1、地铁动力转向架构架结构疲劳强度分析摘 要构架是地铁转向架的承载骨架，其强度可靠性对转向架的安全运行有着重要的影响。本文根据焊接结构疲劳失效的特点，基于 DIN 15018-1 标准的焊接结构疲劳强度分析方法对地铁动力转向架构架结构进行疲劳强度分析，分析结果表明，该方法能准确地反映构架的疲劳强度储备情况，保证轻量化设计构架结构的疲劳强度，本文的分析对地铁转向架焊接构架设计具有一定的工程指导意义。 关键词地铁动力转向架 构架 疲劳强度 分析 中图分类号：U270.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0026-02 1 引言 焊接构架是地铁转向架的承载骨架，转向架的轮对
2、轴箱、悬挂系统、驱动装载、制动装置、牵引装置等均安装在构架上，构架的强度可靠性对列车安全运行起着重要的作用。因此，研究构架结构的疲劳设计对发展地铁转向架技术有着重要的工程意义。 目前，对地铁转向架焊接构架结构设计和强度分析主要采用 UIC 标准1和 EN2标准进行，结构疲劳强度分析采用 ERRI B12/RP173给出的方法实施，其基本原理是结构疲劳裂纹的扩展方向与最大应力方向相互垂直，且将多轴应力转化为单轴应力，利于 Smith 形式的 Goodman 疲劳曲线或者 Moore-Kommers-Japer 疲劳曲线进行评估。地铁车辆在线路上运行时，构架承担的载荷为随机载荷，在不同的运行条件下
3、，构架承担载荷的大小和方向随时发生变化。即使按照 UIC615-4 标准和/或EN13749 标准规定的计算载荷和载荷工况对构架应力分布进行分析，分析结果指出，结构同一位置在不同载荷工况下，结构的主应力的大小方向均发生变化，且构架多数区域的应力分布为多轴应力状态4-7。因此，合理处理多轴应力对焊接结构疲劳强度的影响具有重要的工程意义。本文针对焊接接头疲劳失效的机理，基于 DIN 15018-1 标准8对地铁转向架构架进行疲劳强度分析。 2 计算分析 2.1 计算模型 构架结构强度有限元分析使用 ANSYS 有限元软件在 DELL T7500 微机工作站上进行。构架结构离散为三维实体单元、牵引电
4、机质量离散为三维质量单元和一系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元。构架有限元模型由 1129834 个节点和 915008 个单元组成。其中：8 节点六面体和 10 节点四面体实体单元 914274 个、三维梁单元 350 个和三维弹簧单元 384 个。 2.2 边界条件 根据 EN13749 标准的规定确定构架结构、牵引电机、齿轮箱、基础制动装置、抗侧滚扭杆装置和一二系减振器安装座的计算载荷，共组成35 个载荷工况。 为了模拟安装在构架上的设备对构架作用力的真实情况，使用 ANSYS软件的 MPC 梁单元、三维梁单元和弹簧单元模拟一系弹簧悬挂、轮对轴箱装置、牵引电机、齿轮箱、抗侧滚扭杆装置和基础
5、制动装置在构架上的定位形式，获得构架在转向架运行载荷作用下的准确应力分布。 车体对构架的计算载荷分别作用于构架的二系悬挂系统和二系横向止挡区域，约束条件施加于轮轨作用点，保证与构架在运行中的受力状态一致。 地铁转向架的设计质量为 6300kg、设计轴重为 17t、轴距为2500mm、车轮名义滚动圆直径为？840mm。 2.3 制造材料 焊接构架结构由 Q345 系列的钢板焊接而成，Q345 钢板母材区域、低缺口效应焊接接头和高缺口效应焊接接头正应力的 Moore-Kommers-Japer疲劳曲线如图 2 所示。 根据 Von_Mises 变形能准则，无缺口母材的许用剪应力由无缺口母材的许用正
6、应力确定，且满足关系式： （1） 焊接接头的许用剪应力经过修正由焊接接头的许用正应力w确定，且满足关系式： （2） 3 结果分析 在 35 个疲劳载荷工况作用下，构架主体结构的最大 Von_Mises 应力为 211.57MPa，出现在构架侧梁中部安装空气弹簧钢管下端的内孔边缘；牵引电机安装座的的最大 Von_Mises 应力为 119.30MPa，出现在牵引电机安装座 L 型侧板下部的母材圆弧区域；二系横向减振器座区域的最大Von_Mises 应力为 177.07MPa，出现在与二系横向减振器座焊接的侧梁下盖板母材圆弧区域；齿轮箱吊挂座的最大 von_Mises 应力为 134.23MPa，
7、出现在齿轮箱吊挂座的母材圆弧区域；制动器吊挂座的最大 Von_Mises应力为 101.36MPa，出现在制动器吊挂座的母材圆弧区域；一系垂向减振器安装区域的最大 Von_Mises 应力为 182.22MPa，出现在一系弹簧定位截面的侧梁下盖板孔边的母材圆弧区域。 在 35 个疲劳载荷工况组成的相对于焊缝方向的应力循环中，相对于焊缝方向的单个平行于、垂直于焊缝方向的正应力和平行于焊缝方向的剪应力与对应的许用应力之比均小于 1.0。构架在 35 个疲劳载荷工况的载荷作用下，其应力分布为多轴应力状态，其最大值 1.0182 出现在侧梁下盖板与立板的连接焊缝区域，且小于 1.1。因此，构架的疲劳强
8、度满足EN13749 标准的要求。 4 结论 在焊接结构中，焊缝接头是焊接结构疲劳强度的薄弱区域，焊接接头的疲劳失效取决于焊缝区域应力的大小和方向，特别是垂直于和平行于焊缝方向的正应力以及平行于焊缝方向的剪应力。本文针对焊接结构疲劳失效的特点，基于 DIN 15018-1 标准给出的焊接结构疲劳强度评估方法，对地铁动力转向架的焊接构架进行强度分析，可以得出以下结论：（1）按照 DIN 15018-1 标准给出的焊接结构疲劳强度分析方法，地铁转向架构架的疲劳强度满足 EN 13749 标准的要求； （2）在多向载荷作用下，构架的应力分布为多轴应力状态，DIN 15018-1 标准给出的焊接结构疲
9、劳强度分析方法能有效地反映多轴应力对焊接接头疲劳强度的影响； （3）在多载荷工况下的构架疲劳强度分析中，每个载荷工况下，Von_Mises 应力最大大节点通常非构架结构疲劳强度的危险点，需对整个构架结构进行分析处理，才能找出结构疲劳强度的危险点。 参考文献 1 UIC615-4/2003. Powered Vehicles Bogies and Running Gear Strength Tests of Bogie FramesS. 2 EN13749-2011. Railway applications Methods of specifying structural requiremen
10、ts of bogie framesS. 3 ERRI（Europ？isches Institut fr Eisenbahnforschung）-Sachverst？ndigenausschlu？ B12. ERRI B 12 RP17.Gterwagen. Utrecht： Europ？isches Institut fr Eisenbahn- forschung.1997 4 米彩盈，李芾.焊接转向架构架疲劳强度评定的工程方法J.内燃机车，2002， （6）：11-14 5 张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析J. 机械设计与制造，2009， （1）：45-47 6 王文静，刘志明，李强，缪龙秀.CRH2 动车转向架构架疲劳强度分析J. 北京交通大学学报，2009，33（1）：5-9 7 冯大建.地铁车转向架构架的强度计算与评定J.现代设计与先进制造技术，2012，41（1）：29-32 8 DIN15018-1/1984.Cranes Steel structures Verification and analyses S.
