1 067 mm軌距貨車轉向架側架可靠性分析

余妍金戈，王俊勇，傅茂海

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

側架是鐵路貨車三大件式轉向架的重要承載部件[1]，為鑄造結構，為了滿足部件合理裝配和載荷傳遞的需要，其結構復雜，在車輛運行過程中承受著巨大的交變載荷作用，且隨著車輛軸重的增加和速度的提高，疲勞裂紋成為了貨車轉向架側架常見的損傷形式之一[2-3]。因此，在側架的設計過程中，需要對其結構進行可靠性分析計算。

1 側架有限元建模

側架有限元模型采用的是空間笛卡爾坐標系，在該坐標系中，XOY平面位于中央彈簧作用面上，原點位于該面幾何中心，X軸正方向為車輛運行方向，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，且其正方向為豎直向上。由于該結構為厚壁鑄鋼件，故在ANSYS有限元分析軟件中采用20節點高階實體單元Solid 95對結構進行離散。側架結構共離散為1 383 743個節點，形成實體單元974 530個。側架有限元離散模型如圖1所示。

圖1 側架有限元模型

計算時，對側架導框部位利用梁單元進行模擬，在梁單元下端約束縱向、橫向、垂向和繞縱軸旋轉的自由度。側架約束邊界條件如圖2所示。

2 結構強度與剛度評估方法

根據北美鐵道協會標準AAR M-203∶2012 Truck Side Frames,Cast Steel-Design and Testing(以下稱“AAR M-203”)進行側架剛度和疲勞強度計算。

本貨車轉向架側架采用B+級鋼鑄造，固定軸距為1 675 mm，轉向架屬于2D軸轉向架。

圖2 側架約束邊界條件

2.1 結構剛度

轉向架軸重為20 t，根據AAR M-203規定，側架結構剛度計算載荷工況如表1所示。在靜載荷作用下，側架結構允許的最大彈性變形量如表2所示。

表1 側架結構剛度計算載荷工況

表2 側架結構的最大允許變形

2.2 結構疲勞強度

根據AAR M-203規定，側架疲勞強度試驗載荷包括垂向載荷、橫向載荷和扭轉載荷，各載荷幅值如表3所示，結構疲勞強度計算工況如表4所示。

根據AAR M-203所確定的載荷循環特征，側架結構疲勞強度分析按有限壽命法進行[4]。計算流程為：

(1) 根據有限元方法獲得結構在最大載荷作用下的應力分布。

(2) 根據考察區域的應力-時間歷程，采用雨流計數法獲得其二維應力譜。

(3) 計算各應力譜塊的平均應力和應力幅。

(4) 利用Goodman方程，將應力特征修正到對稱循環狀態下。

(5) 利用S-N曲線，確定考察區域在各應力譜塊作用下的許用循環次數Ni，并按式(1)計算考察區域的損傷Di：

Di=ni/Ni.

(1)

其中：ni為標準規定的各類載荷循環次數。

(6) 利用Miner線性累積損傷準則，計算考察區域的累積損傷。以累積損傷∑Di<1作為評價結構疲勞強度的標準。

表3 側架疲勞強度試驗載荷幅值

表4 側架疲勞強度計算工況

3 計算結果與評定

3.1 結構剛度

在如表1所示的各計算工況下，側架變形分布如圖3～圖5所示，側架的最大變形及限制值如表5所示。表5的分析結果表明：側架結構在各工況下的最大變形均小于AAR M-203標準規定的限制值，結構剛度滿足標準規定要求。

圖3 S-1工況下側架橫向變形分布

圖4 S-2工況下側架橫向變形分布

3.2 結構疲勞強度

側架在各工況疲勞強度計算載荷峰值下的最大主應力分布如圖6～圖9所示。

對側架各處應力-時間歷程進行雨流計數并獲得二維應力譜，其結果表明：彈簧承臺下部肋板拐角(區域A)、滑槽側立柱與彈簧承臺交界處(區域B)、承載鞍彈性墊安裝座內拐角(區域C)和外側立柱與彈簧承臺交界處(區域D)的對稱循環等效應力大于對稱循環疲勞極限110 MPa[5]。故對以上區域進行累積損傷計算分析，計算結果如表6所示。

圖5 S-3工況下側架垂向變形分布

表5 側架最大變形與限制值

圖6 F-1工況下側架最大主應力分布

圖7 F-2工況下側架最大主應力分布

圖8 F-3工況下側架最大主應力分布

圖9 F-4工況下側架最大主應力分布

計算結果表明，以上區域的積累損傷均小于1。而側架其余各處，在各譜塊下的對稱循環等效應力均小于疲勞極限，即在AAR M-203規定的各疲勞強度試驗載荷作用下，其損傷均為0。因此，側架結構能夠通過標準所規定的疲勞試驗。

表6 側架各區域累積損傷

4 結束語

采用ANSYS有限元分析軟件，參照北美鐵道協會標準AAR M-203∶2012分析計算了1 067 mm軌距貨車轉向架側架的剛度和疲勞強度，結論如下：

(1) 側架結構在各工況下的最大變形均小于標準規定的限制值，其結構剛度滿足標準要求。

(2) 側架的疲勞強度最危險點位于承臺下部肋板拐角區域，其最大累積損傷為0.229，小于1，結構滿足標準規定的疲勞試驗要求。