基于仿真试验平台的动车组枕梁优化研究.doc

1、1基于仿真试验平台的动车组枕梁优化研究摘要：文章针对某动车组枕梁在进行疲劳试验时出现了裂纹的问题，从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析。借助 ANSYS 软件及探伤检查等方法，对枕梁进行了优化设计和工艺控制，优化后的枕梁顺利通过了强度及疲劳试验。 关键词：仿真试验平台；动车组；枕梁优化；疲劳试验 中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0026-03 1 概述 高速舒适的动车组给旅客带来方便、快捷的同时，也向各零部件提出了更高强度和寿命要求。枕梁是车体底架与转向架连接的重要部件，受力较大，承担全车的重量，并通过心盘将重量传

2、给走行部，若在列车运行中出现裂纹以至断裂，将出现严重的后果。 为了保证枕梁的设计及制造质量，相关标准明确提出了在满足静强度试验要求的同时，要满足疲劳试验 1000 万次的要求。为适合城际和干线铁路低成本、制造简单的要求，某动车组采用了焊接结构的转向架枕梁。但在疲劳试验进行到 711 万次时，对枕梁进行磁粉探伤，在枕梁上盖板折弯区域距外边缘约 110mm 处出现了 10mm 长度左右的 裂纹。 2 裂纹原因分析 22.1 枕梁材料原因分析 枕梁采用铸件与钢板组合焊接而成，枕梁两侧端部的适配器为铸件，所用材料为 G20Mn5；枕梁中部采用钢板焊接箱型结构，钢板材料为Q345E。抗蛇形减振器座为铸件

3、，所用材料为 G20Mn5。牵引销为铸件，所用材料为 C 级钢。各零部件的力学性能如表 1。 枕梁试验结束后，切割了裂纹区域部分材料进行了材料力学性能、工艺性能检测和化学成分检测，发现铸钢件中 S、P 含量比标准中略高，对材料的焊接性能造成一定影响，另外由于未提前对枕梁进行射线探伤，不能确定深层材料中是否存在微裂纹。 2.2 仿真计算原因分析 2.2.1 计算方法。完成转向架枕梁三维设计之后，为了验证结构的安全性，采用有限元法，应用大型通用工程仿真分析软件 ANSYS-Workbench 进行仿真分析。计算中对模型进行有限元离散时采用三维实体单元 solid 92。该枕梁及与其配合的减振器座、

4、牵引中心销、抗侧滚扭杆和连接紧固件的总体有限元结构离散图如图 1 所示，整个模型共离散成 185510 个实体单元，341972 个节点。螺栓与枕梁、减振器座、中心销之间采用接触单元，以模拟其之间的装配关系。 2.2.2 边界条件。为尽量模拟真实的情况，在仿真计算时对枕梁相应位置施加一定的位移约束，具体位置如图 1 所示。在仿真计算中，在空气弹簧座部位施加垂向载荷，横向载荷分别施加在横向止挡座和空气弹簧座上，对中心销施加纵向冲击或牵引载荷，抗蛇形减振器在螺栓孔处施加纵向载荷。 32.2.3 载荷计算及工况。计算载荷及工况依据标准 TB/T2637-2008铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台 （以

5、下简称 TB/T2637-2008）和 UIC615-4动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验 （以下简称 UIC615-4） 。 2.2.4 计算结果。枕梁的刚度用其在刚度工况下枕梁的垂向变形值来校核，计算得到枕梁的变形最大值约为 0.31mm，位置为枕梁端部，见图 2。 由表 3 和图 2、3、4 可看出，在各载荷工况作用下，枕梁上的最大当量应力值均小于材料的许用应力，虽满足强度标准要求，但最大应力仍较高，且上盖板与下盖板组成比较刚度不协调，造成上盖板折弯处变形较大，适配座与中间箱型结构比较刚度不协调，造成上盖板拉应力较大。 2.3 工艺因素 北美铁路协会 AAR 的统计资料表明

6、，铸造缺陷是摇枕在运用中发生疲劳裂纹的主要原因。枕梁的制造工艺与其出现疲劳裂纹现象密切相关，对材料进行了化学成分检测之后，对焊缝也进行了检测，焊缝存在微裂纹，也存有少量未熔合、气孔等缺陷。 2.4 试验因素 枕梁静强度及疲劳试验在电液伺服疲劳时试验台上进行，枕梁的静强度试验包括超常载荷试验和运营载荷试验，超常载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载荷、模拟曲线运行载荷试验、调车冲击（5g 加速度）载荷、抗蛇形减振器载荷。运营载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载4荷、模拟曲线运行试验载荷、抗蛇形减振器载荷。枕梁的疲劳试验包括模拟曲线运行载荷试验、驱动载荷试验。 由于试验期间未对枕梁疲劳试验情况进行实时监

7、控，枕梁出现裂纹后对疲劳试验工装进行了检测，发现某螺栓有松动现象，在试验时易导致枕梁发生较大振动，增加了枕梁出现裂纹的概率。 3 枕梁优化方案 3.1 对枕梁料进行严格控制 首先对新枕梁原材料进行了多项材料性能检测及射线探伤，对其化学成分进行了分析，均无问题后，开始进行加工。每项加工工艺完成后按标准进行超声波探伤或磁粉探伤检查。 3.2 设计方案优化 改变原枕梁为上盖板与筋板相连的结构，改为下盖板与筋板相连的结构，利用 ANSYS 软件进行了刚度计算：优化后的枕梁刚度比原枕梁刚度更为协调。 完成静强度计算后，采用疲劳应力因数对枕梁结构的疲劳强度进行校核，参照 ORE B12/RP17（82）提

8、供的钢材疲劳极限图，利用模拟运营的各个载荷工况分别对枕梁关键的 22 条焊缝的应力因数进行分析，只有一条焊缝的应力因数为 0.791，应力等级为中级。其余各关键部位应力因数均小于 0.75，应力等级较低。 3.3 工艺优化 考虑到在加工枕梁上盖板的折弯时，枕梁材料内部容易出现微裂纹等多重因素，取消了枕梁上盖板的折弯，降低了工艺难度，同时对所有5的焊接接头按 EN15085 标准设计。在对新枕梁进行焊接之前，对作业环境进行了清洁，彻底防护有害灰尘、金属粉、油脂类以及湿气，并采用专用检测模具对物料进行了严格的检查，以保证装配尺寸，避免未焊满、余高过高、焊缝有效厚度不足等问题，另外用不锈钢丝刷打磨待

9、焊部位，清除了氧化膜。在严格按照图纸规定的焊接方法进行焊接时，也采取了一系列措施保证了焊接质量：如在用砂轮机清根和清除焊接缺陷时，保证焊接部分不被油脂等污染；使用等离子进行表面切割，充分去除表面氧化物；注意弧坑部的填补，若出现弧烧必须进行重新焊接。 焊接完毕后，对焊缝区域进行了高速打磨，并进行了 RT 探伤（射线探伤）检查，若有缺陷再进行焊接修补，然后重新进行 RT 检查，直至合格为止。 3.4 试验优化 在对新枕梁试件进行静强度与疲劳试验期间，多次检查试验状况，保证试验期间试验台及其工装无问题，无螺丝松动，保证了测试数据的正确性。 4 结语 从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹

10、的原因进行分析，并有针对性地对枕梁进行了优化设计。经 ANSYS 软件验证，新枕梁强度比原枕梁大幅降低，满足相关强度及疲劳标准要求后进入采购生产制造周期，在关键阶段对物料和焊缝进行探伤检测，保证了新枕梁的生产质量。经过上述优化方案，在静强度试验中新枕梁的应力值远小于许用应力，且在 1000 万次的疲劳试验未出现裂纹，顺利地通过了型式6试验。 参考文献 1 萱士鸿.25T 型客车车底架枕梁结构的改进J.机械 工程师，2007， （5）. 2 动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试 验（UIC615-4）S. 3 铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台（TB/T2637- 2008）S. 4 动力转向架构架强度试验方法（TB/T2368-2005） S. 5 王丹丹.转 K6 转向架摇枕载荷谱测试与疲劳寿命评估 D.北京交通大学，2007. 6 任良军，韩志卫，胡寻新.300km/h 动车组枕梁、牵 引梁三角补强焊接工艺J.机车车辆工艺，2011， （3）30-31. 基金项目：铁道部科技项目（项目编号：2012J003-C） 作者简介：张相宁，男，河北辛集人，唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心工程师，工学硕士，研究方向：轨道车辆仿真计算。