永磁直驅(qū)貨運(yùn)電力機(jī)車構(gòu)架強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

董勝敏

（中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，山西大同 037038）

永磁直驅(qū)貨運(yùn)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是機(jī)車走行部的關(guān)鍵承載部件，在機(jī)車運(yùn)行過程中要承受車體質(zhì)量和構(gòu)架上的各類部件（牽引電機(jī)、制動器、減振器等）產(chǎn)生的作用力及慣性載荷，受力條件復(fù)雜。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13749-2011：《鐵路設(shè)施—輪組和轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》規(guī)定的載荷對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，其中附著于構(gòu)架的設(shè)備加速度首次采用特殊加速度20g，疲勞加速度6g，并且計(jì)算了構(gòu)架模態(tài)。焊接構(gòu)架的焊縫部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，依據(jù)ERRI B12/RP17：《鐵路貨車鋼質(zhì)車體底架及轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)程序》中的多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的方法進(jìn)行了構(gòu)架母材及焊縫疲勞強(qiáng)度分析，進(jìn)而對疲勞強(qiáng)度不合格的構(gòu)架牽引梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；優(yōu)化后的構(gòu)架靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 構(gòu)架介紹

永磁直驅(qū)電力機(jī)車是我國繼“快速客運(yùn)電力機(jī)車”和“重載電力機(jī)車”之后，在交流電力機(jī)車領(lǐng)域又一突破。機(jī)車采用永磁直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)+撓性板聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)向架，由于直驅(qū)系統(tǒng)沒有齒輪箱裝配，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率、可靠性、可維修性；維護(hù)成本較低；對環(huán)境友好，噪聲及油污染少。

構(gòu)架為“日”字形結(jié)構(gòu)，由前端牽引梁、中間橫梁、后端梁、兩根左右對稱的側(cè)梁以及各安裝座組成。梁體均為板材焊接箱梁，梁內(nèi)部適當(dāng)位置布有筋板，梁體上根據(jù)安裝要求布置有牽引座板、電機(jī)吊座、軸箱拉桿座、減振器座、一系彈簧座、制動器安裝座等，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本參數(shù)見表1。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要材料參數(shù)見表2。

表1 構(gòu)架基本參數(shù)

表2 主要材料參數(shù) MPa

2 構(gòu)架有限元分析

永磁直驅(qū)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架分析流程如圖2所示。

圖2 分析流程圖

2.1 構(gòu)架有限元模型

為了真實(shí)地模擬構(gòu)架在各種工況下的受力及邊界條件，在保證構(gòu)架計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，在建立有限元分析模型時對模型進(jìn)行如下簡化處理：將車軸用梁單元模擬；車軸與軸箱體之間通過Revolute連接；軸箱體設(shè)置為剛體，并通過彈簧單元與構(gòu)架相連；軸箱拉桿設(shè)置為剛體，拉桿體和芯軸之間通過Bushing連接，并根據(jù)橡膠關(guān)節(jié)參數(shù)設(shè)置軸向剛度、徑向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和偏轉(zhuǎn)剛度；制動器用質(zhì)量單元模擬。

構(gòu)架有限元模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為12 mm，共2 232 255個單元，617 370個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 構(gòu)架有限元模型

2.2 構(gòu)架邊界條件

根據(jù)構(gòu)架實(shí)際安裝運(yùn)用情況，對有限元模型施加如下邊界條件：

垂向約束施加于模擬輪對滾動圓處；

橫向約束施加于模擬輪對一側(cè)滾動圓處；

縱向約束施加于牽引銷處；

作為超級計(jì)算機(jī)，“未名生科一號”的參數(shù)配置與常見的家用電腦不太一致。直觀解釋它的運(yùn)算能力的話，就是可以在一秒鐘實(shí)現(xiàn)587.8萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算，這大概相當(dāng)于5000臺普通電腦同時工作的運(yùn)算能力。

作用在側(cè)梁上的垂向載荷施加于構(gòu)架二系橡膠堆座板處；

作用在側(cè)梁上的橫向載荷施加于構(gòu)架二系橡膠堆座板處以及二系橫向止檔處；

軌道扭曲在對角線模擬車輪滾動圓處施加10‰或5‰的垂向位移。

2.3 載荷及工況

2.3.1計(jì)算載荷

按照標(biāo)準(zhǔn)EN 13749-2011，構(gòu)架設(shè)計(jì)與評估的載荷工況分為超常載荷和運(yùn)營載荷兩大類。

第1類為靜態(tài)載荷，用于驗(yàn)證施加極限（特殊）載荷后構(gòu)架是否破壞或者去除載荷后構(gòu)架是否遭受永久變形；第2類為疲勞載荷，用于驗(yàn)證構(gòu)架在正常運(yùn)行期間是否會發(fā)生疲勞失效的情況【1】。

永磁直驅(qū)電力機(jī)車牽引電機(jī)采用全架懸形式，在機(jī)車運(yùn)行時電機(jī)產(chǎn)生的振動直接傳導(dǎo)至構(gòu)架上。構(gòu)架運(yùn)營工況的電機(jī)慣性載荷以往通常按照UIC 615-4-2003：《動力單元—轉(zhuǎn)向架和走行機(jī)構(gòu)—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》中規(guī)定的牽引電機(jī)自重3倍加載，或者TB/T 2368-2005：《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中規(guī)定的各向振動加速2.5g加載。但是，根據(jù)既有車型動力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)垂向振動載荷往往大于3g，文中為了保證構(gòu)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性選用EN 13749-2011規(guī)定的超常工況電機(jī)垂向振動加速度20g，運(yùn)營工況電機(jī)垂向振動加速度6g。

2.3.2工況組合（見表4～表5）

2.4 強(qiáng)度評估

2.4.1靜強(qiáng)度評估

在超常載荷工況下，構(gòu)架各處的Von-Mises應(yīng)力應(yīng)小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力。超常載荷工況的計(jì)算結(jié)果如表6所示，從表中可以看出，構(gòu)架各部位Von-Mises應(yīng)力均低于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，構(gòu)架最小安全系數(shù)為1.24，出現(xiàn)在電機(jī)短路工況詳見圖4。

2.4.2疲勞強(qiáng)度評估

構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評價按照ERRI B12/RP17中的多軸應(yīng)力簡化為等效單軸應(yīng)力的方法，計(jì)算構(gòu)架各種運(yùn)營載荷工況和/或相關(guān)的組合載荷下的平均應(yīng)力σm及最大主應(yīng)力σmax、最小主應(yīng)力σmin，然后采用Goodman疲勞界限圖進(jìn)行結(jié)果評估，各項(xiàng)應(yīng)力均位于相應(yīng)材料的Goodman疲勞界限圖內(nèi)，則構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足要求。

表3 載荷列表

圖4 電機(jī)短路工況應(yīng)力云圖

圖5 母材疲勞強(qiáng)度評估圖

圖5是構(gòu)架母材的疲勞強(qiáng)度評價結(jié)果，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對構(gòu)架焊縫的統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有部分結(jié)果超出Goodman疲勞界限圖界限，如圖6所示；焊縫應(yīng)力幅值最大為132.2 MPa，疲勞強(qiáng)度不符合要求。

表4 超常載荷工況

對結(jié)果進(jìn)行分析可知，疲勞風(fēng)險點(diǎn)主要集中在構(gòu)架牽引梁焊縫，如圖7所示，因此進(jìn)一步優(yōu)化牽引梁結(jié)構(gòu)。

2.5 牽引梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

構(gòu)架牽引梁受力情況復(fù)雜，需同時承受牽引載荷和電機(jī)慣性載荷。疲勞強(qiáng)度不合格主要是由于電機(jī)慣性載荷增大后牽引梁剛度不夠造成的，為此，在保證電機(jī)安裝接口前提下將牽引梁縱向加寬30 mm，垂向向下加高10 mm，降低牽引梁下平面與牽引座板間的高度差；優(yōu)化后構(gòu)架牽引梁焊縫疲勞強(qiáng)度結(jié)果如圖8所示，牽引梁下蓋板過渡圓弧處應(yīng)力幅值為53.197 MPa，主體焊縫Goodman疲勞界限圖見圖9，疲勞強(qiáng)度合格。

2.6 模態(tài)分析

構(gòu)架模態(tài)為構(gòu)架各階振型及固有頻率總稱，構(gòu)架自由模態(tài)如表7所示，構(gòu)架一階模態(tài)頻率為44.09 Hz，振型為扭轉(zhuǎn)振動，扭轉(zhuǎn)剛度合理，有利于車輛適應(yīng)軌道不平順，如圖10所示。

3 結(jié)論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13749-2011和ERRI B12/RP17對永磁直驅(qū)貨運(yùn)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了強(qiáng)度分析及評價，結(jié)果如下：

表5 運(yùn)營載荷工況組合

圖6 疲勞強(qiáng)度評估圖

表6 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

（1）構(gòu)架各部位Von-Mises應(yīng)力均低于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）通過對構(gòu)架焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析可知牽引梁焊縫疲勞強(qiáng)度不合格，因此將構(gòu)架牽引梁縱向加寬30 mm，垂向向下加高10 mm，降低牽引梁下平面與牽引座板間的高度差；優(yōu)化后的結(jié)果表明，所有焊縫應(yīng)力及鑄件、鍛件母材應(yīng)力均在其Goodman疲勞極限圖界限之內(nèi)，疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 主體梁焊縫應(yīng)力幅云圖

圖8 牽引梁焊縫應(yīng)力幅云圖

圖9 主體梁焊縫疲勞強(qiáng)度評估圖

（3）構(gòu)架第1階模態(tài)頻率為44.09 Hz，振型為構(gòu)架扭轉(zhuǎn)振動，動態(tài)性能良好。

表7 構(gòu)架前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖10 構(gòu)架第1階模態(tài)振型

綜上所述，永磁直驅(qū)貨運(yùn)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。