某維護牽引車轉向架構架強度的有限元分析

鄧贊　楊紹波

摘要：利用有限元分析軟件，對某磁浮項目中的維護牽引車轉向架在運行中的極限工況進行了靜強度校核，同時使用Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對構架進行了疲勞強度評定。從而證明了設計的合理性，為后續結構的改進和優化提供了理論依據，為同類型轉向架的設計研發提供了參考。

Abstract： The static structure strength of the frame of a locomotive bogie for facilities maintenance in a maglev project in ultimate conditions was evaluated through finite element analysis software， and the fatigue strength evaluation of the frame was assessed by Goodman—smith fatigue limit curve diagram. This study provides the theoretical certification of feasibility in this project and theoretical evidence for further promotion and optimization， as well as valuable reference for the design of the same types of bogie.

關鍵詞：牽引車;轉向架構架;有限元分析;Goodman-smith疲勞極限曲線圖

Key words： locomotive;bogie frame;finite element analysis;Goodman-smith fatigue limit curve

0? 引言

轉向架是牽引車最關鍵的零部件之一，是車輛轉向、制動、傳遞牽引力和支撐車體的重要載體。而轉向架構架是轉向架的主體結構，因此牽引車轉向架構架的可靠性對機車的運行的性能和安全至關重要[1]。在設計階段，有必要對轉向架構架進行靜強度和疲勞強度評定。

某磁浮工程維護牽引車是湘電重型裝備有限公司為保障國內第一條完全擁有自主知識產權的中低速磁懸浮列車線路運營而研發的一種工程車輛，由于車輛運行道路的特殊性——車輛運行軌道比較窄，在國內外沒有可供參考的設計。本文通過建立了轉向架構架有限元分析模型，完成了轉向架構架的強度分析，并根據Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對構架進行了疲勞強度評定。

1? 有限元模型的建立

首先在三維軟件平臺上建立牽引車轉向架構架的三維模型，然后在Workbench中進行有限元網格劃分，最后在ANSYS中進行仿真計算。

轉向架構架是由鋼板焊接而成的全封閉結構，在構架上設有一系橡膠彈簧安裝座、二系彈簧安裝座、拉繩吊座、牽引拉桿座、橫向止檔座、導向支架等相關部件。橫梁和側梁內部設有筋板，以加強構架的強度和剛度。構架使用的材料為Q345B低合金高強度鋼（見表1）。

在建立轉向架構架有限元模型時，對焊接處進行如下簡化和假設（如圖1所示）：選取焊接處焊料性能與母材一致。忽略對結構影響不大的孔、過渡圓角、倒角及一些細小的搭接邊上的凸臺。去掉工藝塊、安全吊等對構件強度影響較的小零件。導向支架與轉向架構架主體間的螺栓連接也使用剛性連接模擬簡化。

由于板殼模型的計算量相對實體模型偏小，且計算精度能夠滿足工程要求，對網格的控制方面更容易采用高精度的單元[2]，本文將構架的板材處理成面來進行計算。轉向架二系彈簧上所承載的主要部件有：車架、駕駛室、發動機、發電機及其各種附件等，這些主要部件質量折算成下壓力直接加載于轉向架之上;對于一系彈簧懸架和輪對部分，由于不在本次分析范圍內，則省略后在原一系彈簧位置直接進行約束。有限元網格劃分采用自由劃分網格和強制六面體網格劃分相結合的方法。轉向架主體和導向支架有限元模型分別如圖2和圖3所示。

2? 靜強度計算

2.1 計算工況

為了能夠全面地評估構架的可靠性，對于轉向架構架主體本文選定了牽引車運行過程中的4種極限工況來進行校核計算，對于導向支架選取2種極限工況進行校核計算。轉向架構架的4種極限工況見表2。

2.2 計算結果

利用ANSYS完成有限元計算并進行后處理后得到各工況下的Von Mises應力分布情況。向架構架主體的4種極限工況應力云圖如圖4所示。從圖4可知，構架主體最大應力發生在工況2，最大應力為98MPa，同時4種工況最大應力位置都在側梁末端與輪對大梁加強筋的連接處。

導向支架在2種極限工況下的應力云圖如圖5所示。從圖5可知，導向支架最大應力都出現在兩種極限工況中，最大應力為197MPa。工況1時，最大應力位置為下支架加強筋處;工況2時，最大應力位置為下彎板折彎位置。

Q345材料屈服強度極限為345MPa。由上面的分析可知，最大應力都小于材料的屈服強度極限。轉向架構架的最小安全系數為3.52，導向支架的最小安全系數為1.75。在運用載荷情況下，材料的極限強度對應的安全系數S為2.2，材料的屈服強度對應的安全系數S在無焊縫區為1.5，有焊縫區為1.65[3]。由此可知，轉向架兩個部件的安全系數都大于1.65，滿足運用載荷下的靜強度要求。

3? 一般工況下的疲勞強度評定

對構架疲勞強度的評定，我國目前還沒有自己的疲勞極限圖。本文采用已被國際鐵路聯盟UIC的研究組織ORE第12專題組推薦使用的Smith疲勞強度圖法，也稱為Goodman-smith疲勞度曲線圖法[4]。

根據維護牽引車的動力學分析計算，牽引車以35km/h的速度在FRA 5級譜的直線軌道上運行時（一般工況），得到單個二系彈簧力的時間歷程曲線如圖6所示。彈力的平均值為18390N，最大值20145N，最小值16657N。

由靜力學計算可知，轉向架構架在一般工況下的最大應力值為63.92MPa。根據材料力學的相關理論，材料在彈性變形階段，應力與載荷成線性關系，由此可得到轉向架構架的最大應力？滓max=69.08MPa，最小應力？滓min=57.12MPa。

參考教科裝[2001]21號文《200km/h 及以上速度級鐵道車輛強度設計及實驗鑒定暫行規定》可以計算得到

考慮到材料Q345B的抗拉強度為？滓b=470～630MPa，為保守起見，采用ORE B12/RP17提供的抗拉強度不小于420N/mm2鋼的Goodman-smith疲勞度曲線圖，如圖7所示。

根據計算所得數據，結合Goodman-smith疲勞極限曲線圖[5]，可知轉向架構架的應力幅值位于安全區域內，且有較大的富余，因此轉向架構架滿足疲勞強度要求。

4? 結論

利用有限元方法對轉向架構架進行了強度分析，從分析的結果可以看出，轉向架構架的應力分布較為均勻、合理，在極限工況下構架仍具有足夠的安全裕度。

參照 ERRI B12/RP17 規定，用Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對構架進行疲勞強度評定。結果表明構所有節點均在疲勞極限曲線包絡線內，能夠滿足疲勞強度的要求。

此次計算分析結果可為后期的應力測定實驗提供指導作用，為合理確定應力測定位置提供了參考。并為后面的進一步的結構改進和優化工作提供了依據，也為同類型機車轉向架的設計和研發提供了借鑒。

參考文獻：

[1]郁煒，江海兵.機車轉向架構架強度的有限元分析[J].機械制造，2008，46（08）：7-9.

[2]盧耀輝，馮振，陳天利，曾京，鄔平波.鐵道車輛轉向架構架多軸疲勞強度有限元分析方法[J].北京交通大學學報，2014，04：26-31，39.

[3]劉紅艷.地鐵車輛轉向架構架強度分析[J].中國科技信息，2014，05：179-181.

[4]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].機械設計與制造，2009，01：45-47.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB/T 2368—2005，動力轉向架構架強度試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2005.