（光学工程专业论文）200kmh电力机车转向架构架结构强度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的发展和科学技术的进步，高速列车在我国的广泛应用已 成为现实。转向架构架是高速机车最关键的部件之一，其性能对机车的走行 品质和安全性具有重要影响，对构架结构进行详细的有限元分析并对其力学 性能进行评定，在此基础上对构架的设计计算理论进行探索，对推动我国高 速铁路的发展具有重要意义。 本文利用大型通用有限元软件a n s y s 对2 0 0 k m h 转向架构架进行了有 限元分析，分析结果参照我国的现行标准对构架的静强度和疲劳强度进行评 定，同时，对构架进行模态分析，研究并评定了模态分析的结果。在此基础 上，分析了我国转向架构架设计计算规范的现状，通过比较分析，指出了用 现行规范作为计算规范的不足之处，探讨了制定我国的转向架构架设计计算 规范的必要性。本文得到的结论，对转向架构架的设计和计算具有借鉴和参 考价值。 关键词：高速机善转向薪构窠f ；限芜各析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n da d v a n c ei ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fh i 曲s p e e dt r a i ni nc h i n ah a sb e c o m e r e a l i t y a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tn e c e s s a r yp a r to fh i g hs p e e dl o c o m o t i v e ，t h e b o g i ef r a m e sp r o p e r t yh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nr u n n i n gq u a l i t y a n ds a f e t yo f l o c o m o t i v e o nt h eb a s i so f m a k i n g d e t a i l e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a n d a c c e s s m e n to fi t sm e c h a n i cp r o p e r t y , t h ed e s i g nt h e o r yo ff r a m eh a sb e e n p r o b e d s u c hw o r ki so fm o m e n t o u ss i g n i f i c a n c ei np u s h i n gf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to f h i g hs p e e dt r a i ni nc h i n a t h e l a r g e s c a l ea n dg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f c w a r e a n s y si se m p l o y e d t oa n a l y s et h ef r a m eo fl o c o m o t i v ei ns p e e do f2 0 0 k m hb y f e a a c c o r d i n g t ot h e a n a l y t i c a lr e s u l t s ，t h es t a t i cs t r e s sa n df a t i g u es t r e s so ff r a m ea r ec h e c k e di nt h e l i g h to f c u r r e n tc r i t e r i o n s a tt h es a m et i m e ，t h em o d ea n a l y s i so ff r a m ei sm a d e a n dt h er e s u l t sa r e a n a l y s e d b a s e do ns t u d y i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f c o d e sf o r d e s i g no nb o g i ef r a m e ，t h ed e f i c i e n c i e si nc u r r e n tc o d e sa r ep o i n t e do u ta n dt h e n e c e s s i t yf o rf o r m u l a t i n gc o d ef o rd e s i g na n dc a l c u l a t i o no fb o g i ef r a m ei sa l s o d i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sd r o w ni nt h i st h e s i sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rd e s i g n a n dc a l c u l a t i o no f b o g i ef r a m e k e yw o r d s ：h i g hs p e e dl o c o m o t i v e ，b o g i e ，f r a m e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 西方发达国家为了适应社会经济发展的需要，从2 0 世纪6 0 、7 0 年代起 起相继大力发展高速铁路，并研制出了多种模式的高速列车，其中比较有代 表性的有：德国的i c e 列车、法国的t g v 列车，英国的a p t 列车及日本的 新干线高速列车等。近四十年的运营证明，上述高速铁路带来了巨大的经济 效益和社会效益，缩短了地区与地区间的运行时间，大大提高了运能，充分 发挥了铁路的运营潜力，大幅度提高了铁路同公路运输、航空运输及水路运 输等运输方式的竞争力，为铁路运输业提供了全新的发展平台，推动了铁路 运输业的快速发展。与此同时，高速铁路的发展也成为推动铁路科技事业发 展的强大动力，引发了多项革命性突破，形成了铁路运输业和铁路科技事业 相互促进的良好发展态势。因此，高速铁路既是世界各国铁路未来发展的潮 流和必然趋势，也是铁路事业的主要研究课题和发展方向。随着我国改革的 深入，我国的国民经济将得到飞速发展，综合国力空前提高，经济的发展必 然对传统的铁路运输提出新的、更高的要求：即更快的运输速度、更大的运 输能力、更高的安全性和可靠性，而这些恰恰是传统的铁路运输所无法满足 的。由此可见，高速铁路在未来一个时期内也将在我国取得较大的发展。 高速铁路是一个涉及多学科的系统工程，其中高速机车在高速铁路技术 中占有十分重要的地位。而高速机车转向架是高速列车最主要的部件之一， 其性能直接与列车的安全性、可靠性、舒适性、环保性密切相关，因此高速 机车转向架技术是高速列车的关键技术之一。随着我国铁路列车的不断提速 和准高速列车的正式上线，对高速机车转向架的不断深入研究就成为一项非 常重要的课题。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1国内外高速机车( 含动力车) 转向架构架设计与分析现状 已研制的高速机车转向架分2 7 0 k m h 、2 5 0 k m h 和2 0 0 k r n h 等速度等级 的产品，其中2 7 0 k _ m & 速度等级的产品一“中华之星”正在试验期，2 5 0 1 m a h 等级的产品仅做了二台样机和一个试验构架，而2 0 0 k m h 速度等级的产品有： 蓝金、中原之星和奥星等，但投入商业运行的时间均不长。这些机车转向架 构架的设计均是先进行结构设计，再依据t b 厂r 2 3 6 8 9 3 内燃、电力机车转 向架构架静强度试验方法或( ( 2 0 0 k m h 及以上速度级铁道车辆强度设计及 试验鉴定暂行规定( 以下简称暂规) 的方法计算载荷，然后利用有限元技 术进行强度计算，求得不同工况下的应力，从理论上验证构架的静强度和疲 劳强度是否满足要求。可以说，我国高速机车转向架的开发正处于初级阶段。 国外对构架的设计很重视，以法国t g v 的研究为例，他们在设计研究 上经历了三个阶段，( 1 ) 通过线路上的若干次试验，测出构架上的各种载荷、 应力和加速度；( 2 ) 运用有限元软件建立计算模型并计算构架的应力，其重 要计算点与测试点一一对应；( 3 ) 通过计算和试验，获取与构架生产使用的 材料和各种焊接方式相一致的疲劳极限图，作为评定的依据。 构架的计算模型采用壳单元，计算工况分为二类：一类为正常工况，包 括：模拟直线、曲线、浮沉、侧滚和线路扭曲等；另一类为特殊工况，包括 超载、碰撞、脱轨和紧急制动等。对计算模型施加的载荷分为外力和内力两 类，外力是指车辆行驶时直接产生的力，即构架载荷产生的垂向力、车辆在 曲线上行驶和车辆通过线路特定点时产生的横向力、车辆通过扭曲线路而产 生的作用力。内力是指固定在构架上的部件产生的力，如牵引电动机、基础 制动装置和减振器等。最后以e r r i b l 2 委员会确定的r p l 7 曲线来评定构架 是否通过计算。同时他们还对对接焊、角焊及凸件和板件间的焊接进行专门 研究。 可见，国内外都重视对构架的研究，国外的研究不仅重视理论分析，更 重视实际工况的研究。我国的研究正处在初级阶段，研究的重点是结合试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 工况对构架进行理论分析计算，并以此判断构架设计的合理性。 1 2 选题背景与意义 中国北方机车车辆集团公司为了适应我国铁路“十五”发展需要，提高 集团技术水平，缩短同世界先进水平的差距，满足京沈高速客运专线的需求， 开展了一个全新科研项目2 0 0 k n l i l 电力机车研制。由于我国对这一速度 等级的转向架构架研究不够，设计经验不足，使用经验更少，因此必须对这 一构架进行深入的研究。 进行这种研究意义重大，一方面在确保产品安全可靠上进行理论研究， 可使产品设计的安全性和可信度大大提高，也可有效杜绝批量返修给国家带 来的巨额损失；另一方面为我国高速转向架构架设计积累经验，对提高我国 高速车构架设计水平起到推动作用。 1 3 本论文拟开展的主要工作 对2 0 0 k m h 电力机车转向架构架，进行有限元计算对其进行强度评定 并对我国转向架构架设计规范进行探讨。具体有： ( 1 ) 建立构架分析计算有限元模型。 ( 2 ) 确定计算载荷和计算工况。 ( 3 ) 结果分析和强度评定。 ( 4 ) 构架结构的模态分析。 ( 5 ) 构架设计计算规范探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章构架的有限元分析 2 0 0 k m h 电力机车转向架为架悬式结构，转向架结构特点如下：构架为 封闭箱形梁组成的“日”字型结构，由于构架有中间横梁，大大提高了构架 的各向刚度，同时方便实现驱动装置的架悬；轮对采用整体辗钢车轮和空心 车轴，这有利于减轻簧下质量，整体车轮的采用还大大提高了机车的安全性： 传动装置为六连杆空心轴传动装置，驱动装置悬挂为架悬，有利于实现传递 扭矩和相互间运动的解耦，有效降低牵引电机的振动，有效地减小簧下质量， 减小轮轨动作用力，提高机车的安全性和舒适性；一系悬挂采用单侧带橡胶 关节的拉杆和螺旋弹簧串联单橡胶垫结构、二系悬挂采用高柔螺旋弹簧串联 双橡胶垫结构，有利于实现一、二系悬挂各向刚度的匹配；转向架装有一系 垂向减振器、二系横向、垂向和抗蛇行减振器，有利于提高机车的稳定性； 牵引装置为中间推挽式水平低位牵引杆，有利于牵引力的发挥并有利于各向 图2 - 12 0 0 k m h 电力机车转向架立体图 运动间的解耦；基础制动采用轮盘制动，有利于保证机车在规定的制停距离 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 内停车。另外转向架上还装有踏面清扫器、速度传感器、轴承测温装置、网 侧回流装置以及各种限位止挡等。如图2 一l 、2 2 所示。 图2 - 22 0 0 k m h 电力机车转向架总图 2 1 构架的结构形式 构架为封闭箱形梁组成的“日”字型结构，由两根对称布置的鱼腹形侧 梁，一根承担转向架一侧驱动装置三分之一重量的的下凹箱形前端粱即端 梁，一根既承担转向架另一侧驱动装置三分之一重量，又承担机车牵引力或 制动 圈2 - 3 构架的结构形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 力的下凹箱形后端梁即牵引端梁，以及一根承担两组驱动装置三分之二重量 的箱形变截面中间横梁焊接而成，如图2 3 所示。构架材质为1 6 m n 钢板。 构架的主要技术参数为：轴距2 6 5 0 m m ；构架总重1 8 t ：构架总长 4 6 l o m m ，构架总宽2 3 5 0n u n 。 2 1 1 侧梁结构 构架的侧梁一般在条件允许的情况下均采用等强度梁，其截面则根据不 同位置的具体受力情况设计为变截面梁体，使梁体各处截面上的应力基本一 致。等强度梁虽然形状复杂，对制作工艺要求较高，但它具有受力合理、材 料利用率高、重量轻等突出优点，因此得到了广泛应用。 侧梁为下凹鱼腹形箱型梁体，其上盖板上有二系簧座、横向止挡座、摇 头止挡座等，下盏板上有一系簧座、轴箱拉杆座等。上、下盖板厚为l o m m ， 内、外立板厚为8 m m ，在梁体内的适当部位设置厚度为6 m m 的钢板作为内 部筋板。梁体截面尺寸为：中部高度为3 5 0 m m ，端部高度为2 2 2 m m ，粱体 主宽为3 0 0 m m ，总长为4 0 4 6 m m 。 2 1 2 端梁和牵引端梁结构 为了便于实现低位牵引的布置，端梁和牵引端梁采用基本相同的结构形 式，均选用下凹鱼腹形箱型梁体，其上设有轮盘制动吊座和电机悬挂座等， 并且由于牵引端梁与牵引装置相连而采取了补强措施，上盖板厚均为1 0 m m ， 下盖板厚均为1 4 m m ，内外立板为8 m m ，内部设置厚度为缸蛆的筋板，以 提高梁体的抗扭刚度。梁体中部高为2 1 4 m m ，端部高度为2 2 6m m ，宽为 3 0 0 m m 。长为2 3 5 0 m m 。 2 1 3 中间横梁结构 中间横梁具有增强构架的整体性，提高构架的整体抗变形能力和抗扭刚 度等重要作用。构架横梁采用两端逐渐变大直箱形结构，其上设有电机悬挂 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 座，两端与侧梁相连，上、下盖板厚1 0 r a m ，内外立板厚为8 m m ，内部筋板 厚为6 m m 。梁体高为2 2 6 m m ，中部宽为3 0 0 m m ，长为1 7 5 0 m m a 2 2 有限元分析软件功能简介 构架作为高速机车最关键的部件之一，受力复杂，精确分析其在多种载 荷条件下的受力状态是进行构架研制与设计的基础。因此，应尽量选用能够 模拟构架的真实结构和真实受力情况的分析方法，从而进行构架的强度、网0 度振动特性的评定，并据此为优化设计提供依据。 本文选用a n s y s 软件对构架进行有限元分析。a n s y s 软件是a n s y s 公司于2 0 世纪7 0 年代开发的工程分析软件，经过近3 0 年的不断完善和发 展，目前a n s y s 己成为多用途的大型分析软件，其功能在全世界范围内得 到了普遍认同，是应用最为广泛的有限元通用分析软件之一，现已广泛应用 于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、国防军工、 土木工程、造船等一般工业及科学研究领域。a n s y s软件融前、后处理 与分析求解为一身，能够真实模拟结构在复杂载荷及约束条件下的力学行 为，并进行结构的优化设计，功能十分强大。 a n s y s 软件主要包括：前处理、后处理、实体建摸、大应变有限转动、 扩展的宏命令、高级图形处理及设计优化等功能。能够进行结构分析、电磁 场分析、计算流体动力分析、非线性分析、接触分析等多种分析，可以浮动 运行于从p c 机、n t 工作站、u n i x 工作站直至巨型计算机的各类计算机及 操作系统中，数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。a n s y s 软件操作和使用方便，用户界面良好，易学易用并且具有强大的前、后处理 功能。它主要包括三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) 、分析求解模块 ( s 0 l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块为一个强 大的实体建模和网格划分工具，通过该模块用户可以建立需研究的工程有限 元模型。分析求解模块可以对已建立的模型施加载荷及边晃条件并进行有限 元求解，该模块可以完全真实地模拟结构实际的受力及边界条件。后处理模 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 块用于获取计算结果并对其进行处理，据此可以对结构进行评价。 传统的产品设计与研发流程为：设计一试制一试验一制造一使用一改进 设计一再制造，不仅研发周期长，而且浪费大量的人力、物力，研发费用高 昂。而运用a n s y s 有限元分析软件可以对产品性能进行仿真分析，及时发 现设计问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率，在这方面 a n s y s 具有突出的优势。 综上所述，a n s y s 软件能够满足对构架进行有限元分析的要求，因此 选用该软件对构架在多种工况下的力学行为进行研究。 2 3 构架有限元分析模型的建立 2 3 1 构架有限元模型 构架的有限元模型的建立力求反映主要承载结构，以真实再现其实际的 受力状态为原则，依据构架的技术设计图纸建立实体模型。综合考虑整体的 计算精度及计算量，选取构架整体作为分析模型进行离散化。有限元模型建 立过程中对非承载结构进行了简化，如模型中没有摇头止档、横向止档等， 轴箱拉杆座、轮盘制动吊座等也做了适当的简化，构架实体模型如图2 - 4 所 示。经验表明，上述简化处理后，计算精度能够得到保证。考虑构架模型的 实际组成情况，计算主要采用壳单元、三维实体单元和弹簧单元建模，有限 元模型的离散化由自动控制和人工控制相结合，采用映射网格和自由网格两 种网格生成方式。整个计算模型共离散出单元1 3 8 6 5 个，节点1 2 7 9 2 个。其 有限元模型离散情况如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 匿二一。构架结构模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 5 构架有限元模型 一 亘查奎望奎兰堡主堑塞皇兰垡笙窒 蔓! ! 垩 _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - j _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - - i l _ _ _ _ _ 一 一 2 3 2 边界条件的确定 在进行有限元分析时，边界条件的确定对计算结果的影响很大，若处理不 当将会引起较大误差，因此应按实际情况对约束条件进行真实的模拟。构架计 算时，在不影响应力分布的情况下，本着使约束与实际情况相一致并突出主要 约柬的原则，对约束进行了适当简化。在构架主动施力处施加载荷，被动受力 处施加约束。计算分析时，一系簧由三个方向的弹簧模拟，即分别有垂向( z 方向) 、横向( y 方向) 和纵向( x 方向) 的弹簧；为了真实地模拟牵引工况， 建模时考虑了牵引座和牵引杆，并在牵引杆上施加纵向( x 方向) 约束。 2 4 载荷模式的确定 2 4 1主要设计参数及原始数据 构架的主要设计参数及原始数据如表2 1 所示。 表2 12 0 0 k m h 机车转向架( 架悬) 结构及牵引性能参数 序号项目名称数值 1最大运行速度2 0 0k r n h 2起动牵引力2 6 4 k n 3持续牵引力2 3 0k n f4制动盘摩擦半径4 6 6 m m 5摩擦系数0 3 5 6紧急制动时制动盘压力3 3 3 i d 町 7益线通过半径3 0 0 m 8曲线运行速度7 4 k m h 9轴式 b n - b o l o轴距2 6 5 0 m m 1 1 轮径1 2 5 0 m m 1 2车钩牵引点高8 8 0 1 0 m m 1 3 转向架牵引点高1 9 8 m m 1 4 牵引杆的水平夹角 5 。 1 5机车总质量8 2 t 1 6轴重2 0 5 t 1 7 转向架质量( 含电机)1 6 t l s驱动单元质量 3 3 t 1 9 每个一系簧垂向刚度1 1 9 9 8k n m m 2 0 每个一系簧横向刚度2 4 3 9k n m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 2 计算载荷 机车运行时，作用在构架上的载荷可以归纳为静载荷和动载荷两大类。 2 4 2 1垂赢静载荷 这类载荷在运行中具有不变的数值和方向，主要包括： ( 1 ) 机车上部质量( 包括车体和车内设备等质量) ； ( 2 ) 构架自重以及安装在构架上各种装置( 如基础制动等) 的质量。 2 4 2 2 动载荷 运行中产生的载荷，其方向和大小都随时间而变化，这类载荷包括： ( 1 ) 由于车体振动产生的附加垂直动载荷； ( 2 ) 机车牵引运行时作用在构架上的纵向力； ( 3 ) 机车通过曲线时作用在构架上的侧向力； ( 4 ) 牵引电动机作用于构架的振动载荷以及工作时反扭矩或电制动反 扭矩作用于构架的载荷； ( 5 ) 制动工况下作用在构架上的力： ( 6 ) 由于缓和曲线上超高以及线路不平顺或其他原因使构架产生的扭 曲力。 构架的受力示意图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 构架受力示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 凡一一构架一侧垂向静载荷( k n ) 。 ( 2 ) 纵向载荷 包括作用在轴箱拉杆座上的起动牵引力、持续牵引力和制动力。当模拟 营运纵向载荷选取时，起动工况取最大起动牵引力；曲线通过取持续牵引力； 制动工况取紧急制动力。 驱动装置反力和制动力计算略。 2 5 构架载荷工况的确定 为了分析构架在各种不同载荷组合情况下的力学特性，给构架试验提供 选点依据，并且与试验值进行对比分析，构架的有限元分析按两组计算工况 即组合计算工况和与试验验证的计算工况进行。构架受力示意图如图2 - 6 所 示，示意图中坐标系满足右手法则，x 正向为机车前进方向，y 正向为机车 的左侧，z 正向垂直向上，受力符号及箭头仅表示载荷性质( 垂向、纵向和 横向) 和在构架中的大致作用位置。 2 5 1 组合计算工况( 静强度评定) 根据上述基本载荷，综合考虑构架的实际受力情况，设计了5 种模拟实 际运行的计算工况。各工况的载荷情况、作用位置和值的大小如表2 2 所示， 各工况的简要说明如下。 ( 1 ) 工况l ：垂向静载工况 考虑机车落车后静止状态下的构架受力情况。 载荷：见表2 2 。 约束：一系弹簧约束。 ( 2 ) 工况2 ；起动牵引时牵引杆受压工况 考虑机车起动牵引状态下牵弓l 杆受压时的构架受力情况。 载荷：见表2 2 。 约束：一系弹簧约束和牵引座处的纵向约束。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 ( 3 ) 工况3 ：起动牵引时牵引杆受拉工况 考虑机车起动牵引状态下牵引抨受拉时的构架受力情况a 载荷：见表2 2 。 约束：系弹簧约束和牵引座处的纵向约束。 ( 4 ) 工况4 ：曲线通过牵引工况 考虑机车在曲线上持续牵引状态下的构架受力情况。 载荷：见表2 2 ，横向力取最大值f v = 2 3 7 5 k n 。 约束：系弹簧约束、牵引座处的纵向约束和轴箱横向止档座上约束。 ( 5 ) 工况5 ：曲线通过紧急制动工况 考虑机车在曲线上紧急制动状态下的构架受力情况。 载荷：见表2 - 2 。 约束：一系弹簧约束、牵引座处的纵向约束和轴箱横向止档座上约束。 表2 2 组合计算工况 计算工况载荷名称符号作用位置数值k n备注 f ：l ( f z 2 t 工况1 二系承载二系弹簧座 6 2 5 f ：i = 1 2f ： 如，f 。) 垂向静载端粱承载f ，s端粱中部 一1 1 f ，。= f ， 工况牵引端梁垂向承载 f ，。牵引端梁中部 1 1 f ，产f 1 ， 横粱承载 f d ( f ：t ) 横梁悬挂座- 2 2f = l ，2f ： f ：l ( k ， 二系承载二系弹簧座6 2 5 f ：l = 1 2f ： k ，l ) 端梁承载f ，。端粱中部 1 l f d = f ， 工况2 牵引端梁承载f ，5牵引端梁中部 1 1 f ，= f ， 起动牵引 横梁承载 f i ( f z 7 )横梁电机悬挂座 2 2 f f ：1 2f ： 时牵引杆 端粱垂向附载f 五端梁中部2 0f 。位置 牵引端粱垂向附载 f d牵引端粱中部 2 0f d 位置 受压工况 2 0k 位譬 横粱承载垂向附载f ( e 7 )横粱电机悬挂座 2 0 f 。位置 k ( k ， 起动牵引力轴箱拉杆座3 3 如，f 。) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 f ：l ( f z 2 ， 二系承载二系弹簧座 6 2 5 f z j = 1 2f ： 如，f z 4 ) 端梁承载 f z 8 端粱中部 1 1 f ：s = f ： 工况3 牵引端梁承载k牵引端梁中部 1 1 f z 5 = f ： 起动牵引 横梁承载f ( f ：7 )横梁电机悬挂座 2 2 氏= 1 2f 。： 时牵引杆 端梁垂向附载f 硼端梁中部 2 0 k 位置 受拉工况 牵引端梁垂向附载f ，5牵引端粱中部 2 0l 位置 2 0 f 。位置 横梁承载垂向附载 f ：6 ( f z 7 ) 横梁电机悬挂座 2 0 f 。位置 f 。i ( f x 2 ， 起动牵引力轴箱拉杆座3 3 f d ，f ，4 ) f 2 ( f z 2 ， 二系承载二系弹簧座8 1 2 5 k f l 3 f n tf a ) 端梁承载 f ，r端梁中部 2 7 5 k d = 2 5 牵引端梁承载 牵引端梁中部- 2 5 k d = 2 5 横梁承载 f n ( f z 7 )横梁电机悬挂座 5 5 = 2 ，5 端梁垂向附载 f ，r 端梁中部1 7 4 f 。位置 工况4 牵引端梁垂向附载 f ，牵引端梁中部 1 7 4 k 位置 曲线通过 - 1 7 4k 位置 牵引t 况 横梁承载垂向附载k ( f z 7 )横粱电机悬挂座 1 7 4 f 2 ，位置 f 。i ( f x 2 ， 持续牵引力轴箱拉杆座2 8 7 5 f x 3 f ，4 ) f y z ( k ， 1 8 7 5 f v i = l 姐艺 f f “)f v i 横向力二系弹簧座 f y l ( k ， - 2 3 7 5 f ，1 2 1 4 艮，f )f v ， ( 屯， 二系承载二系弹簧座8 1 2 5 k d = 13 f d ，f z ) 端梁承载f ，i端梁中部- 2 7 5 k d = 2 5 牵引端粱承载 k 牵引端梁中部 - 2 7 5 心- 2 5 工况5 横梁承载f d ( f z ，)横梁电机悬挂座- 5 5 k = 2 5 曲线通过 紧急制动力 f x i ( f x 2 ， 轴箱拉杆座_ 8 7 紧急制动 f r 4 ) 工况 f y - ( f y 2 ， 1 8 7 5 f v l = l 珥 f v 3 ，f “)f vt 横向力二系弹簧座 f y - ( ， - 2 3 7 5 f y t = i 4 k ，f v ) f ” f d 。f z m牵引埔粱制动座- 1 1 7 制动座反力 f z l l ，f z l 2端粱制动座1 1 7 注：表中数值前的正负号表示力的作用方向，其正向以图2 中的坐标系为准。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第i 7 页 2 5 2 与试验验证的计算工况( 疲劳强度评定) 为了通过试验验证有限元分析结果的准确性，根据t b t 2 3 6 8 9 3 内燃、 电力机车转向架构架静强度试验方法规定的试验项目，设计了7 种模拟试 验计算工况。各工况具体载荷情况、作用位置和值的大小如表2 3 所示，各 工况的简要说明如下。 ( 1 ) 工况6 ：二系承受垂向静载工况 载荷：见表2 3 。 约束：一系弹簧约束。 ( 2 ) 工况7 ：端梁、牵引端梁及横梁承受垂向静载 载荷：见表2 3 。 约束：一系弹簧约束。 ( 3 ) 工况8 ：电机反扭矩垂向附载工况 载荷：见表2 3 ，取起动牵引时附载。 约束：一系弹簧约束和牵引座处的纵向约束。 ( 4 ) 工况9 ：单牵引工况 载荷：见表2 3 ，取起动牵引时载荷。 约束：一系弹簧约束和牵引座处的纵向约束。 ( 5 ) 工况l o ：横向承载工况 载荷：见表2 3 ，横向力取最大值f y l = 2 3 7 5 k n 。 约束：轴箱横向止档座上横向约束。 ( 6 ) 工况“：制动载荷工况 载荷：见表2 3 。 约束：一系弹簧约束。 ( 7 ) 工况1 2 ：构架扭曲工况 载荷：见表2 3 。 约束：构架对角轴箱处加高1 0 m m 加z 向约束，使构架受扭。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l8 页 表2 3 试验验证工况 计算工况及载荷名称符号 作用位置数值k n备注 工况6 f 。i ( f z 2 ， 二系弹簧座6 2 5 f ：产1 2f ： 二系承受垂向静载 ，f ：4 ) 工= 况7 f d ( f z 8 ) 两端粱中部一1 1 匕= i 2f ： 端梁、牵引端粱及横 f “( f z 7 ) 横梁电机悬挂座2 2 f z 6 = 1 2f ： 梁承受垂向静载 起动牵引时 k 牵引端梁中部2 0 k 位置 起动牵引时 工况8k 端粱中部2 0 f ：。位置 电机反扭矩垂向附 起动牵引时 载 f ：6 横梁电机悬挂座2 0 k 位置 起动牵引时 f ：7 横梁电机悬挂座2 0 f i ，位置 工况9 f 。l ( f x 2 ， 轴箱拉杆座3 3起动牵引时 单牵引工况 f 。3 ，f ，4 ) 工况1 0 f y i ( f v 2 ， 1 8 7 5 f 。i = 1 4 f y t 二系弹簧座 横向承载工况 f n f v ) 2 3 ，7 5 f 。t = l 4 f v 2 。f ：1 0牵引端粱制动座 一1 1 7 工况l l f ，f z l 2端梁制动座 1 1 7 制动载荷工况 f 。i ( k ， 轴箱拉杆座8 7紧急制动力 f n ，f 1 4 ) 工况1 2 f z - ( 艮，构架对角轴箱 二系弹簧座，6 2 5 构架扭曲 匕，f 。)处加高1 0 m m 注：表中数值前的正负号表示力的作用方向其正向以图2 中的坐标系为准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 6 小结 本章详细介绍了构架的结构形式，阐明了构架的受力情况，并对大型有 限元分析软件a n s y s 的主要功能进行了说明。a n s y s 软件功能强大，能够 模拟陶架在各种载荷条件和约束条件下的受力状态，计算精度能够满足要 求，决定选用a n s y s 软件对构架进行有限元分析。在此基础上对单元的选 用、模型的建立进行了说明。在综合考虑实际约束的基础上，确定了有限元 模型的边界条件。为了分析构架在不同的载荷组合情况下的力学特性并考虑 将计算结果与试验值进行对比分析，共设计了组合计算工况和与试验验证的 计算工况等共1 2 个计算工况，为全面研究构架上的应力分布并进行评价打 下了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章构架的有限元计算结果及评定 构架是转向架的重要承载部件，是转向架其他各零部件的安装基础，它 不仅承担车体、牵引电机和制动装置等的质量及动载荷，而且要传递牵引力 和制动力，其可靠性直接影响机车的性能和安全性，因此应全面研究构架在 可能载荷作用下的力学行为。首先应研究构架在各种计算工况下各个部位处 的应力分布，研究其是否满足强度要求，以确保机车的安全性。高速机车一 般造价较高，使用年限较长，因此要对其疲劳强度进行分析，以确保构架的 使用寿命和足够的抗疲劳强度。除保证静强度和疲劳强度外，还要确保构架 具有足够的刚度，以避免刚度不足造成载荷分布不均匀或各梁本身在列车运 行中发生自振等问题。 本论文结合a n s y s 软件的分析结果对构架的静强度、疲劳强度进行了 分析和评定，并进行了模态分析。 3 1 静强度的分析和评定 3 1 1 评定的参照标准 主要参照以下三个标准对构架的静强度进行评定： ( i ) t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范： ( 2 ) t b t 2 3 6 8 - 9 3 内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法 ( 3 ) t b t 2 2 3 7 9 1 客车构架强度评定标准。 3 1 2 评定方法 采用第四强度理论对构架的静强度进行评定，即若在各个计算工况及组 合工况下构架各部位的最大等效应力( y o nm i s e s 应力) 均小于许用应力， 则构架静强度满足要求，否则不满足要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 3 1 3 构架的a n s y s 有限元计算结果 将构架在所设计的1 2 种工况下分别运用a n s y s 软件进行加载和求解， 可求得构架各个部位处的v o nm i s e s 等效应力结果，下面列出了所有工况的 计算结果。 工况l ( 垂向静载工况) ：最大等效应力9 3 5 m p a ，位置在侧梁靠近二系 变截面的筋板与槽钢连接处，侧梁中部相对一系承载中部的挠度1 6 m m ，高 应力区主要分布在侧梁二系承载的区域，图3 1 给出了应力分布和最大应力 的位置。 工况2 ( 起动牵引时牵引杆受压工况) ：最大等效应力1 4 7 m p a ，位置在 牵引端梁与牵引装置连接处，高应力区主要分布在侧粱和牵引端梁，等效应 力分布见图3 2 。 工况3 ( 起动牵引时牵引杆受拉工况) ：最大等效应力1 1 0 m p a ，位置在 牵引端梁与牵引装置连接处，高应力区主要分布在侧梁二系承载的区域，等 效应力分布见图3 3 。 工况4 ( 曲线通过牵引工况) ：最大等效应力1 5 1 m p a ，位置在横梁与侧 梁连接处，高应力区主要分布在侧梁和横梁承载的区域，等效应力分布见图 3 - 4 。 工况5 ( 曲线通过紧急制动工况) ：最大等效应力1 4 9 m p a ，位置在横梁 与侧梁连接处，高应力区主要分布在侧梁和横梁承载的区域，等效应力分布 见图3 5 。 工况6 ( 二系承受垂向静载工况) ：最大等效应力8 8 2 m p a ，位置在侧梁 靠近二系变截面的筋板与槽钢连接处，为了与试验值比较，给出了侧梁关键 部位的应力值，见图3 - 6 ，侧梁中部相对一系承载中部的挠度1 6 r a m 。 工况7 ( 端梁、牵引端梁及横梁承受垂向静载) ：最大等效应力2 3 8 m p a ， 位置在横梁电机悬挂座处，等效应力分布和关键点的应力值见图3 7 。 工况8 ( 电机反扭矩垂向附载工况) ：最大等效应力5 2 m p a ，位置在牵 引端梁与牵引装置连接处，等效应力分布见图3 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 工况9 ( 单牵引工况) ：最大等效应力1 6 5 m p a 。位置在牵引端梁与牵引 装置连接处，等效应力分布和关键点的应力值见图3 - 9 。 工况1 0 ( 横向承载工况) ：最大等效应力5 8 ，5 m p a ，位置在靠近横向止 档的筋板上，等效应力分布和关键点的应力值见图3 1 0 。 工况1 1 ( 制动载荷工况) ：最大等效应力1 7 2 m p a ，位置在牵引端梁轮 盘制动吊座处，等效应力分布和关键点的应力值见图3 1l 。 工况1 2 ( 构架扭曲工况) ：最大等效应力1 1 7 m p a ，位置在侧梁变截面 立板处，等效应力分布和关键点的应力值见图3 1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 图3 l 垂直静载工况( 工况1 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 - 2 起动牵引时牵引杆受压工况( 工况2 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图3 3 起动牵引时牵引杆受拉工况( 工况3 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 圈3 _ 4 曲线通过牵2 j l - r ；r , ( 工况4 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7 页 图3 5 曲线通过紧急制动工况( 工况5 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 - 6 二系承受垂向静载工况( 工况6 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 图3 7 端粱、牵引端梁及横梁承受垂向静载工况( 工况7 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 图3 - 8 电机反扭矩垂向附载工况( 工况8 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第31 页 图3 - 9 单牵引工况( 工况9 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图3 - l o 横向承载工况( 工况1 0 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 图3 - 1 1 制动载荷工况( 工况1 1 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 1 2 构架扭曲工况( 工况1 2 ) 等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 3 1 4 构架静强度的评定 构架采用板材焊接而成，材料为1 6 m n 钢，其屈服极限为3 4 5 m p a ，强 度极限为5 2 0 m p a ，在对构架的静强度进行评定时，取安全系数为2 ，这样 就要求在所有工况下构架所有节点处应力均不得大于许用应力1 7 2 5 m p a ( t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 的规定值为2 1 6m p a ) 。本论文的强度校核采用第四强度理 论，即使用v o nm i s e s 应力或称为等效应力校核。从上面给出的所有计算工 况的计算结果可以看出，模拟实际运行工况( 工况1 5 ) 的等效应力值均在 1 6 0 m p a 以下，满足构架的许用应力 1 7 2 5 m p a 的要求，达到设计要求。构 架在各个与试验验证的工况下( 工况6 - 1 2 ) 的计算等效应力值也都低于许用 应力。构架的静强度满足要求。 同时，由计算结果可以看出，构架两端梁和侧梁两端部位在实际运行工 况下应力较小，强度有储备，主要用于连接和悬挂其他部件。在各个工况下， 构架各部位的相对挠度均较小，可见构架具有较大的弯曲刚度。 3 2 构架疲劳强度的评定 3 2 1 评定的参照标准 主要参照t b f r 2 3 6 8 9 3 内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法 对构架的疲劳强度进行评定。 3 2 2 评定方法 采用疲劳极限图对构架的疲劳强度进行评定。在构架的侧梁、横梁和端 梁上选取适当的关键点分别进行疲劳强度评定，对工况以工况1 2 下所有的 最大等效应力点都进行疲劳强度评定。运用构架的有限元分析结果计算出关 键点的平均应力和应力幅，并将计算值插入构架所用材料的疲劳极限图，若 评定点落在疲劳评定许可的区域内，则该点的疲劳强度满足要求，否则说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 该点的疲劳强度不足，需修改设计或采用其他措旋进行改进。 3 2 3 平均应力与应力幅的计算公式及计算结果 1 平均应力计算公式 最= s 。+ s 。，+ o 5 s 1 ， ( 3 - 1 ) 式中：e ，平均应力； s 。二系承受垂向静载时产生的应力； s 。端梁、牵引端梁及横梁承受垂向静载时产生的应力 s 。横向承载时产生的应力。 2 应力幅 咒= 扣了面可i 币再西币瓦再瓦j 了丽 ( 3 - 2 ) 式中：s 。应力幅； 晶。电机反扭矩产生的应力； s 。牵引力产生的应力； & 扭曲力产生的应力； & 制动力产生的应力。 各关键节点在与试验验证