某型城際動車組轉向架構架強度評估*

劉 寒，李臣偉，趙 芳，沙傳杰，楊 凱，田金鑫

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引 言

城際動車組的運行提高了城鄉(xiāng)人民的出行效率，并帶動了周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平，為相關產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級及生態(tài)文明建設助力，對中國的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。轉向架作為城際動車組的關鍵承載部件，其決定著城際動車組的運行安全性和舒適性，為了乘客的乘坐安全性，有必要對其進行分析研究。

轉向架是處于動車組車體及線路軌道之間的機車走行部，而構架是轉向架的重要組成部分，轉向架上的各種部件都安裝在構架上，其上有各種吊掛座，不僅自身承受著車體的重量還要受到各部件工作時產(chǎn)生的各種沖擊，而構架大多為焊接構架，由于焊接的緣故，難免會對材料的焊縫區(qū)域產(chǎn)生應力集中、缺陷及材料組織變化等影響，從而使構架焊縫區(qū)域的疲勞強度降低，出現(xiàn)疲勞破壞，因此，對構架靜強度及疲勞強度校核具有重大的現(xiàn)實意義[1]。

筆者通過介紹轉向架構架的基本結構，建立構架的有限元模型，依據(jù)UIC615-4標準確定構架的載荷工況，分析得出構架的最大等效應力及Goodman疲勞極限圖，由分析結果可知構架靜強度及疲勞強度達到了標準要求，從而解決了車輛的安全運行問題。

1 轉向架構架的基本結構

該城際動車組轉向架構架的主體呈“日”字形結構，由鋼板焊接而成，主要由前端的牽引梁、兩根側梁呈對稱結構、后端梁及中間橫梁組成，梁內部設置形狀不同的加強筋板。在側梁、端梁及橫梁上焊接安裝懸掛裝置、驅動裝置及制動裝置等吊掛座，為了保證轉向架構架的強度及加工精度，在構架焊接完成后，需要進行淬火及退火處理。構架基本結構見圖1，其中轉向架構架的各鋼板板厚為：下蓋板12 mm、上蓋板10 mm、立板8 mm及梁內筋板8 mm。

圖1 轉向架構架結構示意圖

2 構架有限元模型的建立

此研究對象為城際動車組動車轉向架構架，通過有限元模型來模擬構架在機車車輛運行時的實際工況。首先使用Solidworks建立構架的三維模型，在有限元前處理軟件Hypermesh中對構架的三維模型進行網(wǎng)格劃分，進行網(wǎng)格劃分時為了提高計算效率及網(wǎng)格質量，對強度計算影響較小的結構忽略不計。構架的有限元模型為殼-固耦合模型，上蓋板及下蓋板及立板等主體結構以四節(jié)點四邊形網(wǎng)格為主進行劃分，構架上的一些吊掛座使用四節(jié)點四面體結構進行劃分，構架主體與吊掛座之間的焊縫使用四節(jié)點四面體網(wǎng)格進行連接。網(wǎng)格劃分完成后，需要依據(jù)計算工況進行加載，雖然轉向架為中心對稱結構，但是由于約束及載荷加載位置不對稱，所以選取整個轉向架構架作為研究對象，并利用ANSYS計算各工況強度。

有限元模型整體圖如圖2所示，部分放大圖如圖3所示，網(wǎng)格大小取10 mm，最終離散出的節(jié)點總數(shù)為261 161個,單元總數(shù)472 310個。

圖2 構架有限元整體圖 圖3 構架有限元局部圖

3 構架計算工況的確定

動車轉向架構架靜強度及疲勞強度的計算載荷采用國際鐵路聯(lián)盟標準UIC615-4《客車車輛動力車轉向架構架結構強度試驗》(以下簡稱UIC615-4)中規(guī)定的載荷工況，標準中規(guī)定了超常載荷，主要運營載荷，特殊運營載荷三種載荷。

超常載荷用來進行靜強度分析，確保構架不會發(fā)生永久變形及斷裂,其為機車在運行過程中可能受到的最大的靜載荷。運營載荷為機車在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的力，這種力是運行過程經(jīng)常出現(xiàn)的力，是一種交變載荷，決定了轉向架構架的壽命，用來進行疲勞強度分析，確保構架不會發(fā)生疲勞斷裂。結合機車在實際運行過程中受到的力，將三種載荷組合成為貼近機車實際運行時的計算工況，從而對構架強度進行校核。共得出11種超常載荷工況及24種模擬運營工況。表1列出了典型的四種超常載荷工況，表2列出了典型的四種模擬運營工況。

表1 超常載荷工況表

表2 模擬運營工況

表中：Fzmax、FYmax為超常載荷下的最大垂向力、最大橫向力，α=0.1機車側滾系數(shù)，β=0.2機車沉浮系數(shù)，F(xiàn)Z為模擬運營工況的最大垂向力。

4 轉向架構架靜強度評定方法及結果分析

4.1 構架靜強度評定方法

靜強度分析是校核轉向架結構的剛度、強度，即校核轉向架構架在機車運行過程中承受各種復雜的力并保證構架不變形的能力[2]。本文通過ANSYS分析軟件對構架進行靜力學分析，獲得構架在超常載荷工況下的應力云圖，并依據(jù)應力云圖分析構架的應力分布和最大應力位置。

轉向架的靜強度評定標準依據(jù)UIC615-4標準中的相關規(guī)定，使用第四強度理論對轉向架進行強度校核，第四強度理論適用于塑性屈服的材料，主要校核結構的von_Mises應力，當結構的最大von_Mises應力不超過結構的許用應力時，則可判定結構的靜強度符合運營要求。

第四強度理論表示如式(1)所示：

σmax=

(1)

文中分析的轉向架構架厚度小于16 mm，所以構架的屈服強度為460 MPa。取安全系數(shù)為1.1，則構架的許用應力為418 MPa。

4.2 靜強度分析結果與分析

通過有限元計算軟件ANSYS提取超常工況的最大von_Mises等效應力，得到構架的應力云圖，由應力云圖可看出構架等效應力最大值發(fā)生的位置，超常載荷工況下的最大應力發(fā)生在第最大等效應力出現(xiàn)在第10工況中，構架最大等效應力為221.295 MPa，第10工況應力云圖見圖4。

圖4 第10工況應力云圖

對靜強度計算結果進行整理，得出表3中的構架最大等效應力。

由表3可知，在超常載荷工況下計算的各工況最大等效應力均小于許用應力，且安全系數(shù)較大，表明構架在超常載荷工況下具有較大的抵抗變形的能力，靜強度評估滿足UIC615-4標準要求。

表3 超常工況靜強度計算結果

前10個工況最大等效應力位置均在左右側梁上蓋板與豎板之間靠近二系彈簧座處，即可說明靜強度與車體的重量有較大關系，第11工況中轉向架起吊座內孔壁出現(xiàn)了最大等效應力，這個工況下主要是起吊轉向架時出現(xiàn)，同時，除了最大應力出現(xiàn)的位置，構架主體前端梁與電機吊掛座的連接處、構架主體前后端梁與制動吊掛座之間的連接處及構架主體與一系橫向止擋及牽引拉桿安裝座連接處的等效應力也相對較大，這些位置主要受機車運行時產(chǎn)生的極限載荷的影響，同時由于存在焊縫的原因，會降低這些位置的剛度及發(fā)生剛度突變，為了防止構架發(fā)生剛度突變，需要在機車運用過程中要重點檢查這些焊縫位置，并對焊縫進行打磨，使這些部位盡可能不出現(xiàn)應力集中。

4.3 構架疲勞強度分析方法及結果

Goodman疲勞極限圖是在Goodman提出的線性經(jīng)驗公式的基礎上，使用幾個關鍵點連接成封閉的疲勞極限圖，其邊界就是材料的屈服強度，是一種簡化的疲勞極限圖[3]。Haigh形式和Smith形式是Goodman疲勞極限圖的兩種形式，兩種形式的橫坐標都是以平均應力為橫坐標，但前一種的縱坐標是應力幅，后一種的縱坐標為最大、最小應力值。Goodman-Smith疲勞極限圖比較簡潔，且可以直觀表現(xiàn)出最大及最小應力值，以及平均應力對應力幅和疲勞極限最大及最小應力的影響。本文采用修正的Goodman-Smith疲勞極限圖對轉向架構架的焊縫進行評估，修正的疲勞極限圖即將邊界換為材料的許用應力。為了安全起見，文中使用ERRIB 12/Rp 17標準中的16Mn型鋼材的Goodman疲勞極限圖，見圖5。

圖5 鋼材疲勞極限圖

依據(jù)國際鐵路聯(lián)盟試驗中心得出的研究報告ORE B 12/RP 17，可得出結構發(fā)生疲勞破壞裂紋的方向與最大主應力方向相互垂直，依據(jù)這個理論可以將構架的三個主應力方向轉化為一個主應力方向，從而得到應力幅值和平均應力，然后在結構材料的疲勞極限圖上進行疲勞強度評估[4]。轉化方法如下：

(1) 提取有限元計算結果并得出轉向架構架的模擬運營工況中所有工況的主應力值和方向。

(2) 以最大主應力值的方向作為所有工況的基準，將其它主應力向基準方向投影，得到應力值σe,確定最小主應力值σmin。如圖6所示。

(3) 確定應力均值和應力幅值

(2)

(3)

圖6 投影法

4.4 疲勞強度評估點的選取

文中分析的200 km/h客運機車轉向架構架為焊接構架，由于焊接的緣故，難免會對材料的焊縫區(qū)域產(chǎn)生應力集中、缺陷及材料組織變化等影響，從而使構架焊縫區(qū)域的疲勞強度降低，焊縫主要存在于上下蓋板與中間立板之間、構架主體與牽引座及牽引座本身和構架主體與其余各吊掛座之間，上下蓋板與立板連接部位根據(jù)靜強度結果可以看出容易產(chǎn)生應力集中，而各吊掛座與構架主體之間連接的部位容易產(chǎn)生交變載荷，牽引座本身及構架連接部位傳遞牽引力和制動力，并承受一定的沖擊力，故下面這三處焊縫進行疲勞強度評估。

(1) 選取構架上下蓋板與立板之間的焊縫位置，下文稱主焊縫，因為構架主體為對稱結構，所以選取構架主體半部分的焊縫來進行疲勞強度評估，共選取6 825個節(jié)點。

(2) 選取轉向架構架主體與牽引座和牽引座本身的焊縫位置，共選取869個節(jié)點進行疲勞強度評估。

(3) 選取構架主體和各吊掛座之間的焊縫位置，吊掛座大部分中心對稱，取構架左側吊掛座進行分析，主要有一系彈簧座、二系彈簧座、制動吊座及電機吊座等，共選取2 362個節(jié)點進行疲勞強度評估。

4.5 構架疲勞強度分析結果

利用有限元分析軟件ANSYS進行疲勞強度計算，使用Matlab編程軟件編寫APDL語言并導入至ANSYS中，獲得各焊縫位置所選節(jié)點的最大主應力，最小主應力，平均應力及應力幅，利用獲得的各數(shù)據(jù)繪制構架焊縫節(jié)點的疲勞極限圖。如圖7所示。

圖7 模擬運營工況疲勞極限圖

由圖7可知，構架焊縫在模擬運營工況下最大應力及最小應力均在Goodman疲勞極限圖的包絡線內，且距疲勞極限較遠，故構架焊縫的疲勞評估結果合格。

5 結 語

以某型城際動車組轉向架構架為研究對象，依據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標準UIC615-4計算了強度分析所需的載荷，利用ANSYS分析軟件對構架進行了靜強度分析，依據(jù)第四強度理論校核了構架的靜強度。利用修正的Goodman-Smith疲勞極限圖對轉向架構架的焊縫進行評估。結果表明：構架的靜強度及疲勞強度均滿足標準要求。