轉向架構架齒輪箱吊座服役行為試驗及數值模擬仿真

林 鵬

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

近年來，我國軌道交通事業進入迅速發展期，特別是高速列車因其快速、安全、節能環保、運載量大等優點，應用廣泛。在軌道裝備業制造中，車體由轉向架支撐，具備轉向和制動的功能，確保動車組在軌道上安全平穩地運行[1]。轉向架直接與輪軌相互作用，是決定列車走行性能最為關鍵的部件[2]。作為軌道交通高速列車車體承載的關鍵構件，轉向架構架的焊接生產質量對列車品質和行車安全具有十分重要的意義[3]。轉向架構架焊接技術一直是研究熱點與重點，其中材料和焊接工藝是決定制造水平的關鍵因素。本研究通過數值模擬仿真與疲勞試驗相結合的方法來比較齒輪箱吊座內腔焊縫的有無對疲勞性能的影響[4]。

1 典型結構的模擬計算結果

齒輪箱吊座采用SMA490BW板材焊接而成，焊接結構焊縫分布復雜，主要為內腔焊縫和外部焊縫。為驗證內腔焊縫的有無對結構疲勞性能的影響，在本次齒輪箱吊座疲勞強度分析中，利用網格軟件建立有內腔焊縫和沒有內腔焊縫的網格模型，采用不考慮和考慮焊接殘余應力兩種不同方式對齒輪箱吊座結構進行疲勞強度模擬分析[5]。

1.1 有限元模型的建立

在Hyper mesh中對齒輪箱吊座進行前處理。齒輪箱吊座材料以SMA490BW為主，材料彈性模量2.06×105MPa，泊松比 0.3，同時視其為線彈性、各向同性材料。本模型采用四面體單元模擬進行網格劃分。由于單元的質量和數量對求解結果和求解過程影響較大，而焊接位置及過渡處等易產生應力集中點，故本研究特別對易產生應力集中位置進行網格細化，從而改善網格的質量和求解精度，使分析結果更準確。細化的齒輪箱吊座有限元離散模型如圖1、圖2所示。其中有內腔焊縫的網格由109 436個單元構成，沒有內腔焊縫的網格由104 600個單元構成。

圖1 有內腔焊縫網格（局部）

圖2 沒有內腔焊縫網格（局部）

1.2 不考慮焊接殘余應力下的疲勞強度

為了獲得準靜態應力，在進行疲勞仿真前使用Hyper works中的Radioss模塊分別對兩種不同的結構進行靜力學計算，其中施加載荷和位置均與疲勞試驗機上的載荷和位置一致，載荷21.9 kN，施加位置如圖3所示。

圖3 載荷施加位置

計算得到兩種不同焊接構件的靜態應力分布分別如圖4～圖7所示。

圖4 有內腔焊縫結構的構件正面應力分布

其中有內腔焊縫結構構件最大應力為33.34MPa，無內腔焊縫結構的構件最大應力為33.32 MPa，兩者應力分布位置一樣，誤差不到1%。

由于實際工況中的載荷譜獲取成本很高，而且此次疲勞強度分析只是為了對比有內腔焊縫結構構件和無內腔焊縫結構構件的疲勞性能，因此加載了與疲勞試驗機一致的載荷譜，如圖8所示。

圖5 無內腔焊縫結構的構件正面應力分布

圖6 有內腔焊縫結構的構件反面應力分布

圖7 無內腔焊縫結構的構件反面應力分布

圖8中縱坐標是加載力轉化后的壓力值（單位：MPa）。疲勞曲線采用前期試驗得到的SWA490BW材料的焊件疲勞曲線，如圖9所示。

采用如圖9所示的疲勞曲線定義材料的疲勞特性，疲勞壽命分析結果和疲勞損傷分布如圖10～圖17所示。

由計算結果可知，兩種構件在對應的載荷譜和疲勞特性下的疲勞損傷最大值均為2.146E-6，兩種構件的疲勞壽命均為3.33E19，即不會發生破壞。

圖8 疲勞載荷譜

圖9 SWA490BW材料的焊件S-N曲線

圖10 有內腔焊縫結構的構件疲勞壽命分布

根據上述分析結果，在不考慮殘余殘余應力和焊接缺陷的情況下，兩種焊接構件的疲勞強度性能無明顯差別，且不會發生破壞。

1.3 考慮焊接殘余應力下的疲勞強度

為了確定疲勞載荷下的局部平均應力σ1m和局部主應力振幅σ1a，對齒輪箱吊座結構進行有限元網格劃分并加載疲勞載荷，疲勞載荷的加載大小與疲勞試驗機上使用的大小相同。兩種不同結構的構件網格如圖18、圖19所示。

圖11 有內腔焊縫結構的構件疲勞壽命分布（局部）

圖12 無內腔焊縫結構的構件疲勞壽命分布

圖13 無內腔焊縫結構的構件疲勞壽命分布（局部）

圖14 有內腔焊縫結構的構件疲勞損傷分布

圖15 有內腔焊縫結構的構件疲勞損傷分布（局部）

圖16 無內腔焊縫結構的構件疲勞損傷分布

圖17 無內腔焊縫結構的構件疲勞損傷分布（局部）

計算得出的疲勞載荷下的應力分布云圖如圖20、圖 21所示。

根據上面的計算結果，對應力集中明顯的焊趾、焊根、孔洞、幾何突變處等區域進行疲勞強度的評定，具體評定區域如圖22、圖23所示，7個待評區域的對應單元編號分別為：145673、54915、117104、142852、142803、24066、117290。

圖19 無內腔焊縫構件網格

圖20 有內腔焊縫構件應力分布云圖

圖21 無內腔焊縫構件應力分布云圖

確定好待評區域后，分別提取應力集中區域對應單元的最大主應力，得到各個單元對應的σ1m和σ1a，如表 1 所示。

表1 評定區域的局部平均應力σ1m和局部主應力振幅σ1a

圖22 構件正面評定區域

圖23 構件反面評定區域

由表1可知，上述7個區域中除了區域6和區域7，無內腔焊縫結構構件中的局部平均應力σ1m和局部主應力振幅σ1a均略大于有內腔焊縫結構構件，這可能是因為有內腔焊縫焊接接頭處幾何過渡圓滑，應力集中效應更小。

2 典型結構的疲勞試驗

對典型結構按照動力車—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗（UIC 615-4－2003）方法進行試驗，根據齒輪箱吊座設計要求加載試驗載荷，疲勞試驗機采用設備及加載情況如圖24所示。

圖24 疲勞試驗機及構架加載情況

對于局部構件，設計要求疲勞次數為2×106次，應力循環比均為-1，本項目構架疲勞試驗加載頻率為5 Hz，第一階段加載載荷為21.9 kN，構件經歷2×106動態循環總次數后，經磁粉和滲透探傷兩側均未發現裂紋；第二階段，加載載荷仍為21.9kN，經歷2×106動態循環總次數后，經磁粉和滲透探傷后仍未發現裂紋；第三階段，加載載荷為第二階段的1.5倍，為32.85 kN，循環次數2×106，經磁粉和滲透探傷后仍未發現裂紋；第四階段，加載載荷為32.85 kN，循環次數為2×106，經磁粉和滲透探傷后仍未發現裂紋；第五階段，加載載荷為32.85 kN，循環次數為2×106，經探傷后未發現裂紋。

由疲勞試驗結果可知，在經歷1×107次交變載荷后，齒輪箱吊座均未發現裂紋，即吊座內腔的焊縫不會影響齒輪箱的疲勞壽命，該焊縫僅作為一條連接縫存在。對構架疲勞試驗后進行磁粉探傷的圖片如圖25所示。

3 結論

（1）在不考慮殘余應力和焊接缺陷的情況下，有內腔焊接結構的構件和無內腔焊接結構構件在對應的載荷譜和疲勞特性下的疲勞損傷最大值均為2.146E-6，兩種構件的疲勞壽命均為3.33E19，即兩種焊接構件的疲勞強度性能無明顯差別，且不會發生破壞。

圖25 齒輪箱吊座疲勞試驗后磁粉探傷

（2）在考慮殘余應力的情況下，分別計算兩種結構件的7個區域的平均應力σ1m和局部主應力振幅σ1a，結果發現數值大致相同。

（3）通過對內腔背面有無焊縫結構的齒輪箱吊座的疲勞壽命模擬計算結果可知，齒輪箱吊座內腔背面的焊縫僅為連接焊縫，對吊座的疲勞壽命影響不大。通過內腔背面有無焊縫結構的齒輪箱吊座的構架疲勞試驗驗證數值仿真的計算結果，齒輪箱吊座經歷1×107次循環次數后，經磁粉探傷和滲透探傷后均未發現裂紋。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2001：170-195.

[2]陳裕川.現代焊接生產實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]Makuno Y，Shiihara K，Asai S.Combinationwelding between CO2laser beam and MIG arc[J].WeldingInternational，2002，16（2）：99-103.

[4]金光.鐵路客車轉向架構架材料焊接接頭的組織與性能研究[D].遼寧：大連交通大學，2008.

[5]胡奈賽，張定銓，何家文.殘余應力對材料疲勞性能影響的某些進展[J].機械強度，1990，12（1）：19-26.