（车辆工程专业论文）crh5动车组转向架构架及摇枕的强度分析与设计规范的比较.pdf

b 廛蛮堑厶生亟堂位硷塞生塞垴壁 中文摘要 摘要：时速2 0 0 k m 及以上“和谐号”国产化动车组的运行是中国第六次大提速的 最突出的亮点，其巨大的影响使铁路提速后的安全性成为社会广泛关注的焦点。 该动车组是在法国、同本等原装动车组的基础上进行的国产化，目的是来适应我 国铁路运营水平、线路情况、承载能力等要求。 本文基于此背景，运用u i c 6 15 - 4 标准和j i se4 2 0 7 标准分别对c r h 5 型转向 架构架进行了静强度和疲劳强度的评价。通过使用a n s y s 有限元分析软件进行计 算，可知在这两种标准下该构架的强度均满足设计要求。同时，为对适应我国国 情需要的规范提出建议及设想，对于以上两标准，从适用范围、载荷条件分类、 静强度和疲劳强度评价方法、焊接区域评价方法等方面进行了对比。对比分析结 果表明虽然施加的载荷条件有所不同，但是载荷大小的确定却基本相似：就评价 方法而言，u i c 标准和j i s 标准均有自己的评价理论，但是相比之下，j i s 标准在 计算应力幅值时采用均方根的形式、在疲劳评价时对焊接区域的评价方法更为细 致科学。因此，可以认为在对我国铁道车辆构架进行评价时，应融合u i c 标准的 疲劳载荷确定方法和j i s 标准的评价思想，在仔细考虑各种疲劳载荷条件的基础 上，不仅要对母材和焊接区域分别进行评价，还应重视焊接方法、焊接形式等因 素对焊接细节所造成的影响。 另外，本文还使用标准e n1 2 6 6 3 对c r h 5 型转向架摇枕进行了屈服强度和疲 劳强度的分析，分析结果显示了该摇枕的强度也完全满足设计规范的要求。 关键词：转向架构架；摇枕；静强度；疲劳强度；标准；g o o d m a n 图 分类号：u 2 7 0 1 i 丝塞窒适厶仝亟宝位泣塞垦! 丛! a b s t r a c t a b s t r a c t ： t h e o p e r a t i o no f 2 0 0 k m hh i 曲s p e e de m u i st h em o s tp r o m i n e n th i g h l i g h ti nt h es i x t h s p e e d 印o fc h i n e s er a i l w a y s i t sh u g ei n f l u e n c em a k e st h es e c u r i t ya f t e rt h er a i l w a y s p e e di n c r e a s eb e c o m et h es o c i a lw i d e s p r e a df o c u s t h ci n t e n t i o no ft h el o c a l i z a t i o no f e m uw h i c hi si m p o r t e df r o mf r a n c ea n dj a p a ni st ol e tt h e mf i tf o rt h eo p e r a t i o n c o n d i t i o ni nc h i n a ，w h i c hi n c h i d e st h er a i l w a yo p e r a t i o nl e v e l ，t h er a i l w a yl i n ec o n d i t i o n a n dt h er e q u e s to f i t sb e a r i n gc a p a c i t y b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sa r t i c l ee v a l u a t e st h ef a t i g u ea n dy i e l ds t r e n g t ho ft h e b o g i ef r a m eb yu s i n gs p e c i f i c a t i o n i n c l u d i n gu i c 6 1 5 4a n dj i se4 2 0 7 b yc a l c u l a t i n g t h r o u g ht h es o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，t h er e s u l t sc a nb eg o tt h a tt h es t r e n g t ho ft h eb o g i e f r a m em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t m e a n w h i l e ，i no r d e rt og i v et h es u g g e s t i o na n d s u p p o s i o nt ot h es p e c i f i c a t i o nw h i c ha d a p t st ot h es i t u a t i o ni no u rc o u n t r y , i tc o n d u c t sa c o m p a r i s o no ft h e s e t w os t a n d a r d so n a p p l i c a t i o ns c o p e ，c l a s s i f i c a t i o n o fl o a d c o n d i t i o n ，t h ee v a l u a t i o no ff a t i g u ea n dy i e l ds t r e n g t h ，a s s e s s m e n tm e t h o do ft h ew e l d i n g z o n e t h er e s u l t so ft h ec o m p a r a t i o ni n d i c a t et h a tt h ev a l u eo fl o a di sa l m o s tt h e s a m e ，t h o u g hi th a st h ed i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n s u i ca n dj i sh a v et h e i ro w ne v a l u a t i o n t h e o r y , b u tt h e ya l ed i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r f o re x a m p l e , j i s u s e st h em e a ns q u a r er o o t t oc a l c u l a t et h es t r e s sa m p l i t u d ea n di ti sm u c hm o r es c i e n t i f i ci nt h ea s s e s s m e n tm e t h o d o fw e l d i n gz o n et h a nu i c t h e r e f o r e ，i ti sc o n s i d e r e dt h a ti nt h ee v a l u a t i o n ，m e t h o d so f d e t e r m i n i n gf a t i g u el o a di nu i ca n dm e t h o d so fe v a l u a t i o ni nj i ss h o u l db ep u t t o g e t h e r a f t e rt h i n k i n go v e re v e r yl ( i n do fl o a dc o n d i t i o n s b a s em e t a la n dw e l d i n gz o l l e s h o u l db ee v a l u a t e ds e p a r a t e l ya n dt h ee f f e c t so fw e l d i n gm e t h o da n df o r ms h o u l db e p a i dg r e a t a t t e n t i o n m o r e o v e r , t h i sa r t i c l ee v a l u a t e st h ef a t i g u ea n dy i e l ds t r e n g t ho ft h eb o l s t e ro fc r h 5 b o 百eb yu s i n gs t a n d a r de n1 2 6 6 3 t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es t r e n g t ho ft h e b o l s t e rm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f t h es p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：b o g i ef r a m e ；b o l s t e r ；y i e l ds t r e n g t h ；f a t i g u es t r e n g t h ：s t a n d a r d ； g o o d m a nd i a g r a m c l a s s n o ：i j 2 7 0 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王盈枷 签字日期：砷年i 月日 铆躲鳓行 导师签名：【喇7 七广一 b 巫窒适厶：兰熊堂位盈塞 丝剑丝童 盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名刀殖构签字日期问 年，j 月 e 1 致谢 本人在读研究生期间，在学习上我的指导老师谢基龙教授给予了热情的帮助， 同时他那严谨的治学态度使我深受教育。本论文从论文的选题、论文结构及整个 论文的完成都是在谢老师精心指导和热情的关怀下完成的。在此谨向我尊敬的导 师表示深深的谢意! 特别感谢缪龙秀老师，李强老师、任尊松老师、刘志明老师、金新灿老师在 我的学业和论文的完成中给予的精心指导和无私的帮助。同时感谢王斌杰博士、 杨广雪博士、张志华硕士、胡宝义硕士等在我论文完成过程中对我的帮助。 此外，论文工作还得到了长春轨道客车股份有限公司在数据、试验等方面的 大力支持，在此对公司领导表示深深的谢意。 最后感谢我的家人，正是在他们默默的支持和鼓励下才使我顺利完成了学业。 儿 立銮埋厶堂亟! ：堂位途塞 ! 缝i 金 1 ，1 国内外动车组的发展概况 l 绪论 世界变化开新月异，铁路科技事业也证在飞速的向前发展，特别是高速铁路 的发展给世界带来了巨大的经济效益。西方国家从2 0 世纪6 0 、7 0 年代起，相继 发展高速铁路，并研制出了多种模式的高速列车，颇具代表性的有：德国的i c e 列车、法国的t g v 列车以及同本的新干线高速列车等。而就国际上列车的构成模 式而言，也正从早期的机车牵引客车的模式逐步向自带动力、固定编组的动车组 模式过渡，这是铁路技术的一大进步。一般来说，工业发达国家铁路较之发展中 国家铁路的这一过渡要进行得早，推广得快。在我国，随着铁路客运的改革和提 速战略的实施，已经逐步在一些城际间采用动车组模式，并取得较好的经济和社 会效益，预计这种形势还会进一步发展。 1 1 1 日本动车组概况 日本属于岛国，山丘、坡道、弯道多，地质松软，对动轴轴重限制十分严， 因此要比欧洲早1 7 年实现世界第一条高速铁路。自1 9 6 4 年首条高速线开通以来， 日本的动车组从0 系发展到了现如今的7 0 0 系，它能稳定地担负大运量、高速度、 高密度运输的重要原因是作出了铁道系统的正确选择，即选择了动力分散型动车 组、实现了交流电动机驱动方式以及在各部最大限度、成功地实现了轻量化等。 7 0 0 系列新干线高速列车是作为3 0 0 系列的换代列车，由瓜东海和j r 西同本共同 开发，大大提高了舒适度和车内肃静性、环境适应性和车辆性能，降低了成本。 从运行能量来看，7 0 0 系列列车( 2 7 0 k m h ) 相当于东海道新干线开业时0 系列 f 2 2 0 k i n h ) 的8 4 ；如按同一速度( 2 2 0 k m h ) ，则前者消耗的能量仅为后者的6 6 。 这些都是电功率、轻量化、减少空气阻力的结果，也反映了日本新干线高度的技 术水准。因此，日本动车组发展过程中主要参数的演变使我们看到车辆的轻量化 和“电功率、信息、控制”的应用大大推进了技术的进步i l 】。 1 1 2 法国高速铁路概况 受到同本东海道新干线成功运行的启发，欧洲各国铁路也于上世纪7 0 年代开 立銮堑厶：z 邈l 二芝位i 金童 ：l 绪迨 始，利用既有线路，对时速2 0 0 k m 的高速列车进行挑战。首先建发高速列车专用 线的是法国的t g v ，于1 9 8 1 年在巴黎至单昂日j 的4 0 0 k m 线路上外始时速为2 6 0 k m 的高速列车的运行。 法国现有1 2 8 0 k m 高速营业线，在2 0 0 6 年t g v 巴黎至斯特拉斯堡的东欧线完 成后，总罩程已达到1 9 0 0 k m 。由于t g v 与既有线直通运转，实际上列车营业 总里程达到8 4 0 0 k m 。t g v 构成了目前世界上最大规模的高速列车网，并且它也是 世界上最快的列车群，不仅保持着高速试验5 1 5 3 k m h 速度的世界纪录，在列车网 整体的速度水平即营业列车的平均速度也是非常高的。 为达到提高运载能力、提高运营速度、增加价格优势等目的，在t g v 取得巨 大成功后，阿尔斯通公司设计了a g v ，与此同时保留了t g v 运行可靠，有效的 技术，采用动力分散方式，并且开发了涡流制动和o n i x l g b t 主变流器。此外，a g v 电动车组还开发了一系列新技术，如牵引电动机悬挂装置、自冷通风和涡旋法分 离灰尘、在端车上装有6 5 t 重的牵引变压器、采用铝质车体用以减重等1 2 l 。 1 1 ，3 我国动车组发展概况 中国铁路背景与欧洲相似。既有线如1 6 0 k m h 的提速干线，以机车牵引形式 为主。而且还会较长时期占据主导地位。但在客运为主的干线，动车组运输效率 高，牵引制动时舒适性好，有经济、环保等优势，逐渐会受到运输部门的欢迎。 在经济繁忙的大城市之间开行动车组，如“中原之星”、“蓝箭”等已为用户接受， 并发挥出较大的经济效益。 从中国铁路的发展历程来看，我国铁路动车和动车组的发展已经经历了两个 阶段，目前正在向第三阶段过渡。 从1 9 5 8 年到2 0 世纪8 0 年代末期，是我国铁路动车和动车组发展的初始阶段。 其间，四方机车车辆厂在大连机车车辆研究所、上海交大和集宁机务段协作下， 自行设计、研制了我国首列双层液力传动内燃动车组，当时称为东风号双层摩托 列车。这个阶段的特点归纳为：内燃动车组和电力动车组同时得到发展；电力传 动、液力传动和机械传动都得到采用；国内自行研制和从国外进口相结合；设计 试制工作中，制造工厂、运用部门、科研单位和院校联合协作；除进口产品外， 试制产品没有投入正式商业运营和批量生产，但是所进行的设计、试制、试验工 作为后来我国铁路动车组乃至机车的进一步发展积累了经验：初始阶段持续时问 长，其发展速度、研制产品的技术水平、品种和数量等与同期国外铁路工业和铁 路运输发展较快、水平较高的国家的产品相比，相对缓慢和滞后。 2 0 世纪9 0 年代到2 1 世纪最初几年，是我国铁路动车和动车组发展的第二阶 2 e 瘟銮适厶堂鲰! ：堂位盈塞 ! 绪途 段，即加速发展阶段。1 9 9 0 年9 月5r ，全路首列四季空调列车在北京一广州的 4 7 1 4 8 次列车上启用。自此，铁路客运出现了多品种、多样性、多档次、多元化的 新局面。从1 9 9 7 年到2 0 0 4 年，中国铁路实施了5 次大提速。据不完全统计，1 9 9 4 年以来，中国北方、南方机车车辆工业集团公司所属企业，在铁道都及其下属运 用部门的密切合作下，研究开发了各种动车和动车组2 0 多个品种，计6 7 列。其 中，有4 6 列在国内进行试验或交付运用，2 l 列出口到国外。在此期 日j 研制的动车 和动车组，包括内燃和电力两种类型。内燃动车和动车组又可分为液力传动和电 力传动；电力动车和动车组又包括直流电力传动和交流电力传动。总的柬说，我 国铁路动车和动车组在发展的第二阶段具备的特点为：发展速度快、技术含量高、 品种全、用途广，但可靠性差p 】。 目前我国铁路动车和动车组的发展j 下处在“引进先进技术，联合设计生产， 打造中国品牌”的阶段。这个阶段的总体要求就是通过以市场换技术，走技贸结 合、自主创新的路子。我们的最终目标是立足国产化，促进我国铁路动车和动车 组的健康和持续发展。我们不是要向国外买一个机车车辆装备现代化，而是要通 过引进国外成熟先进的技术，努力在我国铁路动车和动车组的发展中，逐步并尽 快实现以跟踪模仿为主向以自主创新为主的深刻转变。 1 2 国内外转向架构架的设计概述 构架是转向架最关键的零部件之一，是转向架其他个零部件的安装基础，电 动车组动力转向架不但要支撑车体、电机及各种零部件，而且需要传递车体与轮 对之间的牵引力、制动力等各种横向、垂向和纵向力，其可靠性直接影响动车的 性能和安全性。随着运行速度的提高，构架除了要有良好的疲劳强度外，还需具有 结构简单和重量轻等特点。目前，除北美国家外，客车转向架构架基本上采用h 型焊 接构架的模式。侧梁一般采用箱形结构，其目的一方面可增加强度，另一方面可增 加空气弹簧附加空气室的容积。欧洲国家横梁一般采用箱形结构模式，而闩本则 采用双无缝钢管的方式。采用双无缝钢管横梁的构架具有重量轻、易实现盘形制 动等特点，近年来得到广泛应用。为降低轮重减载率和提高脱轨稳定性，高速客车 转向架的构架应尽可能地采用柔性构架，如德国t a l b o t 的高速转向架采用构架 侧梁上盖板开槽的方式，s i g 和s g p 的高速转向架采用合理的横梁结构来实现提 高柔性的目的。从发展的观点来看，高速客车宜采用轻量化的焊接柔性构架。 = 畦塞窑堑厶鲎鲤! ：芏位硷塞! 绻纶 1 2 1 国外转向架构架设计概述 日本的转向架技术大体可以分为三代。第。一代是以d t 2 0 0 为代表的无摇动台 转向架：第二代是以t d t 2 0 3 和删t 7 0 0 1 位代表的无摇枕转向架；第三代是5 0 0 系7 0 0 系用的新型转向架。d t 2 0 0 型转向架，为有摇枕结构：空气弹簧设在摇枕 下部，构架为u 型结构，端部有横梁；轴箱定位方式为二组内外圆簧，轴箱装有 油压减振器；二系悬挂为空气弹簧，其横向问距为2 5 0 0 m m ，空气弹簧为约束膜式。 t d t 2 0 3 型、r r r 7 0 0 1 型转向架，营业速度可达2 7 0 k m h ，与d t 2 0 0 转向架相比， 该转向架采用无摇枕转向架、空心车轴、单拉杆牵引装置、圆弧型踏面、锻钢制 动盘；而且为简化结构、减轻重量，构架采用h 型结构，取消了端梁，构架材质 改用s m 5 0 b ，空气弹簧为大横向变位、小横向刚度的自由模式结构，采用板式可 变节流阀。改善了阻尼特性；还加装了抗蛇行减振器；轴箱定位采用螺旋弹簧和 圆筒橡胶组合的方式；空气弹簧下部设有一个四层橡胶堆，当空气弹簧无气时支 承车辆重量。d t 9 0 3 2 型转向架的固定轴距为2 2 5 0 m m ，比2 0 0 系用转向架缩短了 2 5 0 m m ：为减小簧下重量和轴重，该转向架采用铝合金轴箱、整体锻钢制动盘、 h t 材质构架；轴箱定位装置采用单侧双拉板式【4 j 。 对于法国转向架，我们以y 2 3 7 转向架为例进行论述。y 2 3 7 转向架构架采用 了h 型焊接构架，其两侧梁由管形横梁相连，在横梁上焊有用于安装制动装置的 吊座，以及用于安装扭杆支座的纵向辅助梁，固定轴距长3 m 。y 2 3 7 型转向架采 用转臂式轴箱定位结构，其纵、横向定位刚度由转臂关节中的橡胶元件来实现， 这种定位橡胶衬套几乎不承受垂向载荷。为改善震动性能，y 2 3 7 还增大了一系悬 挂柔度。为了减弱构架的点头振动，在每一轴箱处装设了小阻尼的垂向液压减振 器，结果大为改善转向架的动力性能。它同时采用由c o n t i n e n t 公司制造的s r l 0 空气弹簧，使二系悬挂在垂向和横向都具有高的柔性，显著的改善了车辆的垂向 和横向振动性能，提高了在直线和曲线上的运行平稳性。除此之外，y 2 3 7 在转向 架两侧装有以提高临界速度为目的的抗蛇形减振器，还在二系悬挂中加装了抗侧 滚扭杆装置。在y 2 3 7 转向架的两相邻车体端的四角与四个纵向液压减振器相连， 这一独特的减振器布置使得列车中所有用这种方式相连的车体，组成一个整体的 耦合振动系统，使得每一相邻车端由于点头、摇头所引起的上下左右相对角振动 受到减振阻尼的抑制p j 。 1 2 2 我国转向架构架设计概述 我国时速2 0 0 k m 及以上速度的客车转向架( 含动力分散型电动车组转向架) 大 4 丝盛蛮丝厶：羔亟! ：兰位逾塞 l 络逾 体上有以下几种：( 1 ) 由长客厂研制的时速2 5 0 k m 试验型高速客1 转向架；( 2 ) 由四 方厂研制的时速3 0 0 k m 试验型铰接式高速客车转向架；( 3 ) 用j ：1 9 9 8 年6 月郑武 线时速2 0 0 k m 综合试验和时速2 0 0 k m 电动旅客列车组的c w 一2 0 0 、s w 一2 0 0 、p w - 2 0 0 型转囱架； 4 ) 用于时速2 0 0 k i n 的“先锋”号动力分散型电动车磐l 的动力转向架和 非动力转向架；f 5 ) 用于时速2 7 0 k m 的“中华之星”号动力集中坦电动车组的拖车 c w 一3 0 0 型和s w 一3 0 0 型转向架等5 类、9 种型号转囱架。 下面对长客厂研制的试验型时速2 5 0 k m 高速客车转向架进行介绍。该转向架 的主要结构和技术特点是：( 1 ) 我国首次采用了无摇枕结构，车体直接坐落在两侧 的空气弹簧上，简化了转向架结构，减少了维修工作量；f 2 ) 二系悬挂采用了横向 大变位、低横向刚度的空气弹簧并设有横向减振器和抗蛇行减振器：( 3 ) 一系悬挂 采用无磨耗的转臂式弹性轴箱定位装置：( 4 ) 基础制动采用盘形制动+ 磁轨制动的复 合系统；( 5 ) 转向架轴距出传统的2 4 0 0 m m 增加到2 5 0 0 m m ，并将二系弹簧悬挂横 向间距由2 3 0 0 m m 改为1 9 5 6 m m 。下面通过表1 1 来说明我国高速转向架的特点： 表1 1 我国高速转向架设计特点” t a b 1 1h i 曲s p e e db o g i ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c si nc h i n a 。 类别 p w 2 0 0c w 2 0 0s w - 2 0 0 摇枕弹簧 装置形势 空气弹簧有摇动台空气弹簧无摇枕空气弹簧无摇枕 一系单向油砾减振、- 二系一系单向油压减振、二二系一系单向油压减振、二系 减振形式可变协窥阔、横向减振器可变。1 ，流阀、横向减振器可变i r 流阀、横向减振器 和缓冲器、抗蛇形减振器和缓冲器、抗蛇形减振器莆 缓冲器抗蛇形减振器 抗侧滚装 置 有有无 轴箱弹簧 装置形势 圆弹簧圆弹簧圆弹簧 轴箱定位 弹性橡胶堆定位无磨耗转臂式定位无磨耗转臂式定位 装置形式 最高运行 2 0 02 0 02 0 0 速度k m h 1 3 焊接结构的疲劳评价方法 焊接是现代钢结构最主要的连接方式，它具有不削弱构件截面、节省钢材、 构造简单、易于加工、连接的密封性好、刚度大、便于采用自动化生产等优点。 这些优点使焊接结构成为一种连接会属结构既有效又经济的连接方式，并在客车 j e 塞塞丝厶堂缝! ：堂位论塞l 绮论 转向架得到了广泛应用。 影响焊接钢结构疲劳性能的因素很多，如：材料、结构的几何形状、焊缝局 部几何形式、受载形式、应力比、尺寸效应、焊接残余应力、焊接非均匀性等。 然而，由于焊接过程伴随着各种缺陷，如未完全掉透、含有杂质、气孔等，焊缝 往往是疲劳最容易发生的部位，特别是焊趾处，经常是仞始裂纹产生的位置。同 时，出于焊缝自然成为结构的几何特征的一部分，对于结构的应力重新分配有着 很大的影响，比如应力集中等。因此，即使某一非常良好的结构，焊接处也是最 可能失效的部位。当结构承受较低应力水平( 该应力水平远低于静强度应力水平) 时，它们将首先产生疲劳破坏。故对具有焊接特征的结构的疲劳寿命的评估，必 须把重点放在对焊缝处的疲劳强度的评估上面。 最近的研究成果表明，由于在焊接过程中结构焊缝及其附近存有达到或接近 屈服点的残余应力，不管外加动应力的循环特性如何，焊缝附近的实际循环应力 是从母材的屈服应力向下摆动。疲劳强度主要与施加应力范围有关，而最大、最 小循环应力值以及应力循环特性对它的影响较小。 国际焊接学会标准i i w 中疲劳设计规范适用于焊态的屈服点低于7 0 0 m p a 的 碳钢、碳锰钢和细品粒钢调制钢材的焊接接头，该标准在考虑了焊缝形状引起的 局部应力集中、一定范围内焊缝尺寸和形状偏差、应力方向、残余应力、焊接过 程及焊后改善处理措施的情况下，给出了结构中许多焊接接头的疲劳强度，支持 提速客车转向架焊接构架在设计方案阶段对其焊接接头的疲劳寿命预测与方案对 比。 标准i i w 评定焊接接头疲劳特性时，用应力范围来表述s - n 曲线，它考虑了 低于疲劳极限的小载荷应力范围对累积损伤的贡献，这点符合我国铁路机车车辆 转向架焊接构架的情况。因为根据实测构架应力分布特征表明，车辆运行过程中 构架上的大应力循环小，小应力循环所占的比例较大，因此小应力循环对构架疲 劳损伤的贡献是不能忽略的。 该标准疲劳寿命评估时首先要基于焊接接头的初始信息，定义并确定在疲劳 评估中实用的应力类别，并计算和测量出有关的应力范围；然后再根据该应力类 别选择相应的疲劳强度类别。应力类别分为标称应力( 名义应力) 、几何应力( 热 点应力) 和等效缺口应力：疲劳强度类别分为有基于标称应力范围的s - n 曲线表 征出的结构中疲劳强度、基于几何应力范围的s - n 曲线表征的抗几何应力的疲劳 强度、基于等效缺口应力范围的s n 曲线表征的抗等效缺口应力的疲劳强度f 7 1 。 6 塞窑堑厶堂亟! 羔：位险塞i 绪硷 1 4 转向架焊接构架的疲劳强度评价方法 随着机车车辆向高速和重载方向发展，各承载构件的疲劳强度问题f 1 益突出， 为此需要制定疲劳强度的有关评估方法。如北荧铁路协会对货车铸钢承载件制定 了强制性疲劳试验标准一a a r 机务标准；国际铁路联盟则根掘焊接结构的特点， 制定了用于设计和疲劳试验的u 1 c 5 1 5 - 4 和u i c 6 1 5 - 4 标准；日本铁路车辆工业会 ( j a r ) 和财团法人r 本标准协会( j s a ) 针对铁路车辆转向架构架以及摇枕或其 组装品制定了j i se4 2 0 8 标准等。这些标准都为我国铁路车辆的发展提供了参考依 据。 1 5 本论文主要研究内容 时速2 0 0 k m 及以上“和谐号”国产化动车组的运行是中国第六次大提速的最 突出的亮点，其巨大的影响使铁路提速后的安全性成为社会广泛关注的焦点。该 动车组是在法国、只本等原装动车组的基础上进行的国产化，目的是适应我国铁 路运营水平、线路情况、承载能力等要求。 基于此背景，本论文从以下几个方面对该动车组的转向架构架和摇枕进行分 析研究： 1 ) 本论文详细介绍了u i c 6 1 5 - 4 标准和j i se4 2 0 7 标准，并参照这两种标准， 使用a n s y s 有限元分析软件和h y p e r m e s h 的前处理功能分别对c r h 5 型转向架构架 的静强度和疲劳强度进行计算，同时对计算结果进行分析验证。 2 ) 通过对以上两种标准下构架强度的计算结果的分析，从适用范围、载荷条 件分类、静强度和疲劳强度评价方法、焊接区域的评价方法等方面对u i c 6 1 5 - 4 标 准和j i se4 2 0 7 标准进行对比论述。 3 ) 参照j i se4 2 0 7 标准对构架焊接细节的疲劳强度的评价方法，对c r h 5 型 转向架构架的焊接区域的疲劳强度进行了评价。 4 ) 参照e n1 2 6 6 3 标准对c r h s 型转向架摇枕进行静强度和疲劳强度的分析。 丞塞适厶堂亟= 坐位| 金塞 2 直匿疽基查堡硷丛扬；蕉金缕 2 有限元基本理论及标准介绍 2 1 有限元算法基本原理 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方 式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元 法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来 分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数 或及其导数在单元的各个节点的数值和插值函数来表示。这样一来，一个问题的 有限元分析中，未知场函数及其导数在各个节点的数值就成为新的未知量( 即自 由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求 解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而 得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的增加，单元尺寸的缩小，或者 随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果 单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 当前的有限元方法是以位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理 来建立有限元求解方程。其基本思路是：将计算对象进行离散，然后研究节点的 平衡，最后利用插值技术获得域内解。下面以弹性力学平面问题为例，给出有限 元法的算法原理。 首先，将连续体划分为有限个单元，单元之间由节点相互连接，不同单元的 节点有不同的节点自由度。对于弹性力学平面问题，单元内任一点( x ，y ) 的位移 ( u ( x ，y ) ，v ( x ，) ，) ) 的插值公式可以写成： “( j ，y ) = m ( 工，y ) 甜。1 y ( 叫：圭m ( w ) 咋 或删 q 。 ij 式中u ( x ，y ) ，v ( x , y ) 分别代表点( x ，y ) 在x 和y 方向的位移，i ，咋分别代表单 元节点i 的位移，m “y ) 代表插值形状函数，称之为位移形函数，它实现了用节 点位移表示单元内位移的插值联系。单元节点上的位移是“有限”的，单元内的 位移点是“无限”，正是式( 2 - 1 ) 中的插值形状函数建立了二者之间的联系。 弹性力学平面问题的几何方程给出了位移与应变之间的几何关系： = 譬一= 芸，= 罢+ 芸 ( 2 - 2 ) = i ，占r ：i ，= _ + _ 【2 一引 e 瘟塞堙厶堂亟l 翌位论童2 歪腿i 望奎堡淦丛拯准盆绌 将式( 2 1 ) 代入式( 2 - 2 ) ，可得 = b d( 2 3 ) 式中，占称之为应力向量，d 称之为单元节点位移向量，b 称之为几何矩阵， 它是对位移形状函数求导数得到的。式( 2 3 ) 实现了用节点位移表示单元内任意 点处的应变。另外，弹性力学平面问题的物理方程( 广义虎克定律) 给出了应变 与应力之间的物理关系： 盯=ee(2-4) 式中盯= ( 盯。o r o 。) 。称之为应力向量，e 称之为弹性矩阵，它取决于材料的物 理特性，对各向同性材料的平面应力问题， e ：三 1 一2 1 i t 1 00 0 o 1 一 2 ( 2 5 ) 式中e 是材料杨氏模量，是柏松比。将式( 2 3 ) 代入式( 2 - 4 ) ，于是 d = e b d ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 实现了由节点位移表示单元内任一点处的应力。 根据弹性力学理论，线弹性连续体的总势能可写成积分形式： n = 贽e s d v i f t f d v i f t 蜘s ( 2 - 7 ) y-rj 式中，第一个积分是单元内应力的功，此功作为应变能储存起来，后两项分 别表示体力和面力在它们的移动方向上所作的功而导致的势能减少， ，= ( u ( x ，y ) ，v ( x ，y ) ) 。是位移函数，v 代表积分体积，s 代表边界表面上的积分面积。 将式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 代入式( 2 - 7 ) ，于是得到了用节点位移d 表示的单元总势 能： l - l = 驯j b t e b d v 卜d 7 i n 7 f d 矿- - d 7 7 c d s ( 2 - 8 ) 结构的总势能是对每一个单元势能求和得到的，同时还应包括作用在结构某 些节点上的外加集中力p 的势能，定义p 的分量与节点自由度方向相同为正，于 是得到结构的总势能： 厂m、 兀= l 兀。l 一p ( 2 9 ) e = l 式中d 被定义为结构所有节点的总位移向量，它包括了所有单元的节点位移， 所以，只要单元节点位移d 假想扩大“结构大小”，式( 2 - 9 ) 中的累加就可以进 行，从而可得到用所有节点位移表示的结构总势能： 9 塞窑通厶堂缝! ：翌位淦塞2 血型l 些奎堡睑丛拯蕉金刻 兀= j 1d r ( 车b r e b d y 。+ 。7 苹( 一f n r f d y 一7 妒d ， 一。7 p c z 一。， 至此，从结构离散成有限个单元至用有限多个节点位移表示结构总势能的过 程全部完成。式( 2 1 0 ) 非常重要，它实现了用有限元模型替代原结构物理模型， 并将结构的总势能凝聚成了d 的函数。 引入最小总势能原理，得到平衡条件： o f i ：旦旦一婴：0 ( 2 - 1 1 ) a d , o d z蛾 式中n 是结构自出度总数，如果以矩阵形式表示，有婴：0 ，求导数，得到描 写结构平衡状态的方程： ( 车p 7 e b d v 。= 苹( n r f d y p 7 础 + p 协功 这是以n 个独立位移为未知数的n 个线性代数方程，式中，令k = f 矿e b d v ， 称之为单元刚度矩阵；令式右端的第一项为单元节点等效力r 的累加，则式( 2 1 2 ) 可简记为： l ki d = ，+ p ( 2 - 1 3 ) 再令足= k ，r = r + p ，则式( 2 1 3 ) 又可简记为： k d ：k 1 ( 2 1 4 ) 式中，k 称之为结构整体刚度矩阵，是由单元刚度矩阵k 根据单元节点编号 信息累加而成的，其中每一个元素仅取决于构成单元的材料及几何形状。k 是一 个对称阵，另外它还是一个以对角元为中心的稀疏带状阵，并由此形成了它特有 的存储与求解方式。 总之，利用最小总势能原理，将平衡问题归结为式( 2 1 4 ) 那样的一组平衡方 程，求解该方程组，可得离散后所有节点上的独立位移，就可求单元内的应力。 这些平衡方程反映了节点上的平衡条件，即0 1 _ s l ：0 ，所以式( 2 1 4 ) 的解是原问 彬 题的近似解，其近似程度不仅取决于离散过程中网格的疏密，也取决于被选取的 单元类型。 此外，有限元静力分析的控制方程式是k u = f 。其中k 是刚度矩阵，u 是位 移向量，f 是载荷向量。由节点位移求出节点应力，进而合成v o nm i s e s 应力8 1 。 2 2 有限元处理问题的基本步骤9 】 1 ) 结构的离散化 韭瘟窑迪厶芏：麴! 二；三i z 迨塞2 盘咝b 丛生型监缝虹! 蕉企笪 结构的离散化是有限元分析的第步，它是有限单元法的坫础。所谓离散化 过程，简单的税就是将连续体或结构人为的划分成有限个单元，并暇定年t 1 邻单元 之间通过有限个前点相互连接，以代粹原来的结构。 单元离散化必须有效的逼近实际的连续体。根据需要经常使用的典型单元有 平面应力单元、二：维杆单元、三维梁单元、二：维板壳单元、实体单厄等，另外还 有人们为了处理实际问题而建立的单元，如边界单元、问隙元等。 单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。 用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目多且合理，则所 获得的结果就与实际情况越相符合。 2 ) 单元分析 这一步是有限元方法的最最关键部分。这一步主要计算单元刚度矩阵和等效 节点载荷向量。对于结构分析领域，要用到下面三个基本关系式： ( i ) 几何关系( 单元内任一点位移与应变的关系) = m ( 2 1 5 ) 式中 l 为微分算子。 ( i i ) 本构关系( 单元内任一点的应变与应力的关系) 纠= ld 8 ( 2 - 1 6 ) 式中 d 。 为弹性矩阵( 虎克矩阵) 。 ( i i i ) 插值关系( 也就是单元内任一点的位移与节点位移的关系) 选择位移插值函数：在单元内假定一种简单的位移插值函数，通常是多项式 函数。将单元内任一点的位移表示为节点位移的一种插值形式： = f m 1 ( 2 1 7 ) 式中 n 】为插值形函数，它的形式与所取得位移向量有关。 根据势能最小原理，加上式2 1 5 、式2 1 6 、式2 一1 7 就能得到单元刚度矩阵 k 1 ： k 。 = 曰】7 d 。 【曰】d y ( 2 1 8 ) 式中【b 】为应变矩阵( 单元节点位移与应变之| b j 的关系矩阵) ，且 b 】= l 】 n 】。 同理，得到单元的等效节点载荷向量 p 。 ( 右端项) 并迸一步得到离散后的单 元上的方程： 弦 u e = p ( 2 - 1 9 ) 式中 k 。】为单位位移上的力。 3 ) 集合单元刚度矩阵形成整体刚度方程 这个集合过程包括有两方面的内容：一是将各个单元刚度矩阵按照“对号入 座”的技巧组合起来，集合成整个物件的整体刚度矩阵：二是将作用于各单元的 韭巫窑迪厶堂亟! ：堂f 生迨塞2 直醒殖堡奎堡淦丛垃造佥绝 等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。利用结构罩的平衡条件和边界条件把各个 单元按原来的结构秀新联系起来，形成整体的有限元方程： f k 伽 - - e ( 2 2 0 ) 式中 p 是载荷向量；【k 】是整体结构的刚度矩阵； u 是节点位移列阵。 4 ) 方程求解 有迭代法、高斯消去法、三角分解法、分块求解法和波f j 法等。求解后可得 到节点位移 g 。 5 ) 应力回代 根据位移函数，由本构关系( 单元内任一点的应变与应力之| b j 的关系) ，可 求出应力。 = 弘 【口冲0 ( 2 2 1 ) 2 3 转向架构架结构强度评价的u i c 标准与日本j i s 标准简介 为实现车辆的高速化，采用了轻量化的转向架构架，因此j 下确评价转向架构 架的安全性和可靠性是非常重要的。转向架构架作为走行装置的重要部件，承受 着复杂的交变载荷。目前，在高速转向架焊接构架的疲劳强度设计方面，已经形 成了以u i c 规程和j i se4 2 0 7 “铁道车辆转向架设计通用条件”为代表的设计、评 价体系。 2 3 1u i c 标准 按照国际铁路联盟标准u i c 5 1 5 - 4 ( 客车转向架构架强度试验和u i c 6 1 5 4 驱 动转向架构架强度试验的规定，在静强度或疲劳强度试验载荷作用下，机车车 辆转向架构架的使用寿命应满足使用3 0 年，每年运行2 0 力公罩要求。 作用在构架上的载荷分为超常载荷和模拟运营载荷两类，超常载荷是指运用 中可能发生的最大载荷，超常载荷试验是检验构架在最大可能载荷组合下是否发 生破坏和永久变形，目的是评价构架的静强度。模拟运营载荷试验是检验转向架 构架在运用载荷作用下是否会产生疲劳裂纹，目的是评价构架的疲劳强度。具体 来说，标准u i c 6 1 5 4 将该试验分为以下四组： 1 ) 在超常载荷作用下的静载荷试验 通过该试验，验证构架在叠加上运用中的最大载荷时而不会有永久变形发生 的危险。 2 ) 在模拟运用中的主要载荷作用下的静载荷试验 1 2 e i 窑道厶堂亟! ：翌位迨堑 2 立毽座丛查堡途丛盘| ! 准盆型 通过该试验来验证在叠加上运用中的丰要载葡时( 垂向、横向以及轨道扭曲 的影响) 而不会有疲劳裂纹产，上的危险。 3 ) 在模拟运用中的个别特殊载荷作用f 的静载衙试验 通过该试验来验证由构架部件( 电机、制动、减振器、抗侧滚扭杼) 以及通 过小曲线半径时而引起的交变应力不会存在导致局部疲劳裂纹发生的危险。 4 ) 疲劳试验 通过该试验可以确定转向架的使用寿命，并进行安全余量的评估，最终发现 在试验中未能发现的薄弱部位。 这以上四组实验中所施加的载荷有如下规定： 在进行超常载荷作用下的静载实验时，施加在每台转向架上的垂直试验载荷 ( 每侧粱作用一个) 为 兄。一( ) = 尼：。( ) = ：等( + c i n b m + ) ( 2 2 2 ) r k 施加在每台转向架上的横向试验载荷为 一( ) ：2 1 1 0 4 + 掣i ( 2 2 3 ) l 3 n , n b j 式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 中，r i b 为转向架数，l l e