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摘要：介绍了某出口内燃动车组宽轨转向架构架的结构特点，运用有限元分析方法，依据依据标准UIC615-4对构架进行了静强度和疲劳强度评估。分析结果表明：构架各关键点等效应力小于材料的许用应力，满足静强度和疲劳强度要求。
关键词：宽轨转向架；构架；有限元；静强度和疲劳强度评估
转向架是轨道车辆中的最重要的承载结构之一，担负着支撑车体、运行、转向等功能，它决定着客车的运行品质和行车安全[1]。而构架作为转向架关键部件之一，既是转向架其它零部件的安装基础，同时承受、传递轨道车辆运行中各种作用力和载荷，因此，转向架构架的可靠性对车辆的性能和安全性有重大影响。
本文以某出口内燃动车组宽轨转向架构架为研究对象，依据标准UIC615-4对构架进行静强度和疲劳强度分析，通过分析找出构架的薄弱环节，为后续优化提供理论依据。
1构架结构及有限元模型
内燃动车组宽轨转向架构架设计采用H形焊接结构，由两根侧梁、两根横梁，两根纵向辅助梁连接而成。构架各梁体内部布置了一定数量的筋板，以增强构架的抗扭转刚度。其中侧梁为下凹鱼腹型箱体结构，采用钢板焊接而成，同时侧梁还焊接有转臂定位座和制动吊座，侧梁钢板采用腐蚀性能好的S355J2W（H）材料，转臂定位座，制动吊座采用Q345D材质。横梁采用无缝钢管型材，贯通并延伸出两侧梁之外，避免横梁端面与侧梁外侧平齐而易引起焊接缺陷。两横梁钢管间设计两根纵向辅助梁。横梁钢管上焊接电机吊座，牵引拉杆座，垂向止挡座等，材料均采用Q345D材质。
综合考虑构架的实际运用情况，选定构架整体做为离散模型。构架的有限元模型采用Hypermesh进行网格划分，单元边长约为10mm，单元类型采用Solid185和shell181。轴和转臂用beam188单元替代，一系钢簧和转臂节点用对应刚度的combin14单元替代。构架共划分单元250270，节点数为150992。考虑到构架支撑在轴箱弹簧支座上的特点，在每个支撑面上建立弹簧边界单元，弹簧边界单元的刚度为一系悬挂对应的刚度。
2计算分析
综合考虑构架在各种运用情况下的受力特性，参照UIC615-4标准，为考虑足够的安全裕量，侧滚系数α取0.15，浮沉系数β取0.25。依据标准中规定的载荷工况计算方法，对超常运营工况和模拟运营载荷工况工况进行计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆计算构架各工况的载荷值，如表1所示：
表1构架各工况的载荷值
载荷工况
空簧右FZ1
/kN空簧左FZ2
/kN横向止挡力
/kN空簧横向力
/kN扭曲载荷
/kN
1201.89201.89119.6410.67523
2149.11149.11
3134.289.47
4134.289.4769.3910.67
5208.75164.02
6208.75164.0269.3910.67
789.47134.2-69.39-10.67
8164.02208.75
9164.02208.75-69.39-10.67
10134.289.4769.3910.67-11.5
3构架强度评估
3.1静强度分析
根据表1中计算的载荷值对焊接构架进行静强度分析，得到超常载荷工况和运营载荷两种工况，这两种工况下最大应力分别出现在定位臂与侧梁连接处和纵向梁与横粱连接处，最大等效应力值分别为255MPa和145MPa，其值均小于构架材料许用应力355MPa，满足材料静强度要求。
3.2疲劳强度评定
由OREB12/RP17和结构疲劳的相关文献可知，根据结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直这一显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值，根据修正Goodman曲线进行结构疲劳强度评定。由修正的Goodman疲劳曲线确定相应的许用应力，根据计算出疲劳应力值和许用疲劳应力值之比得出焊缝（或母材）的应力因数。
1、根据材料的疲劳极限图对关键点的平均应力和应力幅值进行疲劳强度评估，结果如图1所示．由图1可见，各关键点的应力均在允许范围内．因此，构架满足疲劳强度要求。
图1运营工况构架疲劳极限图
2、模拟运营载荷工况分别对构架关键焊缝的应力因数进行分析。构架关键焊缝应力因数的分析结果如表2所示：
表2构架关键焊缝应力因数分析结果
标号最大值（MPa）最小值（MPa）平均应力（MPa）计算应力幅值（MPa）许用应力幅值（MPa）应力因数
1117.11.72459.4257.6992.120.62
246.4-9.0418.6827.7292.000.3
341.02-22.519.2531.7695.700.3
437.292.1519.7217.5691.590.19
529.51-0.0214.7414.77104.610.14
646.41-12.0717.1729.2492.590.31
712.18-12.18012.18108.730.11
841.44-21.839.8031.6395.490.33
964.68-9.6827.5037.1888.530.42
10113.2-12.850.1962.9979.620.79
依据EN15085-3《铁路上的应用－铁路车辆及其部件的焊接－第3部分：设计要求》要求，对转向架构架关键焊缝的应力因数进行计算分析，焊缝的应力因数是根据焊缝接头形式计算出的疲劳应力值与疲劳许用应力值之比。根据EN15085-3，应力因数均小于0.75，应力等级为低级；应力因数0.75-0.9，应力等级为中级；应力因数大于0.9，应力等级为高级。
从表2中可以看出，只有焊缝15(横梁与侧梁外侧连接处的焊缝)的应力因数为0.79，应力等级为中级。其余个关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低。
4结论
1、超常载荷工况和运营工况下，构架最大应力分别出现在定位臂与侧梁连接处和纵向梁与横粱连接处，最大等效应力值分别为255MPa和145MPa，其值均小于构架材料许用应力355MPa，满足材料静强度要求
2、疲劳强度校核，构架最大应力因数为0.79，应力等级为中级。其余各关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低，满足疲劳强度要求。
5参考文献：
[1]秦国栋、刘志明，崔二光等.提速转向架焊接构架疲劳寿命的实用分析方法[J].中国铁道科学，2004，25（1）:46-51.
[2]UIC615-4.动力车—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验[S].
[3]GB/T1591-2008.低合金高强度结构钢[S].
[4]EN15085-3-铁路上的应用－铁路车辆及其部件的焊接－第3部分：设计要求[S].
[5]EN10025-2-2004.结构钢热轧制品第2部分：非合金结构钢的交货技术条件[S].
论文作者:莘海萍 刘洋 李春来
论文发表刊物:《科技新时代》2018年12期
论文发表时间:2019/2/18
标签：应力论文; 构架论文; 转向架论文; 工况论文; 强度论文; 疲劳论文; 载荷论文; 《科技新时代》2018年12期论文;