某型城际动车组转向架构架强度评估*

刘 寒，李臣伟，赵 芳，沙传杰，杨 凯，田金鑫

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

0 引 言

城际动车组的运行提高了城乡人民的出行效率，并带动了周边地区的经济发展水平，为相关产业的优化升级及生态文明建设助力，对中国的经济发展产生了巨大的影响。转向架作为城际动车组的关键承载部件，其决定着城际动车组的运行安全性和舒适性，为了乘客的乘坐安全性，有必要对其进行分析研究。

转向架是处于动车组车体及线路轨道之间的机车走行部，而构架是转向架的重要组成部分，转向架上的各种部件都安装在构架上，其上有各种吊挂座，不仅自身承受着车体的重量还要受到各部件工作时产生的各种冲击，而构架大多为焊接构架，由于焊接的缘故，难免会对材料的焊缝区域产生应力集中、缺陷及材料组织变化等影响，从而使构架焊缝区域的疲劳强度降低，出现疲劳破坏，因此，对构架静强度及疲劳强度校核具有重大的现实意义[1]。

笔者通过介绍转向架构架的基本结构，建立构架的有限元模型，依据UIC615-4标准确定构架的载荷工况，分析得出构架的最大等效应力及Goodman疲劳极限图，由分析结果可知构架静强度及疲劳强度达到了标准要求，从而解决了车辆的安全运行问题。

1 转向架构架的基本结构

该城际动车组转向架构架的主体呈“日”字形结构，由钢板焊接而成，主要由前端的牵引梁、两根侧梁呈对称结构、后端梁及中间横梁组成，梁内部设置形状不同的加强筋板。在侧梁、端梁及横梁上焊接安装悬挂装置、驱动装置及制动装置等吊挂座，为了保证转向架构架的强度及加工精度，在构架焊接完成后，需要进行淬火及退火处理。构架基本结构见图1，其中转向架构架的各钢板板厚为：下盖板12 mm、上盖板10 mm、立板8 mm及梁内筋板8 mm。

图1 转向架构架结构示意图

2 构架有限元模型的建立

此研究对象为城际动车组动车转向架构架，通过有限元模型来模拟构架在机车车辆运行时的实际工况。首先使用Solidworks建立构架的三维模型，在有限元前处理软件Hypermesh中对构架的三维模型进行网格划分，进行网格划分时为了提高计算效率及网格质量，对强度计算影响较小的结构忽略不计。构架的有限元模型为壳-固耦合模型，上盖板及下盖板及立板等主体结构以四节点四边形网格为主进行划分，构架上的一些吊挂座使用四节点四面体结构进行划分，构架主体与吊挂座之间的焊缝使用四节点四面体网格进行连接。网格划分完成后，需要依据计算工况进行加载，虽然转向架为中心对称结构，但是由于约束及载荷加载位置不对称，所以选取整个转向架构架作为研究对象，并利用ANSYS计算各工况强度。

有限元模型整体图如图2所示，部分放大图如图3所示，网格大小取10 mm，最终离散出的节点总数为261 161个,单元总数472 310个。

图2 构架有限元整体图 图3 构架有限元局部图

3 构架计算工况的确定

动车转向架构架静强度及疲劳强度的计算载荷采用国际铁路联盟标准UIC615-4《客车车辆动力车转向架构架结构强度试验》(以下简称UIC615-4)中规定的载荷工况，标准中规定了超常载荷，主要运营载荷，特殊运营载荷三种载荷。

超常载荷用来进行静强度分析，确保构架不会发生永久变形及断裂,其为机车在运行过程中可能受到的最大的静载荷。运营载荷为机车在运行过程中经常出现的力，这种力是运行过程经常出现的力，是一种交变载荷，决定了转向架构架的寿命，用来进行疲劳强度分析，确保构架不会发生疲劳断裂。结合机车在实际运行过程中受到的力，将三种载荷组合成为贴近机车实际运行时的计算工况，从而对构架强度进行校核。共得出11种超常载荷工况及24种模拟运营工况。表1列出了典型的四种超常载荷工况，表2列出了典型的四种模拟运营工况。

表1 超常载荷工况表

表2 模拟运营工况

表中：Fzmax、FYmax为超常载荷下的最大垂向力、最大横向力，α=0.1机车侧滚系数，β=0.2机车沉浮系数，FZ为模拟运营工况的最大垂向力。

4 转向架构架静强度评定方法及结果分析

4.1 构架静强度评定方法

静强度分析是校核转向架结构的刚度、强度，即校核转向架构架在机车运行过程中承受各种复杂的力并保证构架不变形的能力[2]。本文通过ANSYS分析软件对构架进行静力学分析，获得构架在超常载荷工况下的应力云图，并依据应力云图分析构架的应力分布和最大应力位置。

转向架的静强度评定标准依据UIC615-4标准中的相关规定，使用第四强度理论对转向架进行强度校核，第四强度理论适用于塑性屈服的材料，主要校核结构的von_Mises应力，当结构的最大von_Mises应力不超过结构的许用应力时，则可判定结构的静强度符合运营要求。

第四强度理论表示如式(1)所示：

σmax=

(1)

文中分析的转向架构架厚度小于16 mm，所以构架的屈服强度为460 MPa。取安全系数为1.1，则构架的许用应力为418 MPa。

4.2 静强度分析结果与分析

通过有限元计算软件ANSYS提取超常工况的最大von_Mises等效应力，得到构架的应力云图，由应力云图可看出构架等效应力最大值发生的位置，超常载荷工况下的最大应力发生在第最大等效应力出现在第10工况中，构架最大等效应力为221.295 MPa，第10工况应力云图见图4。

图4 第10工况应力云图

对静强度计算结果进行整理，得出表3中的构架最大等效应力。

由表3可知，在超常载荷工况下计算的各工况最大等效应力均小于许用应力，且安全系数较大，表明构架在超常载荷工况下具有较大的抵抗变形的能力，静强度评估满足UIC615-4标准要求。

表3 超常工况静强度计算结果

前10个工况最大等效应力位置均在左右侧梁上盖板与竖板之间靠近二系弹簧座处，即可说明静强度与车体的重量有较大关系，第11工况中转向架起吊座内孔壁出现了最大等效应力，这个工况下主要是起吊转向架时出现，同时，除了最大应力出现的位置，构架主体前端梁与电机吊挂座的连接处、构架主体前后端梁与制动吊挂座之间的连接处及构架主体与一系横向止挡及牵引拉杆安装座连接处的等效应力也相对较大，这些位置主要受机车运行时产生的极限载荷的影响，同时由于存在焊缝的原因，会降低这些位置的刚度及发生刚度突变，为了防止构架发生刚度突变，需要在机车运用过程中要重点检查这些焊缝位置，并对焊缝进行打磨，使这些部位尽可能不出现应力集中。

4.3 构架疲劳强度分析方法及结果

Goodman疲劳极限图是在Goodman提出的线性经验公式的基础上，使用几个关键点连接成封闭的疲劳极限图，其边界就是材料的屈服强度，是一种简化的疲劳极限图[3]。Haigh形式和Smith形式是Goodman疲劳极限图的两种形式，两种形式的横坐标都是以平均应力为横坐标，但前一种的纵坐标是应力幅，后一种的纵坐标为最大、最小应力值。Goodman-Smith疲劳极限图比较简洁，且可以直观表现出最大及最小应力值，以及平均应力对应力幅和疲劳极限最大及最小应力的影响。本文采用修正的Goodman-Smith疲劳极限图对转向架构架的焊缝进行评估，修正的疲劳极限图即将边界换为材料的许用应力。为了安全起见，文中使用ERRIB 12/Rp 17标准中的16Mn型钢材的Goodman疲劳极限图，见图5。

图5 钢材疲劳极限图

依据国际铁路联盟试验中心得出的研究报告ORE B 12/RP 17，可得出结构发生疲劳破坏裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直，依据这个理论可以将构架的三个主应力方向转化为一个主应力方向，从而得到应力幅值和平均应力，然后在结构材料的疲劳极限图上进行疲劳强度评估[4]。转化方法如下：

(1) 提取有限元计算结果并得出转向架构架的模拟运营工况中所有工况的主应力值和方向。

(2) 以最大主应力值的方向作为所有工况的基准，将其它主应力向基准方向投影，得到应力值σe,确定最小主应力值σmin。如图6所示。

(3) 确定应力均值和应力幅值

(2)

(3)

图6 投影法

4.4 疲劳强度评估点的选取

文中分析的200 km/h客运机车转向架构架为焊接构架，由于焊接的缘故，难免会对材料的焊缝区域产生应力集中、缺陷及材料组织变化等影响，从而使构架焊缝区域的疲劳强度降低，焊缝主要存在于上下盖板与中间立板之间、构架主体与牵引座及牵引座本身和构架主体与其余各吊挂座之间，上下盖板与立板连接部位根据静强度结果可以看出容易产生应力集中，而各吊挂座与构架主体之间连接的部位容易产生交变载荷，牵引座本身及构架连接部位传递牵引力和制动力，并承受一定的冲击力，故下面这三处焊缝进行疲劳强度评估。

(1) 选取构架上下盖板与立板之间的焊缝位置，下文称主焊缝，因为构架主体为对称结构，所以选取构架主体半部分的焊缝来进行疲劳强度评估，共选取6 825个节点。

(2) 选取转向架构架主体与牵引座和牵引座本身的焊缝位置，共选取869个节点进行疲劳强度评估。

(3) 选取构架主体和各吊挂座之间的焊缝位置，吊挂座大部分中心对称，取构架左侧吊挂座进行分析，主要有一系弹簧座、二系弹簧座、制动吊座及电机吊座等，共选取2 362个节点进行疲劳强度评估。

4.5 构架疲劳强度分析结果

利用有限元分析软件ANSYS进行疲劳强度计算，使用Matlab编程软件编写APDL语言并导入至ANSYS中，获得各焊缝位置所选节点的最大主应力，最小主应力，平均应力及应力幅，利用获得的各数据绘制构架焊缝节点的疲劳极限图。如图7所示。

图7 模拟运营工况疲劳极限图

由图7可知，构架焊缝在模拟运营工况下最大应力及最小应力均在Goodman疲劳极限图的包络线内，且距疲劳极限较远，故构架焊缝的疲劳评估结果合格。

5 结 语

以某型城际动车组转向架构架为研究对象，依据国际铁路联盟标准UIC615-4计算了强度分析所需的载荷，利用ANSYS分析软件对构架进行了静强度分析，依据第四强度理论校核了构架的静强度。利用修正的Goodman-Smith疲劳极限图对转向架构架的焊缝进行评估。结果表明：构架的静强度及疲劳强度均满足标准要求。