八轴货运机车中间构架静强度与疲劳强度分析

张红涛,徐建喜

(1.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州 450052; 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

目前,国内货物运输的主力车型为和谐系列机车,虽然功率较大,但基本为C0-C0轴式,曲线通过性能较差.由于机车功率相对较低,在需提高牵引吨位时,往往需要两台机车重联使用才能满足要求,影响了运输效率的提高[1].

单节八轴机车转向架具有牵引功率大、恒功范围宽、黏着重量大、小半径曲线通过性能好和兼顾良好的直线运行品质,可较宽地适应我国长大干线运输和山区线路运输的大吨位牵引，可以满足国内大吨位重载货运运输的需求,且相对双节八轴机车具有较低的制造成本和维护成本.

本文参照《UIC 615-4动力转向架构架强度试验》及《高速铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》标准中的载荷计算方法与工况设计[2],采用有限元的方法,对某120 km/h单节八轴电力机车中间构架进行了静强度和疲劳强度计算分析,并用Goodman疲劳极限图与Moore-Kommer-Japer疲劳极限图分别评判构架母材与主体焊缝的疲劳强度.

1 中间构架结构

1.1 主要技术特点

该机车与传统四轴、六轴机车不同,在转向架与车体之间多了一个部件——中间构架,因此,机车采用三系悬挂.每台机车有2个四轴转向架单元,如图1所示[3].

图1 四轴转向架单元结构简图Fig.1 Four-axle bogies unit structure diagram

每个四轴转向架单元由2台B0转向架、1个中间构架、1组牵引装置和三系悬挂系统构成.机车车体通过三系悬挂坐落在中间构架上,中间构架通过二系悬挂坐落在2台B0转向架上.牵引装置通过车体牵引座、B0转向架中间横梁牵引座,直接将2台B0转向架与车体连接起来,传递纵向牵引力和制动力.该单节八轴电力机车转向架如图1所示.

1.2 中间构架结构

中间构架是由2根箱形侧梁及2根箱形端梁组成的框形结构.构架外形尺寸5 210 mm×2 550 mm(长×宽),侧梁中心距为2 180 mm,构架材料为16MnDR.构架结构简图如图2所示.图中:① 侧梁结构.侧梁为变截面等强度箱形梁,侧梁上下盖板板厚均为30 mm,内外立板板厚为20 mm.在梁体内根据侧梁受力情况适当布置板厚为12 mm的横向筋板.② 端梁结构.端梁为等截面箱形梁,上盖板板厚为30 mm,下盖板板厚为30 mm,内外立板板厚为20 mm,梁内筋板板厚为12 mm.

图2 中间构架结构有限元模型Fig.2 Finite element model of middle frame

2 载荷工况计算

构架强度计算的载荷参照标准《UIC 615-4动力转向架构架强度试验》及《高速铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》,分别对构架进行了超常载荷和运营载荷计算,其中超常载荷用于评定构架的静强度,模拟运营载荷用于评价构架的疲劳强度[4-5].

2.1 载荷

构架一侧模拟运营垂向载荷(N):

构架一侧超常垂向载荷(N):

式中:mv为车体质量;nm为每节机车中间构架的数量.

模拟营运横向载荷(N):

超常横向载荷(N):

横向载荷分配(N):其中三系高圆簧承受的横向载荷为

横向止挡承受模拟营运与超常状况下的载荷为

式中:mb为每两轴转向架质量;Pu为轴重;Ksy-3为三系横向总刚度;Δsy为三系横向止挡间隙.

2.2 中间构架扭曲位移量

0.5%轨道扭曲位移量(mm):

1.0%轨道扭曲位移量(mm):

式中:la为轴距;lp为一系簧支撑横向跨距;lr为车轮与轨道接触点之间的距离.

2.3 计算载荷工况组合

运营载荷工况以UIC 615-4规范中的垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷为基本载荷,然后再分别叠加上其他载荷;运营载荷组合工况1～13如表1所示.超常载荷中,垂向载荷、横向载荷为基本载荷,然后再分别叠加其他载荷,组合超常载荷工况,如表1中的工况14.

表1 载荷工况组合表Tab.1 Combination of load conditions

注:α=0.1,考虑侧滚影响;β=0.2,考虑浮沉影响.

3 有限元模型建立

基于Hypermesh 12.0及Ansys 11.0有限元分析软件,建立了构架有限元计算模型,构架离散成为三维实体单元Solid95,二系橡胶堆根据构架实际受力状况分别离散成纵向、横向及垂向弹簧单元Combin14,以便较好地模拟实际支撑情况.计算模型节点总数为518 814个,单元总数为268 942个,其中弹簧单元4 368个,实体单元264 574个,模型计算质量为3 873.2 kg.构架有限元计算模型如图2所示.

边界条件主要包括:垂向载荷以节点力形式作用于构架三系簧座处;横向载荷以节点力形式作用于构架三系簧座和横向止挡处;垂向约束以弹簧形式施加于二系簧座处;横向约束以弹簧形式施加于二系簧座处;纵向约束以弹簧形式施加于二系簧座处.计算模型边界条件如图3所示.

图3 计算模型边界条件简图Fig.3 Boundary condition diagram ofcomputational model

4 构架静强度计算结果分析

静强度评定即对于工况1～14,构架各点Von-Mises应力均不得大于材料的屈服强度345 MPa.构架部分工况等效应力值计算结果如表2所示.

表2 部分工况计算结果Tab.2 Calculation results of some working conditions

由表2可知,构架静强度满足设计要求.其中超载载荷工况(工况14)下的最大等效应力为286.6 MPa,位于侧梁下盖板中部圆弧过渡处,满足构架材料许用应力要求.列举工况1,3,11,14的构架整体应力云图见图4～图7.

图4 工况1 构架等效应力云图Fig.4 The equivalent stress cloud diagram of theframe in 1 work condition

图5 工况3构架等效应力云图Fig.5 The equivalent stress cloud diagram of theframe in 3 work condition

5 构架母材疲劳强度计算与评定

5.1 疲劳评定方法

疲劳强度评定方法为选取构架中应力较大各点,基于最大主应力方向简化各点应力状态成单轴应力状态,计算出各点应力值σmax和最小σmin,按下式计算各点的等效平均应力及等效应力幅值:

图6 工况11 构架等效应力云图Fig.6 The equivalent stress cloud diagram of theframe in 11 work condition

图7 工况14 构架等效应力云图Fig.7 The equivalent stress cloud diagram of theframe in 14 work condition

5.2 构架疲劳分析

对于工况1～13,选取构架上应力较大的所有节点,计算出这些节点在13个工况下最大及最小应力值,按上述疲劳评定方法计算出各点的平均应力及极限应力,部分节点疲劳计算结果如表3所示.

表3中，x轴为构架纵向轴线指向横梁方向,y轴为中心对称轴线,符合右手法则,z轴垂直向下.

5.3 构架疲劳强度校核

将所有各节点等效平均应力及极限应力值点入Goodman图进行疲劳强度评估,构架各节点疲劳强度评定结果如图8所示.图8表明构架上全部点都落在Goodman母材极限曲线内,同时,计算结果表明构架母材疲劳强度满足设计要求.

图8 构架各节点疲劳评定Goodman图Fig.8 Goodman diagram of fatigue assessmentfor each node

6 构架主焊缝疲劳强度计算与评定

对构架各主焊缝进行疲劳强度分析,选择11条主要焊缝进行疲劳强度评定.其中包括对接焊缝与角焊缝,焊缝位置如图9所示.应力取值点参考疲劳实验中的贴片位置,以焊趾外2 mm处的节点作为应力提取点,如图10所示.

图9 构架主焊缝位置Fig.9 Position of main weld of the frame

由于目前缺乏焊接构架制造材料S355的疲劳实验数据,为此参考德国工业标准DIN 17100的规定.鉴于钢材料S355与St-52-3强度等级相当,因此,根据St-52-3钢的Moore-Kommer-Japer形式疲劳曲线对构架主焊缝进行疲劳强度评价.

图10 焊接接头应力提取点位置Fig.10 Location of stress extraction point of welded joint

选取构架各梁盖板、底板、立板及筋板中应力较大点,将各节点应力比及最大应力值导入Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图中进行比较,结果显示所有点均在疲劳曲线之内(见图11和图12),表明焊缝疲劳强度满足设计要求.通过计算疲劳曲线安全系数,焊缝节点具有较大的安全余量.部分节点的疲劳数据及安全系数如表4所示.

图11 构架对接焊缝疲劳评定Fig.11 Fatigue evaluation of butt weld on frame

图12 构架角焊缝疲劳评定Fig.12 Fatigue evaluation of fillet weld on frame表4 部分节点的疲劳数据及安全系数Tab.4 Fatigue data and safety coefficients of some nodes

类型节点号σmin/MPaσmax/MPaRS节点坐标/mmxyz220016-68.8550.76-0.742.41-11.8-523.030.0对接焊缝220015-70.1449.19-0.702.53-23.5-523.030.0214933-66.7948.28-0.722.550.0-523.030.01775616.4791.830.071.86931.3925.022.0角焊缝1775603.7882.640.052.03912.9925.022.01775624.8976.900.062.21949.7925.022.0

7 结论

参照UIC 615-4规范,对某120 km/h单节八轴电力机车中间构架进行了有限元强度分析,计算结果表明:

(1) 在超常载荷各工况下,转向架构架的应力均小于材料的屈服极限,满足静强度要求.

(2) 在模拟运用载荷作用下,通过对构架所有节点的13种载荷工况分析,转向架构架各节点的应力幅值均不超过材料疲劳极限,满足疲劳强度要求.

(3) 在模拟运用载荷作用下,通过分别对构架对接焊缝、角焊缝进行的疲劳强度分析与疲劳安全系数的计算,满足疲劳强度要求.

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