HXD3B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度及模態(tài)分析研究

羅文昊，張濤

HXD3B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度及模態(tài)分析研究

羅文昊1,2，張濤2

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

以HXD3B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，基于TB/T 2368－2005標(biāo)準(zhǔn)、采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究，并分析其前6階模態(tài)及振型。結(jié)果表明：在各工況載荷下，構(gòu)架的等效應(yīng)力與其材料的許用應(yīng)力相比，前者均小于后者，且其關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力坐標(biāo)值均未超出其疲勞極限圖的允許范圍，因此構(gòu)架應(yīng)力范圍合理，滿足其強(qiáng)度要求；構(gòu)架的自振頻率范圍為29.102～71.004 Hz，大于其共振頻率，且抗彎性能良好。通過(guò)強(qiáng)度評(píng)定和模態(tài)分析可確定構(gòu)架的危險(xiǎn)部位，并提出有效的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方法及數(shù)值模擬思路，為構(gòu)架的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

有限元分析；構(gòu)架；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度；模態(tài)分析

對(duì)于轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架的主要作用是將各零部件進(jìn)行有機(jī)組合。轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行過(guò)程中，各種力矩以及載荷均以構(gòu)架作為主要承載、傳遞途徑[1]。李晨等[2]依據(jù)EN 13749-2001標(biāo)準(zhǔn)對(duì)B型地鐵列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行常見(jiàn)超長(zhǎng)載荷工況強(qiáng)度分析，應(yīng)用有限元分析方法對(duì)構(gòu)架重點(diǎn)承載部位進(jìn)行數(shù)值仿真，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求。吳丹等[3]通過(guò)對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的仿真分析，驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬方法分析構(gòu)架強(qiáng)度及剛度的可行性，同時(shí)對(duì)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化并提出了新的研究方向。張勇等[4]運(yùn)用有限元方法建立了國(guó)內(nèi)某型電力機(jī)車構(gòu)架動(dòng)力學(xué)模型，分析了在車輪多邊形軌道激勵(lì)下對(duì)機(jī)車構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)及疲勞強(qiáng)度的影響。張紅濤等[5]采用UIC 615-4規(guī)范及有限元方法對(duì)貨運(yùn)機(jī)車中間轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行數(shù)值仿真，得到構(gòu)架所承受的載荷與不同運(yùn)行工況之間的關(guān)系，并以此作為依據(jù)在不同維度上提出對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各種方法。李崇等[6]根據(jù)構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)UIC 615-4及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)要求規(guī)范EN13749對(duì)A型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

本文以HXD3B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)構(gòu)架模型進(jìn)行數(shù)值仿真。首先根據(jù)TB/T 2368－2005標(biāo)準(zhǔn)[7]，分別對(duì)構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。其次計(jì)算構(gòu)架的前6階模態(tài)并分析其對(duì)應(yīng)的振型。通過(guò)強(qiáng)度評(píng)定和模態(tài)分析確定構(gòu)架的危險(xiǎn)部位，并提出構(gòu)架的簡(jiǎn)化方法及數(shù)值模擬思路。

1 構(gòu)架基本結(jié)構(gòu)及有限元模型建立

HXD3B型機(jī)車采用三軸半（軸）懸掛型轉(zhuǎn)向架，是我國(guó)運(yùn)用范圍很廣的大功率貨用電力機(jī)車[8]。其轉(zhuǎn)向架軸式為C0-C0，即三動(dòng)軸轉(zhuǎn)向架。一臺(tái)機(jī)車配有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，其總功率達(dá)到9600 kW，最高速度可達(dá)120 km/h。構(gòu)架作為機(jī)車轉(zhuǎn)向架的骨架，起到“固定軸距、承載傳力、安裝聯(lián)系”的作用，是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是聯(lián)系機(jī)車車體和輪對(duì)軸箱最重要的部件。

以HXD3B型機(jī)車的轉(zhuǎn)向架作為主要研究對(duì)象，把構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式作為主要研究重點(diǎn)，并且按照構(gòu)架實(shí)際比例建立三維模型，如圖1所示。構(gòu)架材料為Q345E壓型鋼，焊接而成的構(gòu)架梁件形成完全封閉的中空箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架經(jīng)組焊處理后，呈現(xiàn)出典型的“目”字型結(jié)構(gòu)。各梁件連接處采用小圓弧形式過(guò)渡以減少應(yīng)力集中[9-10]。

圖1 HXD3B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

數(shù)值仿真需建立構(gòu)架有限元模型，而且必須對(duì)其各種附屬的安裝支座進(jìn)行簡(jiǎn)化，原因是：①附屬的安裝支座受力較小，一般情況下不會(huì)對(duì)整體構(gòu)架的受力性能產(chǎn)生很大影響；②附屬支座需要更精細(xì)的網(wǎng)格，不僅浪費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源，且會(huì)使網(wǎng)格質(zhì)量變差。HXD3B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)架的基本參數(shù)

構(gòu)架劃分網(wǎng)格形狀為標(biāo)準(zhǔn)的正六面體，并且在構(gòu)架主要的承載部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，因?yàn)槌休d部位要把施加載荷所產(chǎn)生的力傳遞向其他部位，細(xì)化后的網(wǎng)格可使力的傳遞性更好，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。最終檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好，網(wǎng)格數(shù)為492677個(gè)。簡(jiǎn)化后的構(gòu)架有限元模型如圖2所示。

2 載荷確定

依據(jù)TB/T 2368－2005[7]，分別對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超常載荷及模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。本文在以模擬運(yùn)營(yíng)載荷為主要研究對(duì)象時(shí)，將工況類型分為13種，如表2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的構(gòu)架有限元模型

表2 構(gòu)架模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況表

注：載荷工況0時(shí)，安裝牽引電動(dòng)機(jī)；＝0.1；＝0.2；轉(zhuǎn)向架在5‰曲線上行駛時(shí)會(huì)承載扭曲載荷。

2.1 超常載荷計(jì)算

計(jì)算超常載荷目的是當(dāng)載荷達(dá)到最大時(shí)，判斷構(gòu)架結(jié)構(gòu)是否有發(fā)生永久不可逆性破壞的危險(xiǎn)。按照TB/T 2368－2005[7]，計(jì)算過(guò)程如下：

式中：F1max、F2max為超常載荷下構(gòu)架的垂向載荷（單側(cè)），N；Fmax為超常載荷下構(gòu)架的

HXD3B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整備質(zhì)量（加配重）為1.5×105kg，每臺(tái)機(jī)車具有2臺(tái)轉(zhuǎn)向架，單個(gè)轉(zhuǎn)向架自重為2.84×104kg。

計(jì)算得：

F1max＝F2max＝320002.2 N

Fmax＝183500 N

2.2 模擬運(yùn)營(yíng)載荷計(jì)算

機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，構(gòu)架受到垂向及橫向載荷的作用[9]。模擬運(yùn)營(yíng)載荷主要是仿真構(gòu)架在運(yùn)行時(shí)，在受到各個(gè)力不平衡作用時(shí)，分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。按照TB/T 2368-2005[7]，計(jì)算過(guò)程如下：

式中：F為模擬運(yùn)營(yíng)載荷下構(gòu)架的垂向載荷（單側(cè)），N；F為模擬運(yùn)營(yíng)載荷下構(gòu)架的橫向載荷，N。

計(jì)算得：F＝228573 N，F＝183937.5 N。

模擬運(yùn)營(yíng)載荷狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架除了受

到垂向載荷與橫向載荷的力，還有作用在其電機(jī)吊桿座處的電機(jī)懸掛力，其取值為22000 N。在計(jì)算模擬運(yùn)營(yíng)載荷時(shí)，不考慮縱向力的作用。

3 構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)估

3.1 靜強(qiáng)度評(píng)定

本文對(duì)構(gòu)架所施加的載荷與約束皆依照構(gòu)架實(shí)際承受的載荷及約束，如表3所示。構(gòu)架所受約束主要為垂直方向的彈性約束和位移約束。彈性約束主要是模擬一系彈簧裝置所承載的彈性力，位移約束是限制了構(gòu)架在橫向和縱向上的運(yùn)動(dòng)，且在垂向設(shè)有一定的位移余量。

表3 構(gòu)架施加載荷和添加約束的位置

對(duì)比分析超常載荷與模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下的計(jì)算結(jié)果，得出，構(gòu)架處于超常載荷工況時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為160.56 MPa，小于其材料的屈服極限，說(shuō)明其在超常載荷作用下不會(huì)發(fā)生斷裂；構(gòu)架在模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下的等效應(yīng)力范圍為81.25～130.62 MPa，小于其材料的許用應(yīng)力。

因此，構(gòu)架靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3為構(gòu)架超常載荷工況等效應(yīng)力云圖。

圖3 超常載荷工況等效應(yīng)力云圖

通過(guò)靜力學(xué)分析結(jié)果及圖3可知，在右端側(cè)梁與中間橫梁連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中。構(gòu)架出現(xiàn)應(yīng)力集中的原因有兩個(gè)：①構(gòu)架自身的結(jié)構(gòu)存在缺陷，如各梁件連接處焊接質(zhì)量差或橫梁分布不均所導(dǎo)致的受力不平衡，需要進(jìn)一步改善優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，以便受力均衡；②在數(shù)值模擬過(guò)程中由于模型問(wèn)題或軟件操作不當(dāng)而導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)挠?jì)算結(jié)果。

列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，構(gòu)架的載荷工況多變而更加復(fù)雜[11]。本文中對(duì)構(gòu)架的有限元模型做了嚴(yán)格的檢查與驗(yàn)證，排除建模錯(cuò)誤及軟件操作不當(dāng)?shù)仍?，僅對(duì)構(gòu)架自身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，優(yōu)化方法如下：

（1）進(jìn)行構(gòu)架網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，同時(shí)檢查網(wǎng)格質(zhì)量在0.6以上，以確保網(wǎng)格劃分合理。

（2）由于構(gòu)架模型簡(jiǎn)化或軟件計(jì)算誤差難免會(huì)因應(yīng)力奇異性而出現(xiàn)極大應(yīng)力點(diǎn)，所以應(yīng)先識(shí)別并排除應(yīng)力奇異點(diǎn)所在的位置，再進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)架結(jié)構(gòu)。構(gòu)架梁件為中空箱型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部有層板通過(guò)等距焊接來(lái)提高各梁件強(qiáng)度，所以可以減小層板間的距離來(lái)增大梁件強(qiáng)度。實(shí)際加工過(guò)程中，構(gòu)架各梁件連接處均采用圓角結(jié)構(gòu)來(lái)過(guò)渡，以減小應(yīng)力集中，圓角結(jié)構(gòu)為焊接而成，所以改變圓角大小及焊接方式也可有效減少構(gòu)架應(yīng)力集中。

3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

依照TB/T 2368－2005[7]，分別計(jì)算構(gòu)架在垂向、橫向及扭曲等13種模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下的等效應(yīng)力[7]。在普遍認(rèn)為的構(gòu)架的薄弱部位選取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，確定其不同工況下的最大及最小應(yīng)力，計(jì)算如下：

式中：σ為等效平均應(yīng)力值，MPa；max為最大應(yīng)力值，MPa；min為最小應(yīng)力值，MPa；σ為等效應(yīng)力幅值，MPa。

以σ為橫坐標(biāo)，分別以max和min為縱坐標(biāo)，基于材料的各種性能參數(shù)、σ和σ首先得到材料修正的Goodman-smith疲勞極限圖，其次把測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理后也在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行標(biāo)注，如圖4所示。

圖4 模擬營(yíng)運(yùn)工況下構(gòu)架的Goodman極限圖

由圖4可知，各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)值均未超過(guò)其疲勞極限圖的允許范圍。因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中構(gòu)架可承受由于線路不平順或轉(zhuǎn)向架彈簧懸掛裝置出現(xiàn)故障而帶來(lái)的一系列交變載荷。

4 模態(tài)分析

列車在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的振動(dòng)會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性造成一定影響，保證構(gòu)架具有良好的剛度特性是車輛穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件[12-14]。采用有限元模型分析方法，以有限元模型為基礎(chǔ)，以在該模型下的軸箱拉桿定位座作為主要處理對(duì)象，對(duì)其分別在橫向以及縱向兩個(gè)方向上進(jìn)行約束處理。需要注意的是，要想進(jìn)一步判斷此車輛在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行振動(dòng)形式，就必須再次以軸箱定位座作為處理對(duì)象，對(duì)其施加彈性約束處理，其計(jì)算方法可選用迭代法對(duì)構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，從而有效避免共振和各梁件彎曲變形等不利因素。由于高頻振動(dòng)在列車運(yùn)行過(guò)程中一般很少出現(xiàn)，故利用有限元的自由模態(tài)分析時(shí)，只需對(duì)前6階模態(tài)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 構(gòu)架模態(tài)分析結(jié)果

由表4可知，構(gòu)架最低激振頻率29.102 Hz，列車運(yùn)行時(shí)，構(gòu)架的激振頻率在10 Hz左右，因此構(gòu)架不存在共振現(xiàn)象。第1階振型以橫軸為轉(zhuǎn)軸，以構(gòu)架左右側(cè)梁為主要扭轉(zhuǎn)對(duì)象，在其垂直方向做反向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此階振型可一定程度保證構(gòu)架在較不平順線路上進(jìn)行垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)減輕構(gòu)件振動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)又可提高列車的運(yùn)行速度。第4階振型為構(gòu)架中間橫梁的一階彎曲，可見(jiàn)橫梁的剛度較大，抗彎曲性能較好，同時(shí)可承受來(lái)自車體較大的橫向載荷，有利于車輛安全通過(guò)彎道，且構(gòu)架不會(huì)出現(xiàn)裂紋。第6階振型為兩側(cè)梁沿垂向做一階彎曲運(yùn)動(dòng)，表明兩側(cè)梁剛度較大，在承受垂向載荷的同時(shí)對(duì)左右兩側(cè)不均等載荷有較好的適應(yīng)性，有利于構(gòu)架在左右載荷不均等的情況下較好地向輪對(duì)軸箱裝置傳遞垂向作用力，并可以保證構(gòu)架在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)不會(huì)迅速出現(xiàn)疲勞破壞等嚴(yán)重后果。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的第3階振型如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的第3階振型

5 結(jié)論

（1）根據(jù)TB/T 2368－2005[7]，計(jì)算構(gòu)架在14種工況載荷下的等效應(yīng)力。結(jié)果表明，在超常載荷及模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下，構(gòu)架強(qiáng)度都滿足要求。說(shuō)明構(gòu)架模型建立準(zhǔn)確、簡(jiǎn)化過(guò)程合理、模擬思路有效。

（2）依照ANSYS的計(jì)算結(jié)果，得到各工況下構(gòu)架關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)處的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，分析得出其等效應(yīng)力坐標(biāo)值均落在Goodman疲勞極限圖的范圍內(nèi)。說(shuō)明構(gòu)架可以承受由于線路不平順或轉(zhuǎn)向架彈簧懸掛裝置出現(xiàn)故障而帶來(lái)的一系列交變載荷。

（3）由構(gòu)架的前6階固有頻率得到構(gòu)架最低激振頻率為29.102 Hz，不存在共振現(xiàn)象，同時(shí)構(gòu)架抗彎性能良好，在承受垂向不均等載荷時(shí)有較好的適應(yīng)性，有利于構(gòu)架向輪對(duì)軸箱裝置傳遞垂向作用力，并可以保證構(gòu)架長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)不會(huì)迅速出現(xiàn)疲勞破壞等嚴(yán)重后果，提高了機(jī)車車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全性和舒適性。

（4）根據(jù)對(duì)構(gòu)架強(qiáng)度及模態(tài)的分析，可知保證其安全的方法主要是消除構(gòu)架在加工過(guò)程中的應(yīng)力集中，而通過(guò)三維建模來(lái)模擬構(gòu)架的真實(shí)工作狀態(tài)，難免有一定的誤差。排除應(yīng)力奇異引起的誤差，提高構(gòu)架強(qiáng)度的措施一方面在于改變其結(jié)構(gòu)的加工工藝，如焊縫位置的選擇、焊前準(zhǔn)備、焊后處理等方案的制定等；另一方面可優(yōu)化構(gòu)架結(jié)構(gòu)，提高關(guān)鍵受力部位的強(qiáng)度，如增加梁件內(nèi)部的隔板、在各梁件接頭處多采用圓角結(jié)構(gòu)或增加關(guān)鍵位置的鋼板厚度等。非受力部位在保證其強(qiáng)度的前提下，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，這樣不僅可減輕構(gòu)架的質(zhì)量，同時(shí)也可節(jié)省材料。所以對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)的輕量化研究仍需進(jìn)一步探討。

（5）運(yùn)用CAD/CAE數(shù)值模擬的方法對(duì)HXD3B型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行分析，不僅可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的仿真分析，而且能為類似機(jī)車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和研究方向，在一定程度上節(jié)省了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)間，提高了效率。

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Fatigue Strength and Modal Analysis of the Bogie Frame of HXD3BElectric Locomotive

LUO Wenhao1,2，ZHANG Tao2

( 1.School of Mechanical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001,China)

Taking the HXD3Belectric locomotive bogie frame as the research object, based on the TB/T 2368-2005 standard, the static strength and fatigue strength is studied by using numerical calculation methods and the first 6 modes and vibration type are analyzed. The results show that the equivalent stress of the frame is smaller than the allowable stress of its material under various load conditions. In addition, the stress coordinate values of the key measuring points do not exceed the allowable range of the fatigue limit diagram. Therefore, the stress range of the frame is reasonable and meets the strength requirements. The natural frequency range of the frame is 29.102～71.004 Hz, which is greater than its resonance frequency, and has good bending resistance. Through strength evaluation and modal analysis, the dangerous parts of the structure can be determined. Effective structure simplification methods and numerical simulation ideas are proposed, which lays the foundation for further optimization of the structure.

FEA；frame；static strength；fatigue strength；modal analysis

U270.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.005

1006-0316 (2022) 05-0027-06

2021-08-23

甘肅省青年科技基金計(jì)劃項(xiàng)目（20JR10RA260）；甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金（2021A-038）；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)研究基金（2019015）

羅文昊（1996－），男，甘肅永昌人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架振動(dòng)疲勞，E-mail：lzlwh1015@163.com。