机车转向架构架强度的有限元分析

机车转向架构架强度的有限元分析

作者：郁炜江海兵

构架是机车转向架最关键的零部件之一，也是转向架其它各零部件的安装基础，在机车的牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用，因此，机车转向架构架的可靠性对机车的性能和安全性有重大影响。传统的转向架构架强度的可靠性评价大多通过物理样机的某些试验，再通过金属探伤、磁电探伤等方法来检验…，成本高，开发周期长。所以，使用有限元的理论对转向架构架建模，并利用有限元分析软件对其进行应力分析和强度计算来确保机车转向架构架的可靠性有重大意义，本文在此进行了尝试。

目前，国外几家著名的公司研制的有限元分析软件如MSC、ANSYS、I-DEARS等在国内许多设计中得到了较为广泛的应用。MsC公司提供的有限元软件在有限元建模、结构分析(静态、瞬态动力学)、热、电磁场、流体问题等及其耦合问题、接触、强非线性、碰撞等方面都有独到的处理方法，本文详细介绍了其中的前后处理软件MSC／PATRAN和结构分析软件MSC／NASTRAN在机车转向架构架强度计算与分析中的应用。

1 有限元强度计算模型的建立

机车转向架构架一般为箱型梁结构，有限元计算模型可以采用薄板单元按照设计图纸上的实际尺寸建模，并根据构架各部分是否承受载荷确定网格的疏密程度，在MSC／PATRAN 软件中生成有限元计算网格模型。文中选择一例已通过物理样机测试实验、强度合格的机车转向架构架进行分析。它是由两根侧梁、一根横梁和两根端梁组焊成的"日"字形结构，整个构架计算模型共有20 225个薄板单元和27 848个节点，如图1。

2有限元强度计算的载荷和边界条件

在机车转向架构架的有限元计算分析过程中，施加约束和载荷的原则是在构架主动施力处施加载荷，被动受力处施加约束：

机车运行时，作用在构架上的载荷可以归纳为静载和动载两大类。静载荷在运行过程中具有确定不变的数值和方向，包括机车上部重量、转向架自重以及安装在转向架上各种装置的重量、电传动内燃机车与电力机车的牵引电机的重量、液力传动内燃机车的中问齿轮箱重量等；动载荷是在运行过程中方向和大小都随时间变化的载荷，包括由于车体振动产生的附加垂向动载荷、机车牵引运行时作用在构架上的纵向力、机车通过曲线时作用在构架上的侧向力、牵引电机作用于构架的振动载荷以及工作时的反扭矩或电阻制动反扭矩、齿轮箱工作时的反扭矩、制动力、由于线路及其它原因使构架产生的扭曲力等。机车转向架载荷的大小和方向根据具体的设计要求和实际情况确定。本文研究对象的计算载荷值如表1所示。

3计算工况的选取

根据TB／T 2368一1993《内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法》，机车转向架构架的计算工况由不同类别的载荷工况组合而成。总体上分为两大类：组合载荷工况和独立

载荷工况。组合载荷工况主要对各种极限载荷情况进行模拟，考察构架是否有足够的静强度满足这些极限情况；独立载荷工况则用于考核构架的疲劳强度。

3．1 组合载荷工况

1)工况一，垂直静载荷工况。包括车体垂直静载荷，齿轮箱垂直静载荷。

2)工况二，起动工况。包括车体、齿轮箱垂直静载荷，纵向起动牵引力，起动牵引反扭矩。

3)工况三，紧急制动工况。包括车体、齿轮箱垂直静载荷，纵向紧急制动力，安装座紧急制动力。

4)工况四，曲线通过工况。包括车体、齿轮箱垂直静、动载荷，纵向持续牵引力。持续牵引反扭矩，横向载荷。

3．2独立裁荷工况

1)工况一，车体垂直静载荷。

2)工况二，齿轮箱垂直静载荷。

3)工况三。横向载荷。

4)工况四，车体垂直动载荷。

5)工况五，齿轮箱垂直动载荷。

6)工况六，纵向持续牵引力。

7)工况七，持续牵引反扭矩。

8)工况八，纵向常用制动力。

9)工况九，安装座常用制动力。

计算独立载荷工况的目的是校核构架疲劳强度，具体的校核方法：以工况三的一半及工况一、二之和计算平均应力，再分别以工况三的一半及工况四、五、六、七的均方根计算牵引工况的应力幅、以工况三的一半及工况四、五、八、九的均方根计算制动工况的应力幅。

在得到上述平均应力和应力幅后，依据95J01-L《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》的推荐，在我国当前无自己的疲劳极限图的情况下，参考采用0RE B12报告中的Goodman疲劳极限图，对构架强度进行校核。

4 计算结果分析

4．1组合载荷工况的计算结果分析

算例中4种组合载荷工况的最大von Mises应力及其出现的位置见表2。其中曲线通过工况情况最恶劣，最大von Mises应力为109．0MPa，其应力分布见图2。

表3列出了4种工况下变形的最大值及其出现的区域，其中紧急制动工况下的变形量最大，为O．526 mm。图3给出了该工况的变形云图。

组合载荷工况是对各种极限载荷情况进行模拟。考察构架是否有足够的静强度满足要求。文中构架的材料为16 MnR。16 MnR的屈服极限σa=225 MPa。强度极限σb=420 MPa，安全系数取1．65，许用应力[σ]=136．364MPa。上述强度计算结果中最恶劣工况的最大von Mises应力小于许用应力；最大变形量也满足设计要求，构架结构满足静强度要求。

4．2构架疲劳强度的校核

表4列出了平均应力出现峰值的区域、大小及两种应力幅在该区域的应力取值范围，表5、表6分别列出了牵引工况和制动工况两种应力幅出现峰值的区域、大小及平均应力在这些区域的应力值。另外表4、表5、表6中还给出了根据Goodman疲劳极限图得到的各平均应力所对应的应力幅极限值。

由表4、表5、表6可知，文中的机车转向架构架在各应力峰值出现处，牵引工况应力幅和制动工况应力幅的应力幅取值都低于这些区域的平均应力值所对应的应力幅极限，所以由模拟结果也可得到构架满足疲劳强度要求的结果。