李睿釗

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司南寧車輛段，廣西南寧 530000）

0 引言

轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組的關(guān)鍵部件之一，它用來傳遞各種載荷，支撐車體，并牽引著輪對(duì)在軌道上運(yùn)動(dòng)使車體運(yùn)行。其中，構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架，是動(dòng)車組的主要承載部件。隨著動(dòng)車組的輕量化要求，構(gòu)架自重不斷減輕，導(dǎo)致動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)線路的激擾令構(gòu)架恰好處于低階彈性振型范圍，易使轉(zhuǎn)向架承載件部位產(chǎn)生形變，當(dāng)疲勞損傷累積達(dá)到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，對(duì)行車安全構(gòu)成威脅。為查找分析構(gòu)架的薄弱部位，以達(dá)到明確檢修導(dǎo)向、精準(zhǔn)檢修的目的，所以對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是現(xiàn)階段迫切需完成的工作。

1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)及有限元模型的建立

CRH3C 動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架為SF500CN 型號(hào)，其構(gòu)架采用“雙H”形鋼板壓型焊接結(jié)構(gòu)，以采用德標(biāo)材料S355J2G3WC 和S355J2G3C 低合金高強(qiáng)度耐候鋼為主，關(guān)鍵零部件全部為鍛件，側(cè)梁由若干塊低合金鋼板焊接而成，轉(zhuǎn)向架各設(shè)備安裝座焊接在構(gòu)架側(cè)梁上。但由于三維軟件的局限性以及為使有限元仿真分析方便進(jìn)行，模型采用造型法建模，將整個(gè)構(gòu)架以一個(gè)零件的形式導(dǎo)入ANSYS 分析。完善好構(gòu)架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格離散化操作，單元數(shù)為59240，節(jié)點(diǎn)數(shù)為116504。

2 構(gòu)架的邊界條件和載荷計(jì)算

本文參照國際鐵路聯(lián)盟《動(dòng)力單元-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》（UIC 615-4—2003）的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，將車輛在實(shí)際運(yùn)行情況下，構(gòu)架的各種載荷如蛇行運(yùn)動(dòng)、晃車、不平順等工況進(jìn)行組合，施加載荷和約束，分析后評(píng)定構(gòu)架的靜強(qiáng)度及其疲勞強(qiáng)度。

超常載荷是指在動(dòng)車組運(yùn)行過程中鮮有出現(xiàn)，是數(shù)值比較大的載荷。CRH3C 型動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架超常載荷工況下的載荷計(jì)算值如表1 所示。

表1 超常工況載荷計(jì)算值 單位：N

動(dòng)車組在行駛過程中出現(xiàn)振動(dòng)頻率較高，并對(duì)車體各承載部件的疲勞強(qiáng)度有較大影響的載荷被稱為模擬運(yùn)營載荷。CRH3C 型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模擬運(yùn)營載荷工況下的載荷計(jì)算值如表2 所示。

表2 模擬運(yùn)營工況載荷計(jì)算值 單位：N

表2 （續(xù)）

3 構(gòu)架的強(qiáng)度分析

3.1 靜強(qiáng)度評(píng)定

應(yīng)用ANSYS workbench 模塊，按照表3 中超常載荷工況數(shù)值計(jì)算表中的工況組合對(duì)構(gòu)架添加約束條件并進(jìn)行加載計(jì)算，形變結(jié)果如圖1 所示。

圖1 超常載荷工況2 下構(gòu)架形變圖

表3 超常載荷工況2 下構(gòu)受力情況

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟《動(dòng)力單元-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》（UIC 615-4—2003）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷施加方式及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，使用三種超常載荷工況對(duì)CRH3C SF500CN 構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。模擬測(cè)試結(jié)果表明在三種不同超常載荷工況下，最大應(yīng)力主要集中在構(gòu)架帽筒與側(cè)梁上下蓋板連接處、轉(zhuǎn)臂定位座與側(cè)梁下蓋板連接處、空氣彈簧導(dǎo)柱與側(cè)梁上下蓋板連接處。三種超常載荷工況相比較，最大應(yīng)力發(fā)生在超常載荷工況二下，帽筒與側(cè)梁上蓋板連接處，最大應(yīng)力的值為267.32MPa。已知構(gòu)架材料的許用應(yīng)力為345.0MPa，大于上述最大應(yīng)力267.32MPa。因此，構(gòu)架在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下可以滿足靜強(qiáng)度要求，故SF500CN 型號(hào)構(gòu)架永久變形的風(fēng)險(xiǎn)在超常載荷工況作用下不會(huì)產(chǎn)生。

3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

應(yīng)用ANSYS workbench 模塊，將上文所述的邊界條件與運(yùn)行載荷工況模擬數(shù)值計(jì)算表（見表2）進(jìn)行組合，對(duì)SF500CN 構(gòu)架添加約束條件并進(jìn)行加載計(jì)算。得出十三種動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)載荷模擬工況下SF500CN 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力分布特點(diǎn)與數(shù)值大小。由于《動(dòng)力單元-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》（UIC 615-4—2003）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)的方法是采用Goodman-smith 疲勞極限圖，需對(duì)各工況下的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行校核，所以在模擬運(yùn)營載荷工況下的應(yīng)力分布圖中，對(duì)重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域應(yīng)力值進(jìn)行依次測(cè)量，得出應(yīng)力平均大小與應(yīng)力幅值，根據(jù)各測(cè)試重點(diǎn)區(qū)域的平均應(yīng)力數(shù)值與應(yīng)力幅值，找到其在Goodman-smith 疲勞極限圖的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，若得到的每個(gè)點(diǎn)都在構(gòu)架材料的疲勞極限圖范圍內(nèi)，則在運(yùn)營模擬工況時(shí)構(gòu)架不會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。但如在疲勞極限圖的包絡(luò)線之外存在數(shù)值點(diǎn)，則允許范圍不能超過許用應(yīng)力值的20%。平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值通過以下公式計(jì)算：

式（1）～式（2）中：σave為平均應(yīng)力；Δσ為應(yīng)力幅值。

通過對(duì)構(gòu)架應(yīng)力分布圖及變形云圖的分析，結(jié)合構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特性和以上幾點(diǎn)準(zhǔn)則，總結(jié)出五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域。具體位置如圖2 所示。

圖2 構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)定重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域

構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 構(gòu)架重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域應(yīng)力計(jì)算表 單位：MPa

將表4 所示構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域的平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值的對(duì)應(yīng)點(diǎn)標(biāo)繪在Goodmansmith 疲勞極限圖中，最終結(jié)果如圖3 所示。

圖3 Goodman-smith 疲勞極限圖

由圖3 可知，第一類、第三類、第四類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)落在Goodman-smith 疲勞極限圖母材以及焊縫的疲勞極限范圍之內(nèi)，第二類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域和第五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)分布在Goodman-smith 疲勞極限圖焊縫的疲勞極限范圍之外，但允許范圍未超出焊縫疲勞許用應(yīng)力值的20%。因而SF500CN 構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足動(dòng)車組在各類運(yùn)行載荷工況下的疲勞強(qiáng)度要求。第二類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域（空氣彈簧導(dǎo)柱與側(cè)梁上、下蓋板連接區(qū)域）和第五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域（帽筒與側(cè)梁上、下蓋板連接處）為構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的危險(xiǎn)區(qū)域。

4 結(jié)論

本論文以CRH3C 型動(dòng)車組SF500CN 轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架為分析對(duì)象，依據(jù)國際鐵路聯(lián)盟UIC 標(biāo)準(zhǔn)的《動(dòng)力單元-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》（UIC 615-4—2003）對(duì)構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，最終得出如下結(jié)論：

第一，在超常載荷工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在超常載荷工況二，帽筒與側(cè)梁上蓋板連接處，最大應(yīng)力的值為267.32MPa。已知構(gòu)架材料的許用應(yīng)力為345.0MPa，大于上述最大應(yīng)力267.32MPa。因此，SF500CN 型構(gòu)架滿足靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)要求。

第二，根據(jù)構(gòu)架在十三種模擬運(yùn)營工況下的應(yīng)力分布圖，選取了五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域，通過Goodmansmith 疲勞極限圖，對(duì)SF500CN 轉(zhuǎn)向架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，SF500CN 型構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足動(dòng)車組運(yùn)行疲勞強(qiáng)度要求。第二類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域（空氣彈簧導(dǎo)柱與側(cè)梁上、下蓋板連接區(qū)域）和第五類重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域（帽筒與側(cè)梁上、下蓋板連接處）為構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的危險(xiǎn)區(qū)域。