某型城際動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)估*

劉 寒，李臣偉，趙 芳，沙傳杰，楊 凱，田金鑫

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引 言

城際動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行提高了城鄉(xiāng)人民的出行效率，并帶動(dòng)了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)及生態(tài)文明建設(shè)助力，對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。轉(zhuǎn)向架作為城際動(dòng)車(chē)組的關(guān)鍵承載部件，其決定著城際動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全性和舒適性，為了乘客的乘坐安全性，有必要對(duì)其進(jìn)行分析研究。

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

筆者通過(guò)介紹轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)，建立構(gòu)架的有限元模型，依據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)確定構(gòu)架的載荷工況，分析得出構(gòu)架的最大等效應(yīng)力及Goodman疲勞極限圖，由分析結(jié)果可知構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，從而解決了車(chē)輛的安全運(yùn)行問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)

該城際動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主體呈“日”字形結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，主要由前端的牽引梁、兩根側(cè)梁呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、后端梁及中間橫梁組成，梁內(nèi)部設(shè)置形狀不同的加強(qiáng)筋板。在側(cè)梁、端梁及橫梁上焊接安裝懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及制動(dòng)裝置等吊掛座，為了保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度及加工精度，在構(gòu)架焊接完成后，需要進(jìn)行淬火及退火處理。構(gòu)架基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(nèi)筋板8 mm。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 構(gòu)架有限元模型的建立

此研究對(duì)象為城際動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，通過(guò)有限元模型來(lái)模擬構(gòu)架在機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況。首先使用Solidworks建立構(gòu)架的三維模型，在有限元前處理軟件Hypermesh中對(duì)構(gòu)架的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)為了提高計(jì)算效率及網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)強(qiáng)度計(jì)算影響較小的結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)。構(gòu)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(jié)構(gòu)以四節(jié)點(diǎn)四邊形網(wǎng)格為主進(jìn)行劃分，構(gòu)架上的一些吊掛座使用四節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，構(gòu)架主體與吊掛座之間的焊縫使用四節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格進(jìn)行連接。網(wǎng)格劃分完成后，需要依據(jù)計(jì)算工況進(jìn)行加載，雖然轉(zhuǎn)向架為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，但是由于約束及載荷加載位置不對(duì)稱(chēng)，所以選取整個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為研究對(duì)象，并利用ANSYS計(jì)算各工況強(qiáng)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(diǎn)總數(shù)為261 161個(gè),單元總數(shù)472 310個(gè)。

圖2 構(gòu)架有限元整體圖 圖3 構(gòu)架有限元局部圖

3 構(gòu)架計(jì)算工況的確定

動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算載荷采用國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4《客車(chē)車(chē)輛動(dòng)力車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)UIC615-4)中規(guī)定的載荷工況，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了超常載荷，主要運(yùn)營(yíng)載荷，特殊運(yùn)營(yíng)載荷三種載荷。

超常載荷用來(lái)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，確保構(gòu)架不會(huì)發(fā)生永久變形及斷裂,其為機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中可能受到的最大的靜載荷。運(yùn)營(yíng)載荷為機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的力，這種力是運(yùn)行過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)的力，是一種交變載荷，決定了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的壽命，用來(lái)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，確保構(gòu)架不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。結(jié)合機(jī)車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受到的力，將三種載荷組合成為貼近機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的計(jì)算工況，從而對(duì)構(gòu)架強(qiáng)度進(jìn)行校核。共得出11種超常載荷工況及24種模擬運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)工況。

表1 超常載荷工況表

表2 模擬運(yùn)營(yíng)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(jī)車(chē)側(cè)滾系數(shù)，β=0.2機(jī)車(chē)沉浮系數(shù)，F(xiàn)Z為模擬運(yùn)營(yíng)工況的最大垂向力。

4 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度評(píng)定方法及結(jié)果分析

4.1 構(gòu)架靜強(qiáng)度評(píng)定方法

靜強(qiáng)度分析是校核轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度，即校核轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中承受各種復(fù)雜的力并保證構(gòu)架不變形的能力[2]。本文通過(guò)ANSYS分析軟件對(duì)構(gòu)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得構(gòu)架在超常載荷工況下的應(yīng)力云圖，并依據(jù)應(yīng)力云圖分析構(gòu)架的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力位置。

轉(zhuǎn)向架的靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，使用第四強(qiáng)度理論對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行強(qiáng)度校核，第四強(qiáng)度理論適用于塑性屈服的材料，主要校核結(jié)構(gòu)的von_Mises應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)的最大von_Mises應(yīng)力不超過(guò)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力時(shí)，則可判定結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合運(yùn)營(yíng)要求。

第四強(qiáng)度理論表示如式(1)所示：

σmax=

(1)

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

4.2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果與分析

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

圖4 第10工況應(yīng)力云圖

對(duì)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得出表3中的構(gòu)架最大等效應(yīng)力。

由表3可知，在超常載荷工況下計(jì)算的各工況最大等效應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，且安全系數(shù)較大，表明構(gòu)架在超常載荷工況下具有較大的抵抗變形的能力，靜強(qiáng)度評(píng)估滿(mǎn)足UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 超常工況靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

前10個(gè)工況最大等效應(yīng)力位置均在左右側(cè)梁上蓋板與豎板之間靠近二系彈簧座處，即可說(shuō)明靜強(qiáng)度與車(chē)體的重量有較大關(guān)系，第11工況中轉(zhuǎn)向架起吊座內(nèi)孔壁出現(xiàn)了最大等效應(yīng)力，這個(gè)工況下主要是起吊轉(zhuǎn)向架時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)，除了最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，構(gòu)架主體前端梁與電機(jī)吊掛座的連接處、構(gòu)架主體前后端梁與制動(dòng)吊掛座之間的連接處及構(gòu)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(yīng)力也相對(duì)較大，這些位置主要受機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的極限載荷的影響，同時(shí)由于存在焊縫的原因，會(huì)降低這些位置的剛度及發(fā)生剛度突變，為了防止構(gòu)架發(fā)生剛度突變，需要在機(jī)車(chē)運(yùn)用過(guò)程中要重點(diǎn)檢查這些焊縫位置，并對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，使這些部位盡可能不出現(xiàn)應(yīng)力集中。

4.3 構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析方法及結(jié)果

Goodman疲勞極限圖是在Goodman提出的線性經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，使用幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接成封閉的疲勞極限圖，其邊界就是材料的屈服強(qiáng)度，是一種簡(jiǎn)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(biāo)都是以平均應(yīng)力為橫坐標(biāo)，但前一種的縱坐標(biāo)是應(yīng)力幅，后一種的縱坐標(biāo)為最大、最小應(yīng)力值。Goodman-Smith疲勞極限圖比較簡(jiǎn)潔，且可以直觀表現(xiàn)出最大及最小應(yīng)力值，以及平均應(yīng)力對(duì)應(yīng)力幅和疲勞極限最大及最小應(yīng)力的影響。本文采用修正的Goodman-Smith疲勞極限圖對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊縫進(jìn)行評(píng)估，修正的疲勞極限圖即將邊界換為材料的許用應(yīng)力。為了安全起見(jiàn)，文中使用ERRIB 12/Rp 17標(biāo)準(zhǔn)中的16Mn型鋼材的Goodman疲勞極限圖，見(jiàn)圖5。

圖5 鋼材疲勞極限圖

依據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟試驗(yàn)中心得出的研究報(bào)告ORE B 12/RP 17，可得出結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向相互垂直，依據(jù)這個(gè)理論可以將構(gòu)架的三個(gè)主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)化為一個(gè)主應(yīng)力方向，從而得到應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力，然后在結(jié)構(gòu)材料的疲勞極限圖上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估[4]。轉(zhuǎn)化方法如下：

(1) 提取有限元計(jì)算結(jié)果并得出轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的模擬運(yùn)營(yíng)工況中所有工況的主應(yīng)力值和方向。

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

(3) 確定應(yīng)力均值和應(yīng)力幅值

(2)

(3)

圖6 投影法

4.4 疲勞強(qiáng)度評(píng)估點(diǎn)的選取

文中分析的200 km/h客運(yùn)機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為焊接構(gòu)架，由于焊接的緣故，難免會(huì)對(duì)材料的焊縫區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中、缺陷及材料組織變化等影響，從而使構(gòu)架焊縫區(qū)域的疲勞強(qiáng)度降低，焊縫主要存在于上下蓋板與中間立板之間、構(gòu)架主體與牽引座及牽引座本身和構(gòu)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(qiáng)度結(jié)果可以看出容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而各吊掛座與構(gòu)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(gòu)架連接部位傳遞牽引力和制動(dòng)力，并承受一定的沖擊力，故下面這三處焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

(1) 選取構(gòu)架上下蓋板與立板之間的焊縫位置，下文稱(chēng)主焊縫，因?yàn)闃?gòu)架主體為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以選取構(gòu)架主體半部分的焊縫來(lái)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，共選取6 825個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2) 選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體與牽引座和牽引座本身的焊縫位置，共選取869個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

(3) 選取構(gòu)架主體和各吊掛座之間的焊縫位置，吊掛座大部分中心對(duì)稱(chēng)，取構(gòu)架左側(cè)吊掛座進(jìn)行分析，主要有一系彈簧座、二系彈簧座、制動(dòng)吊座及電機(jī)吊座等，共選取2 362個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

4.5 構(gòu)架疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，使用Matlab編程軟件編寫(xiě)APDL語(yǔ)言并導(dǎo)入至ANSYS中，獲得各焊縫位置所選節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力，平均應(yīng)力及應(yīng)力幅，利用獲得的各數(shù)據(jù)繪制構(gòu)架焊縫節(jié)點(diǎn)的疲勞極限圖。如圖7所示。

圖7 模擬運(yùn)營(yíng)工況疲勞極限圖

由圖7可知，構(gòu)架焊縫在模擬運(yùn)營(yíng)工況下最大應(yīng)力及最小應(yīng)力均在Goodman疲勞極限圖的包絡(luò)線內(nèi)，且距疲勞極限較遠(yuǎn)，故構(gòu)架焊縫的疲勞評(píng)估結(jié)果合格。

5 結(jié) 語(yǔ)

以某型城際動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，依據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC615-4計(jì)算了強(qiáng)度分析所需的載荷，利用ANSYS分析軟件對(duì)構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，依據(jù)第四強(qiáng)度理論校核了構(gòu)架的靜強(qiáng)度。利用修正的Goodman-Smith疲勞極限圖對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊縫進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：構(gòu)架的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。