的線性組合，通常用于把集中力或力矩分配到實際承載的區域的各個從節點上，從節點得到力之后，各自獨立變形.

考慮到構架靜強度試驗時，轉臂座處和一系彈簧套筒內采用的工裝剛度較大，牽引拉桿座處的剛度相對較小，構架性能仿真模型中采用剛性單元RBE2模擬橫向約束，采用柔性單元RBE3模擬縱向約束.分別采用RBE2和RBE3模擬垂向約束時，在垂向載荷作用下構架的整體變形云圖如圖3所示.對比構架整體變形，采用REB2單元模擬垂向約束時構架的變形符合實際加載后構架的變形情況.

圖3 垂向載荷下構架整體變形云圖

2.3 構架主結構和安裝座的加載模擬

構架承受的主要垂向載荷是作用在二系空簧座處的載荷.將作用在該處的垂向載荷采用三種方法(均布載荷，RBE2和RBE3)施加，構架空簧處的變形云圖如圖4所示.由圖4可以看出:采用RBE2單元的構架空簧部位的變形與試驗加載時的變形接近，所以建議空簧處的垂向載荷應采用RBE2單元模擬.

圖4 構架二系空簧座的局部變形云圖

采用這三種方法，分別模擬構架的減震器座、抗側滾扭桿座、橫向止擋、制動吊座位置處承受載荷.通過對仿真模型中這些承載部位變形與試驗中相關部位變形的一致性分析，得到采用RBE3模擬減震器座的承載;RBE3單元模擬抗側滾扭桿座的承載，均布載荷模擬橫向止擋和制動吊座的承載.

2.4 構架吊座承載模擬

構架承受齒輪箱吊座的垂向載荷后會對構架產生較大的附加彎矩，參見圖5(a).分別采用RBE2和RBE3單元模擬吊座的垂向載荷的計算后的齒輪箱吊座變形云圖如圖5所示.從圖5(b)可以看出采用RBE2單元時會大大增加吊座的局部剛度使吊座整體相對于構架發生變形;采用RBE3單元時會減小吊座的剛度使吊座上部分局部變形較大.這些變形與試驗時的變形差別大.進一步考慮吊座與齒輪箱之間的連接部件C型支架結構(參見圖5(d))，分別采用RBE2和RBE3模擬吊座垂向載荷的齒輪箱吊座變形云圖如圖5所示.圖5(f)中齒輪箱吊座和C型支架的變形比較符合試驗時的變形情況.

構架承受電機垂向和縱向載荷后也會對構架產生很大的附加彎矩.如圖6(a)所示，在對動車構架進行電機載荷計算時，采用RBE3單元將電機載荷施加在電機重心位置，此時構架電機吊座的變形見圖6(b).顯然由于RBE3單元，每個電機吊座均分載荷，吊座變形差別不大.而構架運行過程中電機載荷對每個吊座的影響復雜，為了更好地模擬電機載荷對各吊座的貢獻，建立電機殼體結構的有限元模型(參見圖6(c))，并調整其質量和重心使其與實際的一致.這時，電機吊座的變形如圖6(d)所示.比較和圖6(b)和圖6(d)，考察構架電機座結構強度時，應該按照圖6(c)的形式進行建模，即:將電機殼體結構的有限元模型納入到構架的分析模型中，才能得到電機吊座合理的結果.

圖5 構架齒輪箱載荷工況下的齒輪箱吊座變形云圖

圖6 構架電機載荷工況下的電機吊座變形云圖

3 結論

依據構架及附屬部件的變形規律，研究高速動車組動車焊接構架及其附屬部件的支撐和承載模擬方法.結果表明:依據構架試驗載荷分布及支撐條件，構架垂向支撐采用彈簧單元與RBE2單元相結合模擬;橫向支撐采用RBE2單元模擬;縱向支撐采用RBE3單元模擬.二系空簧處的垂向載荷采用RBE2單元模擬;減震器座和抗側滾扭桿座的承載采用RBE3模擬;均布載荷模擬橫向止擋和制動座的承載.建立動車焊接構架性能分析模型時應考慮齒輪箱聯接結構和電機殼體結構剛度的貢獻，從而較為準確地校核齒輪箱吊座與電機吊座的強度.

［1］蔣玉峰.CW-2(1)型轉向架運用中常見故障原因簡析及應對措施［J］.鐵道車輛，2010，48(7):39-41.

［2］黃利民.客車橫向擺動故障原因分析及處理［J］.鐵道車輛，2009，47(1):43-44.

［3］王文靜，王燕，孫守光，等.高速列車轉向架載荷譜長期跟蹤試驗研究［J］.西南交通大學學報，2015，50(1):84-89.

［4］趙志強.CRH5A型動車組轉向架靜載試驗分析［J］.鐵道機車車輛，2014，34(6):91-93.

［5］張大福，鄔平波，魏來.CRH3動車組構架載荷譜研究［J］.機械，2013，40(10):22-27.

［6］趙波，商躍進，王 紅，等.高速動車組構架強度分析［J］.機械研究與應用，2015，28(1):48-51.

［7］安琪.高速動車組轉向架柔性構架動態特性研究［D］.成都:西南交通大學，2013.