机车转向架构架有限元强度的计算

□ 吴慧仙

江苏联合职业技术学院常州铁道分院 江苏常州 213011

机车转向架构架是机车最为关键的部件之一，其性能的好坏对机车的走行品质和安全性能有重要影响。近年来，有限元技术在结构分析和优化技术方面的应用越来越广泛，不仅大大缩短了产品的研发周期，而且有效提高了产品的质量及可靠性。

为保证某出口型机车转向架构架的质量，缩短研发周期，运用有限元分析软件ANSYS，对构架进行静强度及疲劳强度计算，以求优化构架结构，确保实际运营的安全可靠。

1 构架的结构

该型机车采用两台三轴转向架作为它的走行部，轴式为Co-Co，每根轴均为带有交流牵引电机的转轴。牵引电机采用滚动轴承抱轴悬挂，内顺置布置。车轮采用全加工的进口整体辗钢轮。另外，设计时还沿用了以往型号机车转向架的一些成熟结构，如焊接构架、牵引杆装置、单元制动器等。

该型号机车转向架由构架、轴箱、轮对、旁承、牵引杆装置、基础制动装置、砂箱、电机悬挂装置、手动制动装置、附件等组成。构架的主体是由两根对称结构的侧梁、两根相同结构的中间横梁和前后端梁及各支座组成的焊接结构，其内部设置各种撑板，以提高整体刚度，改善受力情况。构架各梁的横截面为箱型，侧梁顶面含有旁承垫板和横向减振器座，侧面含有一系列垂向减振器座、侧板座，底面焊有轴箱上下拉杆座、牵引装置拐臂座，两端焊有砂箱座，横梁和前、后端梁底面焊有电机吊座和制动座。

2 构架的材料及受力分析

2.1 材料

构架的材料采用钢板及各种铸钢座件。钢板材料为Q345B，弹性模量为205 GPa，泊松比为0.3，密度为7.82 t/m3。铸件材料为ZG25MnNi，弹性模量为202 GPa，泊松比为 0.3，密度为 7.8 t/m3。

2.2 受力情况

构架是一个受力复杂的结构部件，它不仅承受机车上部所有装备的质量，而且还承受并传递机车运行中产生的各个不同方向和大小的动载荷，各方向载荷及传递路线如下。

垂向载荷：车体→构架旁承高圆簧→侧梁→弹簧座和上拉杆座→轴箱弹簧→轮对。

横向载荷：轮对→轴箱→轴箱弹簧和轴箱拉杆→弹簧座和上下拉杆座→侧梁→高弹簧和侧挡→车体。

纵向载荷：轮对→轴箱→轴箱拉杆→上下拉杆座→侧梁→拐臂座→牵引杆装置→车体。

3 有限元分析计算

3.1 分析标准

根据UIC615-4OR国际标准建立机车各工况载荷的计算方法，采用ANSYS软件进行构架强度计算。

构架强度的计算按静强度和动强度两种方法进行。静强度计算是在超常载荷作用下，结构上各点应力均不得大于材料的屈服极限和接头的许用应力。动强度是在主要运营载荷作用下，构架结构上任意两种载荷工况下的应力差及平均应力在相应材料和接头的Goodman曲线的界限内。

3.2 构架有限元模型建立

有限元模型是在Pro/E三维模型的基础上，对细节做了删除简化后，导入ANSYS软件进行几何处理并划分网格。整个钢结构全部采用线性实体单元划分网格，网格密度很高，单元总数达到40万，节点总数达12万，有限元模型如图1所示。

▲图1 有限元模型

3.3 计算工况

（1）超常载荷工况计算。根据UIC615-4OR国际标准，作用在每根侧梁上的垂向载荷为：

式中：nb为转向架数；mv为整备状态下机车质量，t；c1为超常商用载荷，kg；m+为转向架质量，t。

作用在每个构架上的横向载荷为：

式中：ne为每转向架轴数。

由式（1）、（2）计算出在超常载荷下 4 种工况结果，见表1。

（2）主要运营载荷工况的计算。在主要运营载荷工况计算中，转向架构架需要接受各种载荷组合，以便模拟：车体垂直运动（浮沉振动）引起的垂直力的动态变化，用垂直力的百分比β来表示，βFz；车体侧滚引起的垂直力的动态变化，用垂直力的百分比α表示，αFz。一般情况，在欧洲铁路的正常运营条件下：α=0.1，β=0.2。根据UIC615-4OR国际标准规定，共组合出13种工况，见表2，以便更好地模拟构架受力情况。

①垂向力。

表1 超常载荷工况表（各工况都包含重力加速度）

其中：c2为机车计算中超常商用载荷，与c1相同。

②电机垂向静载荷为牵引电动机的簧上质量，其值为8 330 N。

③横向力。

该载何由旁承垫板和侧挡座共同承担。由4个旁承垫板承受的横向载荷为：4×20 mm×133 N/mm=10 640 N，作用在旁承垫板上。其余横向力由侧挡座承担：136 210-10 640=125 570 N。侧挡座面积：28 456 mm2，则压力为：125 570/28 456=4.4 MPa。

④ 轨道扭曲为5‰，在此，暂按照2×轴距×5‰=2×1 800×5‰=18 mm 计算。

4 计算结果及评价

4.1 超常载荷工况下的计算结果及静强度评价

4种超常载荷工况（见表1）下的应力云图如图2～图5所示。

表2 主要运营载荷工况表

表3 超常载荷工况下计算结果

▲图2 第1工况应力云图

▲图3 第2工况应力云图

▲图4 第3工况应力云图

▲图5 第4工况应力云图

▲图6 主要运营第1工况应力图

▲图7 主要运营第2工况应力图

超常载荷工况计算的各个工况下最大应力结果见表3。

由表3可见，各工况下的最大应力都不超出许用应力，因此，该构架满足静强度要求。

4.2 主要运营载荷工况下的计算结果及疲劳强度评价

（1）计算结果。图6、7分别是主要运营载荷第一、第二工况下计算结果的Vonmises应力图，从图中可看出应力分布情况和最大应力位置。另外11个主要运营载荷工况下的应力通过同样分析得出应力图，最大应力值为97.379 MPa。

▲图8 钢板材料的疲劳极限图

（2）疲劳强度评价。通过13个主要运营载荷工况下的计算结果，找出每一个单元在13个工况下的σ1max和 σ3min值（注：σ1为最大主应力，σ3为最小主应力），计算出每个单元的平均应力：

以平均应力σave为横坐标，分别以σ1max和σ3min为纵坐标，在疲劳极限图中画出每个单元的应力点，这些点应该位于相应材料的疲劳极限区域中。

钢板材料为Q345B，取屈服强度σS=345 MPa，抗拉强度σb=510 MPa，疲劳极限强度σ-1=220 MPa（按0.43σb计算）。评价钢板材料的强度时取安全因子S=1.5，评价对接焊缝区时取S=1.65，评价其它类型的焊缝区时取S=1.7，钢板材料的疲劳极限图如图8所示。

由图8可以看出，有应力点位于其它焊缝的许用应力区域之外，是2个单元的应力点。经查找，该单元位于后横梁两侧的制动座上盖板与侧梁下盖板的焊接部位（如图9所示）。由于横向力的作用，右侧制动座上盖板受到了挤压，左侧制动座上盖板受到了拉伸。当构架受到左右交变的横向力作用时，制动座上盖板与侧梁下盖板的焊接部位的疲劳应力较高。从结构上分析，由于制动座的上盖板与侧梁的下盖板焊接在一起，使构架在受到横向力作用时的弯曲受到了限制，所以其应力较大。

铸钢材料为 ZG25MnNi， 取 σS=260 MPa，σb=485 MPa，σ-1=209 MPa（按 0.43σb计算）。 评价铸钢材料的强度时取安全因子S=1.5，评价焊缝区时取S=1.7，经过对构架铸钢材料的疲劳强度分析，得出所有单元的应力都不超出许用应力。

5 结论

▲图9 疲劳极限超出部位

通过运用有限元ANSYS软件分析计算，得出整个构架静强度满足要求。通过进一步的疲劳强度分析，发现构架后部的制动座上盖板与侧梁下盖板的连接处，在主要运营载荷工况下应力超出了疲劳极限。因此应设法改善制动座上盖板与侧梁下盖板之间的连接，以降低其受横向载荷作用时的应力。

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