一種心盤牽引轉向架構架強度分析

王華軍，張 用，趙新贏，張 莎

（1. 濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東濟南 250000；2. 寶雞中車時代工程機械有限公司，陜西寶雞 721000）

1 引言

伴隨國家經濟發展，國內鐵路運輸產業逐步壯大，其線路網絡建設日臻完善，軌道技術裝備需求不斷提高，同時軌道技術裝備新標準相應更新，其中安全可靠且質量穩定成為軌道技術裝備的首要要求。轉向架承擔整車車輛走行的重要功能，其主要承載骨架即為構架結構。作為轉向架各零部件安裝基礎，構架除傳遞輪對與車體間的縱向及橫向力，承受車體垂向力，同時承載各零部件產生的復雜載荷。因此構架強度性能不僅直接影響到軌道工程車輛的安全可靠性，也與其牽引力及運行品質密切關聯。

本文根據新發布的行業標準TB/T 3548-2019 《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范-總則》及TB/T 3549.1-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 轉向架 第1部分：轉向架構架》，結合有限元分析軟件，對一種心盤牽引轉向架構架開展靜強度及疲勞強度的分析與評估。

2 轉向架及構架結構介紹

該型轉向架為兩軸雙動力轉向架。其本身配備一、二系懸掛裝置，車軸軸箱定位方式采用雙拉桿定位，同時設有垂向液壓減振器。中央心盤及彈性旁承組成轉向架中央懸掛系統，基礎制動為拉桿式制動，縱向力通過中央心盤進行傳遞。

構架采用整體焊接形式，由2根側梁和1根中橫梁構成H形結構。其中左、右2根側梁為變截面設計，其結構完全相同，側梁及中橫梁連接處拼焊加強隔板。心盤牽引座為ZG 270-500鑄鋼材料，經加工后焊于中橫梁上蓋板中央位置。上、下拉桿座為ZG 270-500鑄鋼材料，經加工后采用焊胎定位焊于構架側梁下蓋板。垂向、抗蛇行減振器座及鎖定缸座焊于側梁外側。車軸軸箱止擋座焊于側梁下蓋板車軸中心線。構架主體材料為Q355D。該型轉向架構架三維模型圖如圖1所示。

3 構架模型前處理及載荷工況施加

3.1 構架模型前處理

基于理論計算與實際模型盡量保持一致的原則，構架模型前處理中在保證理論計算模型盡可能符合實際情況的同時，需兼顧有限元計算數據處理規模，縮減運算時間，因而簡化處理部分微小結構特征。采用有限元仿真軟件對構架計算模型進行單元離散。經處理，構架有限元計算模型共計1 189 441個節點，673 985個單元，其網格質量為79.3%，符合下一步載荷工況加載計算要求。構架有限元計算模型如圖2所示。

3.2 載荷工況施加

構架坐標系采用與行業標準對應的空間笛卡兒坐標系：將轉向架幾何中心標定為坐標原點，中橫梁上蓋板中性面標定為坐標系XOY平面；車輛運行前進方向標定為X軸正向；平行軌道且前進方向垂直向右標定為Y軸正向；軌道平面垂直向下標定為Z軸正向。標定構架坐標系可方便相應載荷工況施加，該構架坐標系及加載示意如圖3所示。其中Fy為橫向載荷，Fz1、Fz2為旁承承載，Fzp為心盤承載。

根據TB/T 3548-2019，超常載荷工況用以驗證此類工況下轉向架是否會產生持續永久變形，該工況由運用時可能出現的最大載荷組成；模擬主要運營載荷工況用以驗證此類工況下轉向架是否會產生疲勞裂紋，該工況由在運用時出現的主要運營載荷組成（包括橫向、垂向及軌道扭曲載荷）；模擬特殊運營載荷工況用以驗證此類工況下轉向架構架是否會產生局部裂紋，該工況由牽引電機、制動裝置、減振器等零部件產生的特殊運營載荷組成。

超常載荷工況下側滾系數取α= 0.3×（1 700÷2bg）=0.3×（1 700÷1 956）= 0.26，2bg為旁承間距，mm。該型構架超常載荷工況如表1所示。

表1 該型構架超常載荷工況表 kN

模擬主要運營載荷工況下側滾系數取α= 0.2×（1 700÷2bg）= 0.2×（1 700÷1 956）= 0.17，2bg為旁承間距，mm。浮沉系數取β= 0.2。該型構架模擬主要運營載荷工況如表2所示。

表2 該型構架模擬主要運營載荷工況表 kN

對于構架模擬特殊運營載荷工況，由轉向架懸吊部件產生的載荷包括部件振動產生的慣性載荷和部件工作時產生的工作載荷2類。既要考慮超常載荷下構架及其吊掛裝置不產生永久變形，又要考慮運營載荷工況下，構架及其吊掛裝置在其設計壽命期限內不應出現疲勞裂紋。根據TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019相關公式及規定，構架模擬特殊運營工況表如表3、表4所示，其中：制動工況由縱向載荷Fzdx+制動載荷Fzd組成；齒輪箱受力工況由縱向載荷Fc+齒輪箱吊座載荷Fcd組成；齒輪箱吊座載荷工況由其垂向載荷Fcc、橫向載荷Fch、縱向載荷Fcz組成；閘瓦及其懸掛部件慣性載荷工況由其垂向載荷Fzwc、橫向載荷Fzwh、縱向載荷Fzwz組成；減振器載荷工況由垂向減振器載荷Fc、抗蛇行減振器載荷Fs組成；鎖定油缸載荷工況由其載荷Fg組成；以上所有工況均疊加構架所受垂向載荷心盤承載Fz進行校核計算。表中采用±表征不同的方向，后綴-c及-y分別表征超常載荷及運營載荷工況。

表3 超常載荷下模擬特殊運營工況表 kN

4 結果評價標準

4.1 靜強度結果評價標準

超常載荷工況由運用時可能出現的最大載荷組成，用以驗證此類工況下轉向架是否會產生持續永久變形，因此采用材料的屈服強度作為靜強度衡量標準。2種材料的特性如表5所示。

表5 材料特性表 MPa

4.2 疲勞強度評價

根據TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019，評價模擬主要運營載荷工況及運營載荷下模擬特殊運營載荷工況時構架的疲勞強度，具體評價方法如下。

分別在上述載荷工況下，選取構架位置上具有代表性及應力較大點為測點。在各工況下，提取所選定測點的應力值，并從中篩選出各測點應力最大值σ max與最小值σ min，按式（1）及式（2）計算出各測點平均應力σave和應力幅Δσ。

標準TB/T 3548-2019中ORE B12/RP17提供的抗拉強度≥420 N/mm2鋼材疲勞極限圖如圖 4所示，將式（1）及式（2）計算所得數值參照圖 4，對構架進行疲勞強度開展評價。

疲勞極限圖即為1種指定循環N次疲勞后或者經N次疲勞的破壞應力包絡線，只有處于封閉折線內部的測點才是安全的，若處于封閉折線之上或之外則表示材料將發生斷裂。

5 計算結果分析

5.1 構架靜強度分析

因該型構架為對稱結構，為減少冗余計算，故選取具有代表性的載荷工況進行計算。經有限元分析計算，構架靜強度計算結果如表 6所示。

表6 超常載荷各工況下構架最大等效應力與對應位置 MPa

對于構架主體，超常載荷工況（垂向+縱向載荷）下構架主體等效應力最大，位于側梁套筒彎折處，最大等效應力值為296.10 MPa，小于側梁內肋板材料（Q355D）的屈服強度355 MPa，其等效應力云圖如圖5所示。對于構架吊掛部件，超常載荷工況（齒輪箱垂向慣性載荷工況）下齒輪箱垂向慣性載荷方向向上時構架局部等效應力最大，位于齒輪箱吊座上邊沿，最大等效應力為306.34 MPa，小于橫梁立板材料（Q355D）的屈服強度355 MPa，其等效應力云圖如圖6所示。

結果表明超常載荷各工況下（此處工況包含超常載荷工況及超常載荷下模擬特殊運營工況）構架最大等效應力均小于對應材料的靜強度衡量標準，因此構架靜強度滿足標準相應要求。

5.2 疲勞強度分析

根據標準規定的疲勞評價方法，模擬主要運營載荷工況及運營載荷下模擬特殊運營載荷工況時對該型構架選定測點進行應力提取及數據處理，經對應鋼材疲勞極限圖評定后結果如圖7所示。根據圖中顯示可知構架各選定測點處于封閉折線內部，即其疲勞強度均未超過母材及焊縫區疲勞極限，因此該型號構架疲勞強度滿足相應標準要求。

6 結論

依據新發布行業標準TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019，結合一種心盤牽引轉向架構架實際結構形式，對該型構架在超常、模擬主要運營及模擬特殊運營載荷工況下開展靜強度及疲勞強度的分析與評估，結論如下。

（1）該型構架靜強度計算結果表明，超常載荷各工況下（包含超常載荷工況及超常載荷下模擬特殊運營工況）構架最大等效應力均小于對應材料的靜強度衡量標準，因此構架靜強度滿足標準相應要求。

（2）該型構架疲勞強度評價結果表明，根據標準規定的疲勞評價方法，模擬運營載荷工況下（包含模擬運營載荷工況及特殊運營載荷工況），構架各選定測點處于對應鋼材疲勞極限圖封閉折線內部，即其疲勞強度均未超過母材及焊縫區疲勞極限，因此該型構架疲勞強度滿足相應標準要求。

該型構架靜強度及疲勞強度均滿足對應行業標準要求。綜合該型構架強度分析結果及實際運用情況，其主體結構靜強度及疲勞強度均有較大余量，后續設計可在此基礎上配合輕量化設計綜合考慮整車振動，進行結構優化，提升該型構架整體性能。