某維護(hù)牽引車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的有限元分析

鄧贊　楊紹波

摘要：利用有限元分析軟件，對(duì)某磁浮項(xiàng)目中的維護(hù)牽引車轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行中的極限工況進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核，同時(shí)使用Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)定。從而證明了設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)，為同類型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)研發(fā)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(guān)鍵詞：牽引車;轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向架是牽引車最關(guān)鍵的零部件之一，是車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、傳遞牽引力和支撐車體的重要載體。而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的主體結(jié)構(gòu)，因此牽引車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對(duì)機(jī)車的運(yùn)行的性能和安全至關(guān)重要[1]。在設(shè)計(jì)階段，有必要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)定。

某磁浮工程維護(hù)牽引車是湘電重型裝備有限公司為保障國內(nèi)第一條完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁懸浮列車線路運(yùn)營而研發(fā)的一種工程車輛，由于車輛運(yùn)行道路的特殊性——車輛運(yùn)行軌道比較窄，在國內(nèi)外沒有可供參考的設(shè)計(jì)。本文通過建立了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元分析模型，完成了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度分析，并根據(jù)Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)定。

1? 有限元模型的建立

首先在三維軟件平臺(tái)上建立牽引車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型，然后在Workbench中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，最后在ANSYS中進(jìn)行仿真計(jì)算。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由鋼板焊接而成的全封閉結(jié)構(gòu)，在構(gòu)架上設(shè)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(dǎo)向支架等相關(guān)部件。橫梁和側(cè)梁內(nèi)部設(shè)有筋板，以加強(qiáng)構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度。構(gòu)架使用的材料為Q345B低合金高強(qiáng)度鋼（見表1）。

在建立轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型時(shí)，對(duì)焊接處進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和假設(shè)（如圖1所示）：選取焊接處焊料性能與母材一致。忽略對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的孔、過渡圓角、倒角及一些細(xì)小的搭接邊上的凸臺(tái)。去掉工藝塊、安全吊等對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度影響較的小零件。導(dǎo)向支架與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體間的螺栓連接也使用剛性連接模擬簡(jiǎn)化。

由于板殼模型的計(jì)算量相對(duì)實(shí)體模型偏小，且計(jì)算精度能夠滿足工程要求，對(duì)網(wǎng)格的控制方面更容易采用高精度的單元[2]，本文將構(gòu)架的板材處理成面來進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)向架二系彈簧上所承載的主要部件有：車架、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及其各種附件等，這些主要部件質(zhì)量折算成下壓力直接加載于轉(zhuǎn)向架之上;對(duì)于一系彈簧懸架和輪對(duì)部分，由于不在本次分析范圍內(nèi)，則省略后在原一系彈簧位置直接進(jìn)行約束。有限元網(wǎng)格劃分采用自由劃分網(wǎng)格和強(qiáng)制六面體網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方法。轉(zhuǎn)向架主體和導(dǎo)向支架有限元模型分別如圖2和圖3所示。

2? 靜強(qiáng)度計(jì)算

2.1 計(jì)算工況

為了能夠全面地評(píng)估構(gòu)架的可靠性，對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體本文選定了牽引車運(yùn)行過程中的4種極限工況來進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于導(dǎo)向支架選取2種極限工況進(jìn)行校核計(jì)算。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的4種極限工況見表2。

2.2 計(jì)算結(jié)果

利用ANSYS完成有限元計(jì)算并進(jìn)行后處理后得到各工況下的Von Mises應(yīng)力分布情況。向架構(gòu)架主體的4種極限工況應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖4可知，構(gòu)架主體最大應(yīng)力發(fā)生在工況2，最大應(yīng)力為98MPa，同時(shí)4種工況最大應(yīng)力位置都在側(cè)梁末端與輪對(duì)大梁加強(qiáng)筋的連接處。

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

Q345材料屈服強(qiáng)度極限為345MPa。由上面的分析可知，最大應(yīng)力都小于材料的屈服強(qiáng)度極限。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最小安全系數(shù)為3.52，導(dǎo)向支架的最小安全系數(shù)為1.75。在運(yùn)用載荷情況下，材料的極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)S為2.2，材料的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)S在無焊縫區(qū)為1.5，有焊縫區(qū)為1.65[3]。由此可知，轉(zhuǎn)向架兩個(gè)部件的安全系數(shù)都大于1.65，滿足運(yùn)用載荷下的靜強(qiáng)度要求。

3? 一般工況下的疲勞強(qiáng)度評(píng)定

對(duì)構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的評(píng)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(lián)盟UIC的研究組織ORE第12專題組推薦使用的Smith疲勞強(qiáng)度圖法，也稱為Goodman-smith疲勞度曲線圖法[4]。

根據(jù)維護(hù)牽引車的動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，牽引車以35km/h的速度在FRA 5級(jí)譜的直線軌道上運(yùn)行時(shí)（一般工況），得到單個(gè)二系彈簧力的時(shí)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(xué)計(jì)算可知，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在一般工況下的最大應(yīng)力值為63.92MPa。根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論，材料在彈性變形階段，應(yīng)力與載荷成線性關(guān)系，由此可得到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的最大應(yīng)力？滓max=69.08MPa，最小應(yīng)力？滓min=57.12MPa。

參考教科裝[2001]21號(hào)文《200km/h 及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》可以計(jì)算得到

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

根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)，結(jié)合Goodman-smith疲勞極限曲線圖[5]，可知轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力幅值位于安全區(qū)域內(nèi)，且有較大的富余，因此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度要求。

4? 結(jié)論

利用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，從分析的結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力分布較為均勻、合理，在極限工況下構(gòu)架仍具有足夠的安全裕度。

參照 ERRI B12/RP17 規(guī)定，用Goodman-smith疲勞極限曲線圖法對(duì)構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定。結(jié)果表明構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)均在疲勞極限曲線包絡(luò)線內(nèi)，能夠滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

此次計(jì)算分析結(jié)果可為后期的應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)作用，為合理確定應(yīng)力測(cè)定位置提供了參考。并為后面的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化工作提供了依據(jù)，也為同類型機(jī)車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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