一種心盤牽引轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度分析

王華軍，張 用，趙新贏，張 莎

（1. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山東濟(jì)南 250000；2. 寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司，陜西寶雞 721000）

1 引言

伴隨國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國內(nèi)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)逐步壯大，其線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日臻完善，軌道技術(shù)裝備需求不斷提高，同時(shí)軌道技術(shù)裝備新標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)更新，其中安全可靠且質(zhì)量穩(wěn)定成為軌道技術(shù)裝備的首要要求。轉(zhuǎn)向架承擔(dān)整車車輛走行的重要功能，其主要承載骨架即為構(gòu)架結(jié)構(gòu)。作為轉(zhuǎn)向架各零部件安裝基礎(chǔ)，構(gòu)架除傳遞輪對(duì)與車體間的縱向及橫向力，承受車體垂向力，同時(shí)承載各零部件產(chǎn)生的復(fù)雜載荷。因此構(gòu)架強(qiáng)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(yùn)行品質(zhì)密切關(guān)聯(lián)。

本文根據(jù)新發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3548-2019 《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范-總則》及TB/T 3549.1-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 轉(zhuǎn)向架 第1部分：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架》，結(jié)合有限元分析軟件，對(duì)一種心盤牽引轉(zhuǎn)向架構(gòu)架開展靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的分析與評(píng)估。

2 轉(zhuǎn)向架及構(gòu)架結(jié)構(gòu)介紹

該型轉(zhuǎn)向架為兩軸雙動(dòng)力轉(zhuǎn)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(shí)設(shè)有垂向液壓減振器。中央心盤及彈性旁承組成轉(zhuǎn)向架中央懸掛系統(tǒng)，基礎(chǔ)制動(dòng)為拉桿式制動(dòng)，縱向力通過中央心盤進(jìn)行傳遞。

構(gòu)架采用整體焊接形式，由2根側(cè)梁和1根中橫梁構(gòu)成H形結(jié)構(gòu)。其中左、右2根側(cè)梁為變截面設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)完全相同，側(cè)梁及中橫梁連接處拼焊加強(qiáng)隔板。心盤牽引座為ZG 270-500鑄鋼材料，經(jīng)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(jīng)加工后采用焊胎定位焊于構(gòu)架側(cè)梁下蓋板。垂向、抗蛇行減振器座及鎖定缸座焊于側(cè)梁外側(cè)。車軸軸箱止擋座焊于側(cè)梁下蓋板車軸中心線。構(gòu)架主體材料為Q355D。該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架三維模型圖如圖1所示。

3 構(gòu)架模型前處理及載荷工況施加

3.1 構(gòu)架模型前處理

基于理論計(jì)算與實(shí)際模型盡量保持一致的原則，構(gòu)架模型前處理中在保證理論計(jì)算模型盡可能符合實(shí)際情況的同時(shí)，需兼顧有限元計(jì)算數(shù)據(jù)處理規(guī)模，縮減運(yùn)算時(shí)間，因而簡化處理部分微小結(jié)構(gòu)特征。采用有限元仿真軟件對(duì)構(gòu)架計(jì)算模型進(jìn)行單元離散。經(jīng)處理，構(gòu)架有限元計(jì)算模型共計(jì)1 189 441個(gè)節(jié)點(diǎn)，673 985個(gè)單元，其網(wǎng)格質(zhì)量為79.3%，符合下一步載荷工況加載計(jì)算要求。構(gòu)架有限元計(jì)算模型如圖2所示。

3.2 載荷工況施加

構(gòu)架坐標(biāo)系采用與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的空間笛卡兒坐標(biāo)系：將轉(zhuǎn)向架幾何中心標(biāo)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，中橫梁上蓋板中性面標(biāo)定為坐標(biāo)系XOY平面；車輛運(yùn)行前進(jìn)方向標(biāo)定為X軸正向；平行軌道且前進(jìn)方向垂直向右標(biāo)定為Y軸正向；軌道平面垂直向下標(biāo)定為Z軸正向。標(biāo)定構(gòu)架坐標(biāo)系可方便相應(yīng)載荷工況施加，該構(gòu)架坐標(biāo)系及加載示意如圖3所示。其中Fy為橫向載荷，F(xiàn)z1、Fz2為旁承承載，F(xiàn)zp為心盤承載。

根據(jù)TB/T 3548-2019，超常載荷工況用以驗(yàn)證此類工況下轉(zhuǎn)向架是否會(huì)產(chǎn)生持續(xù)永久變形，該工況由運(yùn)用時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷組成；模擬主要運(yùn)營載荷工況用以驗(yàn)證此類工況下轉(zhuǎn)向架是否會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，該工況由在運(yùn)用時(shí)出現(xiàn)的主要運(yùn)營載荷組成（包括橫向、垂向及軌道扭曲載荷）；模擬特殊運(yùn)營載荷工況用以驗(yàn)證此類工況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是否會(huì)產(chǎn)生局部裂紋，該工況由牽引電機(jī)、制動(dòng)裝置、減振器等零部件產(chǎn)生的特殊運(yùn)營載荷組成。

超常載荷工況下側(cè)滾系數(shù)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(gòu)架超常載荷工況如表1所示。

表1 該型構(gòu)架超常載荷工況表 kN

模擬主要運(yùn)營載荷工況下側(cè)滾系數(shù)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(shù)取β= 0.2。該型構(gòu)架模擬主要運(yùn)營載荷工況如表2所示。

表2 該型構(gòu)架模擬主要運(yùn)營載荷工況表 kN

對(duì)于構(gòu)架模擬特殊運(yùn)營載荷工況，由轉(zhuǎn)向架懸吊部件產(chǎn)生的載荷包括部件振動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷和部件工作時(shí)產(chǎn)生的工作載荷2類。既要考慮超常載荷下構(gòu)架及其吊掛裝置不產(chǎn)生永久變形，又要考慮運(yùn)營載荷工況下，構(gòu)架及其吊掛裝置在其設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)疲勞裂紋。根據(jù)TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019相關(guān)公式及規(guī)定，構(gòu)架模擬特殊運(yùn)營工況表如表3、表4所示，其中：制動(dòng)工況由縱向載荷Fzdx+制動(dòng)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(gòu)架所受垂向載荷心盤承載Fz進(jìn)行校核計(jì)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(yùn)營載荷工況。

表3 超常載荷下模擬特殊運(yùn)營工況表 kN

4 結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 靜強(qiáng)度結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

超常載荷工況由運(yùn)用時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷組成，用以驗(yàn)證此類工況下轉(zhuǎn)向架是否會(huì)產(chǎn)生持續(xù)永久變形，因此采用材料的屈服強(qiáng)度作為靜強(qiáng)度衡量標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)度評(píng)價(jià)

根據(jù)TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019，評(píng)價(jià)模擬主要運(yùn)營載荷工況及運(yùn)營載荷下模擬特殊運(yùn)營載荷工況時(shí)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度，具體評(píng)價(jià)方法如下。

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

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3548-2019中ORE B12/RP17提供的抗拉強(qiáng)度≥420 N/mm2鋼材疲勞極限圖如圖 4所示，將式（1）及式（2）計(jì)算所得數(shù)值參照?qǐng)D 4，對(duì)構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度開展評(píng)價(jià)。

疲勞極限圖即為1種指定循環(huán)N次疲勞后或者經(jīng)N次疲勞的破壞應(yīng)力包絡(luò)線，只有處于封閉折線內(nèi)部的測點(diǎn)才是安全的，若處于封閉折線之上或之外則表示材料將發(fā)生斷裂。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 構(gòu)架靜強(qiáng)度分析

因該型構(gòu)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少冗余計(jì)算，故選取具有代表性的載荷工況進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)有限元分析計(jì)算，構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表 6所示。

表6 超常載荷各工況下構(gòu)架最大等效應(yīng)力與對(duì)應(yīng)位置 MPa

對(duì)于構(gòu)架主體，超常載荷工況（垂向+縱向載荷）下構(gòu)架主體等效應(yīng)力最大，位于側(cè)梁套筒彎折處，最大等效應(yīng)力值為296.10 MPa，小于側(cè)梁內(nèi)肋板材料（Q355D）的屈服強(qiáng)度355 MPa，其等效應(yīng)力云圖如圖5所示。對(duì)于構(gòu)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(shí)構(gòu)架局部等效應(yīng)力最大，位于齒輪箱吊座上邊沿，最大等效應(yīng)力為306.34 MPa，小于橫梁立板材料（Q355D）的屈服強(qiáng)度355 MPa，其等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

結(jié)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(yùn)營工況）構(gòu)架最大等效應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的靜強(qiáng)度衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求。

5.2 疲勞強(qiáng)度分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞評(píng)價(jià)方法，模擬主要運(yùn)營載荷工況及運(yùn)營載荷下模擬特殊運(yùn)營載荷工況時(shí)對(duì)該型構(gòu)架選定測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力提取及數(shù)據(jù)處理，經(jīng)對(duì)應(yīng)鋼材疲勞極限圖評(píng)定后結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖中顯示可知構(gòu)架各選定測點(diǎn)處于封閉折線內(nèi)部，即其疲勞強(qiáng)度均未超過母材及焊縫區(qū)疲勞極限，因此該型號(hào)構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

依據(jù)新發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3548-2019及TB/T 3549.1-2019，結(jié)合一種心盤牽引轉(zhuǎn)向架構(gòu)架實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，對(duì)該型構(gòu)架在超常、模擬主要運(yùn)營及模擬特殊運(yùn)營載荷工況下開展靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的分析與評(píng)估，結(jié)論如下。

（1）該型構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)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(yùn)營工況）構(gòu)架最大等效應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的靜強(qiáng)度衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求。

（2）該型構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果表明，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞評(píng)價(jià)方法，模擬運(yùn)營載荷工況下（包含模擬運(yùn)營載荷工況及特殊運(yùn)營載荷工況），構(gòu)架各選定測點(diǎn)處于對(duì)應(yīng)鋼材疲勞極限圖封閉折線內(nèi)部，即其疲勞強(qiáng)度均未超過母材及焊縫區(qū)疲勞極限，因此該型構(gòu)架疲勞強(qiáng)度滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

該型構(gòu)架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿足對(duì)應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合該型構(gòu)架強(qiáng)度分析結(jié)果及實(shí)際運(yùn)用情況，其主體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均有較大余量，后續(xù)設(shè)計(jì)可在此基礎(chǔ)上配合輕量化設(shè)計(jì)綜合考慮整車振動(dòng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升該型構(gòu)架整體性能。