动车PW-250转向架构架的强度分析

刘妮娜

（南京铁道职业技术学院　高铁实训中心，江苏　南京　210031）



动车PW-250转向架构架的强度分析

刘妮娜

（南京铁道职业技术学院高铁实训中心，江苏南京210031）

摘要：本文对“先锋”号电动车组转向架构架转向架构架进行有限元建模，并根据受力情况设计了计算工况，在建立有限元计算模型的过程中采用实际尺寸，构架的有限元强度计算模型及网格由计算程序的CAD辅助设计部分MSCPatran自动生成，再利用有限元分析程序MSCNastran进行分析，得到各个工况的分析结果。从理论上验证了动车组转向架构架的结构强度和疲劳强度符合标准要求。

关键词：转向架构架有限元建模强度分析

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.03.009

为了提高铁路市场竞争的能力，铁路进入了高速化的新时期。世界各国在发展高速列车时均在高速转向架上投入了很大精力，但目前只有少数国家的转向架运营速度能够达到或超过300 km/h。其根本原因在于提高车辆速度的同时，保持和提高车辆的乘坐舒适性是非常困难的。构架是转向架最关键的零部件之一，其可靠性直接影响动车的性能和安全性，所以必须满足一定的强度要求。本文根据某厂的要求对“先锋”号电动车组拖车转向架构架的结构强度和疲劳强度进行计算分析，从理论上验证了“先锋”号电动车组转向架构架的结构强度和疲劳强度符合标准要求.

1　构架装置

构架装置是转向架关键部件，构架采用无端梁的焊接结构，主体结构由对称布置的侧梁、横梁和纵向辅助梁组成。侧梁为钢板焊接箱型结构，其U型设计满足以有效的空间将动车转向架的轮盘制动单元安装在车轮内侧，从而取消了外部端梁，结构紧凑并减轻了自重；构架内腔为空气弹簧提供80 L附加气室；侧梁采用可焊性较好的Q 345低合金钢板，有较好的可焊性和强度。横梁采用无缝钢管制作，贯通侧梁，并在连接处的侧梁腹板内侧面设计加强环，以减少应力集中；为满足动车转向架传动系绕的电机、齿轮箱的安装空间，两横梁间距设为780 mm。在两横梁间对称设有两根纵向辅助梁，可有效提高构架的刚度，该辅助梁对构架所受的扭转载荷有较大的贡献，在与横梁的连接处采用大圆弧角过渡，提高该处的疲劳强度。

在构架的主体结构上焊有各种安装支座。用于轴箱定位的定位臂座是构架装置的高应力区，采用B级钢铸造。动车转向架构架的横梁上还焊有电机吊座、齿轮箱吊座、制动单元吊座和单牵引拉杆座。为改善横梁的应力分布，将轮盘制动吊座分散布置在侧梁和横梁上。由于电机架悬处的振动加速度较大，产生的附加动载荷也较大，在工艺上应严格控制制造质量，避免微小裂纹的存在扩展。转向架构架如图1

图1　转向架构架图

2　强度计算载荷

2.1超常载荷构架主要受三个方向的力：垂向力、横向力、纵向力，纵向力主要指的是机车的牵引力和制动力以及由其产生的附加载荷；横向力是指垂直于运行方向同时平行于轨道面的力，主要是机车通过曲线时的离心；垂向力是指垂直轨道面的力，它的来源主要是机车车体的重量产生的力、机车电机悬挂产生的力和垂向振动引起的附加载荷力和横向振动引起的附加力。扭曲试验载荷是铅垂载荷但大致上它仍对构架造成扭曲，故把它称为扭曲载荷。对应于转向架翘曲至一个车轮100%减载时的构架扭曲载荷，以分析转向架脱轨时的情况。在超常载荷的静强度试验中没有模拟纵向力。

垂向试验载荷

式中：Fz为不同工况下作用在转向架每侧的垂向力。

横向试验载荷

式中：F y为模拟运营载荷工况作用在每个转向架上的横力。

超常载荷的工况由以上3个工况不同组合而成，分成：垂向静载荷、横向静载荷、翘曲载荷、垂向+横向载荷、垂向+翘曲载荷、垂向+横向载荷+翘曲载荷等6个工况进行模拟计算。

2.2模拟运营载荷

部分试验的目的是验证在运用时出现的主要载荷〔4〕（垂向、横向和轨道扭曲）的共同作用下，转向架构架没有产生疲劳裂纹的危险。

（l）垂向力，

式中：Fz为不同工况下作用在转向架每侧的垂向力

（2）横向力

式中：F y为模拟运营载荷工况作用在每个转向架上的横力。

扭曲载荷是对应于转向架运行于5‰扭曲线路时的构架扭曲载荷。具体情形如表1

表1　模拟主要运营载荷工况

表1各个载荷工况得到各个部位的应力σ1，σ2……σ13，从中确定最大值σmax和最小值σmin。按下式计算平均应力σave和应力幅值σ：

式中：σave为平均应力；σmax为最大应力值；σmin为最小应力值；σ为应力幅值。

3　有限元建模及强度分析

3.1有限元建模 “先锋”号电动车组动力转向架构架由两根箱形侧梁、两根圆筒形横梁和两根箱形连接梁组焊而成，计算模型采用薄板单元。在建立有限元计算模型的过程中采用实际尺寸，构架的有限元强度计算模型及网格由计算程序的CAD辅助设计部分MSC Patran自动生成，共计53 745个网格单元。构架计算模型及网格划分如图2所示。

图2　有限元计算模型及网格划分

利用有限元分析程序MSC Nastran进行分析，可得到各个工况的分析结果。

3.2动车转向架构架强度分析

3.2.1超载荷工况的计算结果计算结果中应力的单位为MPa，变形的单位为mm。超常载荷作用下进行组合。对极值部位的描述规定构架的中心为原点，分别按6个工况进行区分。

工况1：垂向载荷作用下，计算结果表明转向架构架在侧梁（+X，-Z方向）下盖板与外侧立板相连接处在轴箱定位座的附近出现应力最大值100 MPa；在相同方向的侧梁端部出现变形最大值：1.7 mm。

工况2：横向载荷作用下，计算结果表明转向架构架侧梁（-X，+z方向）上盖板弯曲处与内立板连接处（靠近横梁上方）出现应力最大值46.3 MPa；在相同方向的侧梁的端部处出现变形最大值：1.00 mm。

工况3：扭曲载荷作用下，计算结果表明转向架构架在侧梁中部空簧安装处（-Z侧）出现应力最大值111 Mpa；后端部梁处出现变形最大值：2.39 mm。

工况4：垂向和横向载荷，通过工况1和工况2合成，计算结果表明转向架构架在侧梁（+X，-z方问）下盖板与外侧立板相连接处在轴箱定位座的附近出现应力最大值140.O MPa；在相同侧的端部出现最大变形：1.99 mm。

工况5：垂向和扭曲载荷作用下，由工况l和工况3合成。计算结果表明转向架构架侧梁（-x，+z方向）下盖板与内侧立板连接的弯曲处（横梁的偏下方）出现应力最大值201 MPa；在相同侧的端部出现变形最大值4.04 mm。

工况6：垂向、横向和扭曲载荷作用下，计算结果表明转向架构架最大应力出现的部位和工况5的部位相同，最大值为220 MPa；在相同方向的侧梁端部出现变形最大值：4.14 mm。

3.2.2强度分析转向架构架使用的是16 MnR材料，其屈服极限是σs=345 MPa，安全系数取1.1时，许用应力〔σ〕-313.64 MPa。在超常载荷作用下强度计算结果表明所有工况的最大应力都在许用的应力限度之内。上述应力应该符合疲劳极限图规定的应力范围。根据本转向架构架所使用的材料为16 MnR，其抗拉强度不小于520 MPa，符合疲劳极限如图3

图3　抗拉强度＜520 N/mm2钢的许用应力

4　结束语

在研究过程中，构架强度计算分析是动车转向架的核心部分，因此本文通过Ansys软件对动车转向架的构架部位进行有限元建模并对其载荷工况的计算结果进行强度分析，计算结果表明所有工况的最大应力都在许用的应力限度之内。

中图分类号：U213.5

文献标识码：A

文章编号：1006-8686（2016）03-0023-03