转向架构架疲劳计算方法的分析

某型地铁车辆转向架构架疲劳强度优化某型地铁车辆转向架构疲劳强度优化地铁作为城市重要的公共交通工具，具有快速、安全、环保等诸多优点，在城市交通中发挥着重要作用。

而地铁车辆的转向系统对于乘客的乘坐舒适性和行车安全至关重要。

然而，长时间行驶和大负荷工况下，地铁车辆转向架构可能面临疲劳断裂的风险。

因此，对地铁车辆转向架构的疲劳强度进行优化具有重要意义。

某型地铁车辆转向架构通常由转向器、横梁和连接杆等部件组成。

这些部件经常承受着受力和振动，从而导致疲劳损伤。

为了优化疲劳强度，需要从结构设计、材料选择和工艺优化三个方面进行改进。

首先，从结构设计的角度来看，合理的结构设计可以减小转向架构的应力集中现象，并提高其抗疲劳性能。

一种常见的优化方法是采用有限元分析，通过模拟和计算分析不同载荷和工况下的应力分布情况，找出极限应力点，并加强或者优化这些部分的结构。

此外，采用增加连接点数量、改变连接点位置的方式，也可以有效减小应力集中。

其次，材料选择也是优化地铁车辆转向架构疲劳强度的重要因素。

通常情况下，需要选择具有高强度和韧性的材料来使转向架构具备更好的疲劳寿命。

目前常用的材料包括铁基合金、高强度钢和铝合金等。

通过材料试验和工程实践，可以选择最适合地铁车辆转向架构的材料，以确保其寿命和安全性能。

最后，工艺优化也是提高地铁车辆转向架构疲劳强度的重要手段。

合理的工艺控制可以消除缺陷和应力集中点，提高转向架构的无缺陷率。

对于铸铁转向器的制造，可以通过改进液态金属充模工艺，控制金属的凝固过程，减少凝固缩孔和夹杂物的发生。

此外，优化焊接工艺、热处理过程和表面处理方法，也可以提高地铁车辆转向架构的疲劳寿命。

综上所述，某型地铁车辆转向架构疲劳强度的优化是确保地铁运行安全的关键要素之一。

通过结构设计的改进、材料选择的优化和工艺的改进，可以提高地铁车辆转向架构的疲劳强度，延长其使用寿命，确保地铁运行的安全性和可靠性。

同时，在实际的工程应用过程中，还需要考虑成本、制造难度和可行性等因素，综合各方面因素进行综合权衡，寻求最佳的解决方案综合考虑地铁车辆转向架构的结构设计、材料选择和工艺优化等方面，可以有效提高其疲劳强度并延长使用寿命，从而确保地铁运行的安全性和可靠性。

跨座式单轨车辆的转向架构架跨座式单轨交通作为一种独特的城市轨道交通方式，具有占地少、爬坡能力强、转弯半径小等优点，在城市交通中发挥着重要作用。

而转向架构架作为跨座式单轨车辆的关键部件之一，其性能直接影响着车辆的运行安全和稳定性。

转向架构架就像是车辆的“骨骼”，支撑着车辆的各个部件，并承受和传递着各种载荷。

它通常由高强度的钢材焊接而成，具有复杂的结构和严格的设计要求。

从结构上来看，跨座式单轨车辆的转向架构架一般包括构架主体、导向轮安装座、稳定轮安装座、牵引电机安装座、悬挂装置安装座等部分。

构架主体是整个构架的核心，它为其他部件提供了安装基础。

导向轮安装座和稳定轮安装座分别用于安装导向轮和稳定轮，这两种轮子在车辆运行过程中起到导向和稳定的作用。

牵引电机安装座则用于固定牵引电机，为车辆提供动力。

悬挂装置安装座则用于安装悬挂装置，以减少车辆运行时的振动和冲击。

在设计转向架构架时，需要考虑众多因素。

首先是强度和刚度的要求。

由于构架要承受车辆的自重、乘客的重量以及运行过程中的各种动态载荷，因此必须具备足够的强度和刚度，以确保其在使用过程中不会发生变形或损坏。

其次是轻量化设计。

在满足强度和刚度要求的前提下，尽可能减轻构架的重量，有助于降低车辆的能耗和提高运行效率。

此外，还需要考虑构架的制造工艺性和维护便利性。

为了保证转向架构架的质量和性能，制造过程中通常采用先进的工艺和技术。

焊接是制造构架的主要工艺之一，焊接质量的好坏直接影响着构架的强度和可靠性。

因此，在焊接过程中，需要严格控制焊接参数、焊接顺序和焊缝质量，确保焊缝无缺陷。

同时，还需要对构架进行热处理，以消除焊接残余应力，提高构架的性能。

在跨座式单轨车辆的运行过程中，转向架构架会受到各种力的作用。

例如，在车辆启动、制动和加速时，构架会受到纵向力的作用；在车辆转弯时，构架会受到横向力的作用；在车辆通过不平顺的轨道时，构架会受到垂向力的作用。

这些力会导致构架产生变形和应力，如果应力超过了构架材料的屈服强度，就会使构架发生疲劳损伤，从而影响车辆的运行安全。

疲劳寿命分析方法摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。

疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。

疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。

金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。

他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。

1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。

1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。

他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。

1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。

Goodman讨论了类似的问题。

1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。

Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。

1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。

1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。

1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。

L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。

目录1.引言2.CW——200K型T转向架构架3.载荷工况4.计算分析评估5.模态分析6.结论7.心得体会8.模态介绍CW—200K型转向架构架结构强度分析1.引言转向架构架是车辆运行时最重要的承载部件，其可靠性能对机车的走行品质和安全性具有重要的影响，必须满足强度要求。

在上世纪六十年代前，对转向架构架的强度分析，主要采用的是经典的结构力学方法，包括近似法和精确力法，这两种方法采用了大量的假定使实际结构理想化和简单化，当构架结构越来越复杂，超静定次数增多时，这种方法计算的误差越来越大，精度越来越低。

随着计算机的普及和计算方法的发展，有限元法已成为构架强度分析的主要方法：根据构架的结构特点，建立构架的力学模型，再对构架进行离散化处理，然后用有限元分析软件进行运算。

用有限元法分析得出的理论结果和试验结果的相对误差可控制在10%的范围内。

本文对CW——200K型转向架构架焊接结构进行静强度和疲劳强度评估，载荷条件和方法参见如下标准：EN 13749、UIC 515—4、和UIC 615—4进行，许用应力和评估方法依据ERRI B12/RP17(第8版)确定。

2.CW——200K型T转向架构架2.1构架结构构架为H型钢板焊接结构，由两根侧梁和两根横梁组成。

侧梁为中间下凹的鱼腹形，由4块钢板组焊成箱形封闭结构。

侧梁内部有密封隔板使侧梁内腔成为空气弹簧的附加空气室。

横梁采用日本进口无缝钢管，外径为φ165.2mm，壁厚14.3mm。

在侧梁上焊有定位座、横向减振器座、高度阀座和防过充装置座等，在横梁上焊有盘形制动吊座，抗侧滚扭杆座、牵引拉杆座等。

在构架的焊接过程中所有部件均采用“V”型坡口，以便于机械手操作，钢板材料为16MnR（材料属性见附录表格4）即保证有足够的刚度同时又保证有良好的焊接性。

本文利用PRO/E软件建立构架装配图，如图1。

图1 转向架焊接构架2.2 有限元模型综合考虑整个构架的计算量、计算精度及构架结构的实际情况,采用ANSYS 软件对构架整体进行有限元离散和计算. 网格数量决定了计算结果的精度和规模,权衡网格数量与精确度两者的关系,最终离散出的节点数为133264 ,单元数为65798. 构架有限元离散模型如图2 所示.图二构架有限元离散模型3.载荷工况3.1 超常载荷工况在此工况下，作用在侧梁上的垂向载荷F z=1.4g(m v +C1-2m+)/4=186.0 kN;作用在构架上的横向载荷F y=2[10000+(m v+C1)g/12]=128.0 kN;10‰轨道扭曲车轮的垂向位移为25mm。

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１９.０４.００５上海地铁８号线Ｃ型动车转向架构架静强度分析∗谢㊀琨(上海阿尔斯通交通设备有限公司ꎬ上海㊀２００２４５)摘㊀要:以上海地铁８号线(杨浦线)Ｃ型动车转向架构架为例ꎬ用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件对动车转向架构架进行实体建模并运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对转向架的构架结构进行静载荷分析ꎬ找出构架结构中的薄弱环节ꎬ为国内的转向架的设计生产提供经验及数据ꎮ关键词:地铁ꎻ动车ꎻ转向架构架ꎻＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓꎻ有限元分析软件ꎻ模型ꎻ静强度分析中图分类号:Ｕ２７０.３㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１９)０４－００２１－０５ＳｔａｔｉｃＳｔｒｅｎｇｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣＴｙｐｅＥＭＵＳｔｅｅｒｉｎｇＦｒａｍｅｏｎＳｈａｎｇｈａｉＭｅｔｒｏＬｉｎｅ８ＸＩＥ㊀Ｋｕｎ(ＳｈａｎｇｈａｉＡｌｓｔｏｍＴｒａｎｓｐｏｒｔＣｏ.ꎬＬｔｄꎬＳｈａｎｇｈａｉ㊀２００２４５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅꎬｔａｋｉｎｇｔｈｅＣ－ｔｙｐｅｍｏｔｏｒｃａｒｏｆＳｈａｎｇｈａｉＭｅｔｒｏＬｉｎｅ８(ＹａｎｇｐｕＬｉｎｅ)ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｉｔｓｂｏｇｉｅｆｒａｍｅｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓｓｏｆｔｗａｒｅꎬａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｌｏａｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｏｇｉｅｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｃａｒ￣ｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｔｈｅＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅꎬｓｏａｓｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｗｅａｋｌｉｎｋｓｉｎｔｈｅｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬａｎｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｄａｔａｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｂｏｇｉｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｅｔｒｏꎻｍｏｔｏｒｃａｒꎻｂｏｇｉｅｆｒａｍｅꎻＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅꎻｍｏｄｅｌꎻｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓ０㊀引㊀言上海地铁几条从国外购买的列车转向架构架ꎬ在国外相关城市运用在寿命期内基本没有出现裂纹ꎬ而上海地铁在运用不到１０年ꎬ甚至只运５年ꎬ就有构架出现裂纹ꎬ不得不修补甚至更换ꎬ导致维修成本高ꎮ出现此种情况可能原因是供应商对上海的运用环境及使用状态预期不够ꎬ及环境造成对线路的影响认识不足ꎬ对可能产生的动载荷原因认识不够ꎬ但仍按常规进行设计ꎬ使列车的动力学性能不能满足实际要求ꎬ导致构架强度储备不够ꎮ因此ꎬ笔者对８号线动车动车转向架进行相关研究ꎬ取出相关部件的振动ꎬ并作为静态载荷对构架进行强度的计算分析ꎬ为构架的设计㊁生产制造提供经验及数据ꎮ１㊀上海地铁８号线Ｃ型动车转向架构架ＡＮ￣ＳＹＳ模型１.１㊀有限元理论及软件简介有限元法[１]是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法ꎬ它吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示ꎬ又继承了里兹法选择试探函数的合理方法ꎮ有限元法的基本思想可归结为两个方面ꎬ一是离散ꎬ二是分片插值ꎮ在固体力学领域ꎬ有限元法不仅可用于线性静力分析ꎬ也可用于动态分析ꎬ形成了静态分析有限元法和动态分析有限元法[２－３]ꎬ即静态分析法和动态分析有限元法ꎮ目前ꎬ有限元法从它最初应用的固体力学领域ꎬ已推广应用到温度场㊁流体场㊁电磁场㊁声场等其他连续介质领域ꎮ随着有限元法的发展及应用[４]ꎬ大量的分析应用软件也随机出现ꎬ如:ＡＢＡＱＵＳꎬＡＤＩＮＡꎬＡＮＳＹＳꎬ其中ＡＢＡＱＵＳ是面向生产㊁应用范围广泛的通用有限元程序ꎬ它是为高级应用ꎬ特别是非线性领域里的高级应用而设计的ꎮ主要优点是具有大型的单元库和广泛的求解非线性问题的能力ꎮＡＤＩＮＡ计算机程序系统以高效率㊁可靠的有限元法为基础ꎬ进行线性和非线性分析ꎬ其可以对结构和热传导问题及其它场问题进行有效的有限元分析ꎮＡＮＳＹＳ是设计工程师用于结构分析㊁热分析㊁流体分析㊁电分析和静电磁分析的大规模㊁通用计算机程序ꎮＡＮＳＹＳ用于二维或三维系统的有限元静力㊁动力㊁热㊁线性或非线性分析ꎮ通过把热分析的输出与结构的输入直接相连ꎬＡＮＳＹＳ可进行热应力分析ꎮ除了强大的分析能力外ꎬＡＮＳＹＳ还包含前㊁后处理部分ꎬ并能支持广泛的图形显示设施ꎮＡＮＳＹＳ能处理的波前处自由度可达３０００个ꎮ通过使用一级或多级子结构ꎬ模型中可能出现的自由度ꎬ仅受计算机资源和时间的限制ꎮ１２∗收稿日期:２０１９－０６－１６作者简介:谢㊀琨(１９７８－)ꎬ男ꎬ辽宁铁岭人ꎬ工程师ꎬ工程硕士ꎬ主要从事地铁轨道车体的设计㊁制作㊁安装工艺㊁模具设计与制作㊁现场生产组织方面的工作ꎮ１.２㊀上海８号线Ｃ型动车转向架构架ＡＮＳＹＡ模型上海地铁８号线Ｃ型动车转向架构架是由１６ＭｎＲ钢板组焊而成的Ｈ形构架ꎮ构架由两根侧梁和一根横梁组成ꎮ侧梁中部为凹形ꎬ是由７块钢板焊成的箱形封闭结构ꎮ横梁为由１４块钢板焊成的箱形结构ꎮ侧梁的内腔和横梁的内腔共同组成空气弹簧的附加气室ꎮ各种连接座焊接于构架的侧梁和横梁上ꎮ利用三维机械设计软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ[５]建立的上海地铁８号线动车转向架构架的实体模型ꎬ将实体模型导入到ＡＮＳＹＳ有限元分析软件中ꎬ进行自由分网ꎬ从而建立上海地铁８号线动车转向架构架的有限元模型ꎬ如图１所示为实体模型与有限元模性ꎮ图１㊀上海地铁８号线动车转向架构架实体模型及构架有限元模型２㊀上海８号线Ｃ型动车转向架构架静强度分析为便于对上海８号线Ｃ型动车转向架构架进行静强度分析ꎬ首先需确定其边界条件㊁载荷条件及载荷工况ꎮ２.１㊀边界条件边界条件的确定对于有限元分析结果的准确度影响很大ꎬ若处理不当将会引起较大误差ꎬ因此对上海８号线Ｃ型动车转向架构架按实际情况８对约束条件进行真实的模拟ꎬ并在转向架构架计算时ꎬ在不影响应力分布的情况下ꎬ本着使约束与实际情况相一致并突出主要约束的原则ꎬ对约束进行简化ꎮ在构架的主动施力处施加载荷ꎬ被动受力处施加约束ꎮ图２为上海地铁８号线转向架的轴箱定位装置ꎮ该转向架构架和轴箱之间的一系悬挂为圆锥叠层橡胶弹簧ꎬ它一端与构架固结ꎬ另一端与轴箱体固结ꎮ圆锥叠层橡胶弹簧的垂向刚度比较小ꎬ起到一系悬挂的作用ꎬ而在横向和纵向的刚度则较大ꎬ起到轴箱定位的作用ꎮ为了在有限元模型中模拟圆锥叠层橡胶弹簧的三向刚度ꎬ对于一个圆锥叠层橡胶弹簧采用了４ˑ３个Ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒ１４单元进行模拟ꎬ其中４个Ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒ１４单元模拟圆锥叠层橡胶弹簧的垂向刚度ꎬ另外８个Ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒ１４单元模拟圆锥叠层橡胶弹簧在水平面的定位刚度ꎮ此外ꎬ牵引电机所产生的三个方向的载荷应作用于电机的重心处ꎮ为此在两牵引电机重心处分别建立一个节点并通过刚性杆单元ＭＰＣ１８４将其与牵引电机安装座上的节点相连ꎮ所有单元统计数据如表１所示ꎮ图２㊀轴箱定位装置表１㊀构架有限元模型单元表单元类型单元数结点数Ｓｏｌｉｄ１８５１５４４１２Ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒ１４９６４５８２２ＭＰＣ１８４１４２.２㊀载荷条件根据ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５的规定[６]ꎬ动力转向架构架的静强度分析主要分为两个部分ꎬ即超常载荷的静强度分析和模拟运营载荷的静强度分析ꎮ其中超常载荷的静强度分析的目的是验证在运用时可能出现的最大载荷的共同作用下ꎬ转向架构架没有永久变形的危险ꎮ而模拟运营载荷的静强度分析的目的是验证在运用时出现的主要载荷产生的应力与由特殊运营载荷所产生的应力相叠加后的转向架构架没有产生疲劳裂纹的危险ꎮ(１)超常载荷分为垂向载荷(转向架每侧)和横向载荷(每转向架)及斜对称载荷ꎬ计算结果分别如下:其中垂向载荷作用于构架上的两个空气弹簧座上:Ｆｚ１ｍａｘ＝Ｆｚ２ｍａｘ＝１.４ｇ２ｎｂ(ｍｖ＋ｃ１＋ｎｂｍ＋)＝１９６１５４.８４Ｎ式中:Ｆｚ１ｍａｘꎬＦｚ２ｍａｘ为转向架每侧的垂直载荷ꎬ(Ｎ)ꎻｇ为重力加速度(ｇ＝９.８１ｍ/ｓ２)ꎻｎｂ为转向架数ꎬ取２ꎻｍｖ为整备状态下的空车重量ꎬ(ｋｇ)ꎬ取３６０００ꎻｍ＋为转向架重量ꎬ(ｋｇ)ꎬ取７１９０ꎻｃ１为超常商用载荷ꎬ(ｋｇ)ꎬ取３５５６８ꎮ横向载荷作用在横向止挡上:Ｆｙｍａｘ＝２１０４＋(ｍｖ＋ｃ１)ｇ３ｎｃｎｂéëêêùûúú＝１３６８９４.４Ｎ２２式中:Ｆｙｍａｘ为横向载荷ꎬＮꎻｎｃ为每转向架上的轮对数ꎮ斜对称载荷Ｚｍａｘ以指定位移形式施加ꎮ转向架轴距为２０００ｍｍꎬ线路轨道扭转为１０ɢꎬ故扭曲载荷相当于把一个车轮抬高２０００ˑ１０ɢ＝２０ｍｍꎮ综上ꎬ超常载荷的静强度分析的载荷施加位置如图３所示ꎮ图３㊀超常载荷的静强度分析的载荷施加位置㊀㊀(２)模拟运营载荷分为垂向力㊁横向力㊁纵向力㊁斜对称载荷㊁牵引电机惯性力和齿轮箱吊座的垂向载荷及制动夹钳安装座处载荷ꎬ计算结果分别如下:其中垂向力作用于构架上的两个空气弹簧座上:Ｆｚ＝ｇ２ｎｂ(ｍｖ＋１.２ｃ２－ｎｂｍ＋)＝１２２６８２.２８(Ｎ)式中:Ｆｚ为模拟运营载荷工况作用在每个转向架上的基本垂向力ꎬ(Ｎ)ꎻｃ２为模拟运营商用载荷ꎬ(ｋｇ)ꎬ取２３７１２ꎮ横向力作用在横向止挡上:Ｆｙ＝０.５(Ｆｚ＋０.５ｍ＋ｇ)＝７８９５６.６４(Ｎ)式中:Ｆｙ为模拟运营载荷工况作用在每转向架上的横向力ꎬ(Ｎ)ꎮ纵向力作用在牵引橡胶堆座上:Ｆｘ＝０.１Ｆｚ＋ｍ＋２ｇéëêêùûúú＝１５７９１.３３(Ｎ)斜对称载荷Ｚｍａｘ以指定位移形式施加ꎮ转向架轴距为２０００ｍｍꎬ线路轨道扭转为５ɢꎬ故扭曲载荷相当于把一个车轮抬高２０００ˑ５ɢ＝１０ｍｍꎮ牵引电机惯性力作用在电机质心处ꎮ参考日本ＪＩＳ标准和美国纽约地铁标准ꎬ取ａｘ＝ʃ４ｇꎬａｙ＝ʃ３ｇꎬａｚ＝(－１ʃ４)ｇ来计算牵引电机的惯性力ꎬ电机质量取５７５ｋｇꎮ横向:Ｆｍｘ＝４ｇˑ电机质量＝２２５４０(Ｎ)纵向:Ｆｍｙ＝３ｇˑ电机质量＝１６９０５(Ｎ)垂向:Ｆｍｚ－＝(－１－４)ｇˑ电机质量＝－２８１７５(Ｎ)Ｆｍｚ＋＝(－１＋４)ｇˑ电机质量＝１６９０５(Ｎ)齿轮箱的吊座垂向载荷作用在齿轮箱的吊座上表面:Ｆｇ＝３８０００(Ｎ)制动夹钳安装座处载荷的计算如表２所示ꎮ根据表２的计算ꎬ制动夹钳安装座处的垂向载荷取１８２００Ｎꎮ表２㊀制动夹钳安装座处载荷项目单位数值车辆满载重量ｔ５６紧急制动减速度ｍ/ｓ２１.３制动力Ｎ７２８００每节动车制动盘数个４每个制动盘所需的制动力Ｎ１８２００摩擦系数０.３５紧急制动时制动盘压力Ｎ５２０００２.３㊀载荷工况载荷工况分为超常载荷工况和模拟运营载荷工况ꎮ(１)超常载荷工况根据ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５的规定ꎬ超常载荷的静强度分析的载荷工况及计算值列于表３ꎮ表３㊀超常载荷的静强度分析的载荷工况工况垂向载荷(转向架每侧)横向载荷(每转向架)斜对称载荷１Ｆｙｍａｘ＝１９６１５４.８４ＮＦｙｍａｘ＝１３６８９４.４Ｎ１０ɢ的轨道扭曲为:２０ｍｍ(２)模拟运营载荷工况根据ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５的规定ꎬ模拟运营载荷的静强度分析的载荷工况共１３中ꎬ在文中根据上海地铁８号线车辆的具体情况选择其中具有代表性的３种(因为上海地铁８号线转向架构架设计时均已做过相应的静载荷分析ꎬ如有制动载荷的工况)ꎬ将计算载荷中载荷的计算值代入后ꎬ可得模拟运营载荷的静强度分析的载荷工况的计算值ꎬ见表４ꎮ表４㊀模拟运营载荷的静强度分析的载荷工况的计算值/Ｎ载荷工况模拟主要运营载荷构架每侧的垂向力Ｆｚ１Ｆｚ２作用在整个构架上的横向力斜对称载荷模拟特殊运营载荷１１２２６８２.２８１２２６８２.２８０电机载荷㊁齿轮箱载荷㊁纵向载荷９１３４９５０.５１１５９４８６.９６－７８９５６.６４电机载荷㊁齿轮箱载荷㊁纵向载荷１３１３４９５０.５１１５９４８６.９６－７８９５６.６４１０ｍｍ电机载荷㊁齿轮箱载荷㊁纵向载荷２.４㊀静强度分析上海地铁８号线构架为钢板焊接结构ꎬ钢板材料为１６ＭｎＲꎬ其强度极限σｂ＝５５０ＭＰａꎬ屈服极限σｓ＝３４５ＭＰａꎮ取安全系数为１.５时ꎬ则许用应力为[σ]＝３２２３０ＭＰａꎬ取安全系数为１.６５时ꎮ则许用应力为[σ]＝２０９ＭＰａꎮ以上海地铁８号线Ｃ型动车转向架构架的有限元模型为基础ꎬ根据ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５动力转向架构架强度试验方法ꎬ对上海地铁８号线Ｃ型动车转向架构架进行静强度分析ꎮ(１)超常载荷的静强度分析转向架构架的应力状态比较复杂ꎬ需计算出ＶｏｎＭｉｓｅ应力ꎬ检查其是否超过其许用应力ꎮ超常载荷工况下的载荷施加位置和ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图ꎬ如图４所示ꎮ其中ꎬ最大ＶｏｎＭｉｓｅ应力出现在上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧的混合区域ꎬ见图５ꎬ其值为２４１ＭＰａꎮ从计算结果看超常载荷工况下转向架构架的最大应力虽没超过钢材的屈服极限σｓ＝３４５ＭＰａꎬ但安全系数仅为σｓ/σ＝３４５/２４１＝１.４３<１.５ꎮ因此对上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧的混合区域需加以重视ꎮ图４㊀超常载荷工况下静强度分析的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图５㊀上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧的混合区域㊀㊀(２)模拟运营载荷的静强度分析模拟运营载荷工况下的静强度分析的载荷施加位置如图６所示ꎮ以上文中的工况１ꎬ９ꎬ１３为例模拟运营载荷的静强度分析ꎬ结果如下:①工况１㊀工况１载荷下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图如图７所示ꎮ其中最大ＶｏｎＭｉｓｅ应力为１５８ＭＰａꎬ出现在侧梁上盖板与横梁交界区域的Ｒ１５０圆弧处ꎮ其它应力较大区域集中在侧梁下盖板与横梁交界区域的Ｒ１５０圆弧处和侧梁的Ｒ９０圆弧处ꎬ如图８ꎮ②工况９㊀工况９载荷下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图如图９所示ꎮ其中最大ＶｏｎＭｉｓｅ应力为２１８ＭＰａꎬ出现在侧梁上盖板与横梁交界区域的Ｒ１５０圆弧处ꎮ其它应力较大区域集中在侧梁下盖板与横梁交界区域的Ｒ１５０圆弧和侧梁的Ｒ１１０圆弧ꎬ如图１０所示ꎮ图６㊀模拟运营载荷工况下的静强度分析的载荷施加位置图７㊀模拟运营载荷工况１下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图图８㊀上盖板Ｒ１５０圆弧处及下盖板Ｒ１５０圆弧和侧梁Ｒ９０圆弧处㊀㊀③工况１３㊀工况１３载荷下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图如图１１所示ꎮ其中最大ＶｏｎＭｉｓｅ应力为２１９ＭＰａꎬ出现在上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧混合区域ꎮ其它应力较大区域集中在侧梁下盖板与横梁交界区域的Ｒ１５０圆弧ꎬ如图１２所示ꎮ４２图９㊀模拟运营载荷工况９下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图图１０㊀上盖板Ｒ１５０圆弧处及侧梁Ｒ１１０圆弧处图１１㊀模拟运营载荷工况１３下构架的ＶｏｎＭｉｓｅ节点应力等值图图１２㊀上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧混合区域及下盖板Ｒ１５０圆弧处图１３㊀上海地铁８号线构架应力较大区域３㊀结㊀论根据ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５的规定ꎬ构架静强度分析的目的主要是验证在运用时可能出现的最大载荷的共同作用下ꎬ转向架构架没有永久变形的危险ꎮ综合超常载荷工况下的静强度分析结果和模拟运营载荷工况下的静强度分析结果可以得出上海地铁８号线动车转向架构架应力较大的区域主要位于上盖板Ｒ１５０圆弧处㊁下盖板Ｒ１５０圆弧处㊁侧梁Ｒ９０圆弧和侧梁Ｒ１１０圆弧处ꎬ如图１３所示ꎮ㊀㊀其中尤以上盖板Ｒ１５０圆弧与侧梁Ｒ１１０圆弧的混合区域的应力状况最为复杂和危险ꎬ在超常载荷的静强度分析中该区域的应力达到２４１ＭＰａꎬ安全系数仅为１.４３<１.５ꎬ在模拟运营载荷的静强度分析的工况１３中ꎬ该区域的应力达到２１９ＭＰａꎬ安全系数仅为１.５８<１.６５ꎮ尽管以上危险区域的静强度是合格的ꎬ在实际运用中不会由于强度贮备不足而发生静强度失效ꎬ但在未做疲劳分析的情况下不能保证其在实际运营过程中不会发生疲劳失效ꎮ因此对于以上危险区域ꎬ在可能的情况下可以考虑进行结构优化以提高构架的可靠性ꎮ参考文献:[１]㊀杜平安ꎬ甘娥忠ꎬ于亚婷.有限元法－原理㊁建模及应用[Ｍ].北京:国防工业出版社ꎬ２００６.[２]㊀张洪信.有限元基础理论与ＡＮＳＹＳ应用[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２００６.[３]㊀傅永华.有限元分析基础[Ｍ].武汉:武汉大学出版社ꎬ２００３.[４]㊀博嘉科技.有限元分析软件－ＡＮＳＹＳ融汇与贯通[Ｍ].北京:中国水利水电出版社ꎬ２００２.[５]㊀詹迪维.ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ产品设计实例精解[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２００９.[６]㊀ＴＢ/Ｔ２３６８－２００５.动力转向架构架强度试验方法[Ｓ].中华人民共和国铁道部ꎬ２００５.５２。

Study on the Fatigue Safety Performance Evaluation on Bogie Frame of Intercity EMU
作者： 林洋
作者机构： 中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081
出版物刊名： 铁道运输与经济
页码： 73-79页
年卷期： 2017年 第10期
主题词： 城际铁路 动车组 服役跟踪动应力测试 疲劳安全性能 评估
摘要：为确保铁路车辆平稳可靠运行,针对城际动车组转向架构架,提出疲劳安全性能的评估
方法和等效应力辐的计算方法。

以CJ1-0502型城际动车组转向架构架为例,阐述基于服役跟踪
动应力测试的动车组转向架构架疲劳安全性能测试方案,根据试验结果评估动车组转向架构架疲
劳安全性能,针对不同的典型运用工况分析城际动车组转向架的动应力特征,提出动车组转向架构架中需要重点关注的位置,为合理制定车辆检查周期提供参考。