客车转向架构架结构强度仿真计算分析及优化

摘要： 为了得到精确数值解，根据UIC515-4 确定的构架强度计算载荷工况，利用大型有限元分析软件ANSYS对客车焊接结构转向架构架进行了有限元计算分析，并根据静强度计算结果对构架结构进行了优化。

关键词：转向架构架；仿真计算；静强度

【分类号】U260.331

1 前言

随着铁路运输速度的快速发展，转向架的安全性能也越来越重要。为保证转向架在正常运行中的安全可靠性能，设计之初对转向架构架及其关键受力件进行强度和刚度校核分析显得尤为重要。本文采用有限单元法，对其进行计算分析，并根据计算结果，对构架结构进行适当的优化和改进。

2 转向架主要技术参数及结构特点

本客车转向架系宽轨转向架系列，其轨距为1676mm。转向架构架为整体焊接结构，其构架为“H”型结构，主要由侧梁、横梁、制动吊座、横向止挡座及牵引拉杆座、减振器座等部件组成。其中，横梁采用热轧无缝钢管；侧梁和纵向梁采用不同厚度的钢板组焊成箱型结构梁，其内部适当位置布置有筋板；横向止挡则主要由立板和挡板组成；而牵引拉杆座、定位转臂座、垂向止挡座均为锻造加工件，并通过焊接与构架连接在一起。客车转向架构架各钢板所用材料为Q345-E，其余部位所用材料为Q345-D。

图2-1 构架总体结构

3 转向架构架上的载荷及计算工况

根据标准UIC515-4《客运车辆转向架―走行部转向架构架结构强度试验》（以下简称UIC515-4）规定，作用在转向架构架上的载荷主要包括超常载荷和正常运营载荷。

考虑超常载荷作用主要是考察转向架在运用过程中最大超常载荷作用下，构架不会发生永久变形，对构架的静强度进行考核。超常载荷作用下的计算工况如表3-1所示。考虑模拟运营载荷主要是考察转向架在实际运营载荷作用下，构架不会出现疲劳裂纹，对于构架的疲劳强度进行考核。正常运营载荷作用下的计算工况依据标准UIC 515-4确定。

表3-1 超常载荷作用下的计算工况表

超常载荷工况 构架每侧的垂向载荷 横向载荷（kN） 其它超常载荷（kN） 备注

空簧座 横向止挡

刚度工况

1

纵向冲击载荷 校核牵引拉杆座强度

2

10‰线路扭曲载荷

3

一个轮脱轨 脱轨条件模拟（空车状态）

4 转向架构架的有限元分析

4.1 构架有限元模型

由于该转向架构架主要是薄板组焊而成，所以在离散时主要采用空间弯曲板壳单元离散，而牵引拉杆座和定位转臂座等由锻造加工而成的实体结构，在离散时采用三维实体单元。为了增加计算精度，壳单元采用四边形4节点等参元，局部采用三角形单元进行过渡；实体单元则采用了六面体8节点实体等参元。

4.2 刚度计算工况分析结果

在垂向超常载荷作用下，构架侧梁下盖板中心线相对两轴箱弹簧支承点中间处的最大垂向挠度为2.459mm，变形相对较小，刚度分布均匀。

图4-1 垂向超常静载作用下构架的变形云图

4.3 静强度分析结果

在超常载荷作用下，工况1的最大当量应力值为222.1，出现在牵引拉杆座上过渡圆弧处；工况2的最大当量应力值为222.8，出现在横向止挡座与侧梁间的连接立板上；工况3的最大当量应力值为283.8，出现在转臂座上过渡圆弧处。在超常载荷工况作用下，构架上各节点的最大当量应力值均小于材料的许用应力345MPa。转向架构架满足强度要求。

在模拟运营载荷作用下，焊缝区最大当量应力值为183.7MPa，出现在定位转臂座与侧梁下盖板焊缝连接处，小于材料焊缝区许用应力209MPa；母材区的最大当量应力值为211.6MPa，出现在定位转臂座立板圆弧区域，小于材料母材区许用应力230MPa。由计算结果可以看出，在模拟运营载荷工况下，无论焊缝区和母材区，各个载荷工况作用下构架的最大当量应力值均未超出模拟运营载荷工况下静强度许用应力值，满足强度使用要求。

4.4 疲劳强度分析结果

依据EN15085-3-2007《铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接》的要求，对转向架构架关键焊缝的应力因数进行计算分析。根据结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直这一显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值。由修正的Goodman疲劳曲线确定相应的许用应力，根据计算出疲劳应力值和许用疲劳应力值之比得出焊缝（或母材）的应力因数。最终依据EN15085-3-2007相关规定对其应力因数等级进行评定。

疲劳强度计算结果显示构架横梁与侧梁内立板的焊接区域应力因数为0.78，应力等级较高，建议在此部位增加补强。经过反复验证最终确定在侧梁内外两侧立板内侧补焊8mm后的加强垫板。改进后此部位疲劳因数仅为0.49，应力等级大大提高。

5 结论

经过对转向架构架结构进行有限元计算分析，并做了相应的结构优化之后，基本得出如下结论：

（1）转向架构架在垂向超常载荷作用下的垂向最大变形量出现在构架侧梁下盖板中心线处，其相对两轴箱弹簧支承点中间处的最大垂向挠度为2.459mm，变形相对较小，刚度分布均匀。

（2）在超常载荷作用下，转向架构架在不同组合工况下的最大应力为283.8MPa，小于材料的许用应力（非焊缝区）345MPa，满足强度设计要求。在运营载荷作用下，转向架构架在不同组合工况下的最大应力为211.6MPa（非焊缝区）和183.7MPa（焊缝区），其值均小于材料的许用应力值230MPa（非焊缝区）、209MPa（焊缝区），故满足强度设计要求。

（3）构架横梁与侧梁内立板的焊接区域应力因数为0.78，应力等级较高，经优化后此部位疲劳因数仅为0.49，应力等级大大提高。

参考文献：

[1]UIC 515-4《客运车辆转向架-走行部转向架构架结构强度试验》.

[2]EN 15085-3-2007《铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接-第3部分：设计要求》.

[3]UIC 515-1《客车车辆-从轮转向架-走行装置-适用于从轮转向架部件的一般规定》.

[4]米彩盈， 李蒂. 高速动力车转向架焊接构架优化设计[J]. 机车电传动，2005，1：46-49.

作者简介：米莉艳，女，工学硕士学位，工程师，主要从事轨道车辆强度仿真分析工作。曾参与多个车辆转向架和安装设备支架仿真计算工作。