机车转向架构架强度的有限元分析.

1、机车转向架构架强度的有限元分析作者：郁炜 江海兵构架是机车转向架最关键的零部件之一，也是转向架其它各零部件的安装基础，在机车的 牵引运行中起传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用，因此，机车转向架构架的可 靠性对机车的性能和安全性有重大影响。传统的转向架构架强度的可靠性评价大多通过物 理样机的某些试验，再通过金属探伤、磁电探伤等方法来检验 ，成本高，开发周期长。所以，使用有限元的理论对转向架构架建模，并利用 有限元分析 软件对其进行应力分析和 强度计算来确保机车转向架构架的可靠性有重大意义，本文在此进行了尝试。目前，国外几家著名的公司研制的有限元分析软件如MSC 、ANSYS 、 I-DEA

2、RS 等在国内许多设计中得到了较为广泛的应用。 MsC 公司提供的有限元软件在有限元建模、结构分析 （静态、瞬态动力学 ）、热、电磁场、流体问题等及其耦合问题、接触、强非线性、碰撞等 方面都有独到的处理方法，本文详细介绍了其中的前后处理软件MSC PATRAN 和结构分析软件 MSC NASTRAN 在机车转向架构架强度计算与分析中的应用。1 有限元强度计算模型的建立机车转向架构架一般为箱型梁结构，有限元计算模型可以采用薄板单元按照设计图纸上的 实际尺寸建模， 并根据构架各部分是否承受载荷确定网格的疏密程度，在 MSC PATRAN软件中生成有限元计算网格模型。文中选择一例已通过物理样机测试实

3、验、强度合格的机 车转向架构架进行分析。它是由两根侧梁、一根横梁和两根端梁组焊成的"日 "字形结构，整个构架计算模型共有 20 225 个薄板单元和 27 848 个节点，如图 1 。2 有限元强度计算的载荷和边界条件 在机车转向架构架的有限元计算分析过程中，施加约束和载荷的原则是在构架主动施力处 施加载荷，被动受力处施加约束： 机车运行时，作用在构架上的载荷可以归纳为静载和动载两大类。静载荷在运行过程中具 有确定不变的数值和方向，包括机车上部重量、转向架自重以及安装在转向架上各种装置 的重量、电传动内燃机车与电力机车的牵引电机的重量、液力传动内燃机车的中问齿轮箱 重量等；

4、动载荷是在运行过程中方向和大小都随时间变化的载荷，包括由于车体振动产生 的附加垂向动载荷、机车牵引运行时作用在构架上的纵向力、机车通过曲线时作用在构架 上的侧向力、牵引电机作用于构架的振动载荷以及工作时的反扭矩或电阻制动反扭矩、齿 轮箱工作时的反扭矩、制动力、由于线路及其它原因使构架产生的扭曲力等。机车转向架 载荷的大小和方向根据具体的设计要求和实际情况确定。本文研究对象的计算载荷值如表 1 所示。3 计算工况的选取 根据 TBT 2368 一 1993 内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法，机车转向架构 架的计算工况由不同类别的载荷工况组合而成。总体上分为两大类：组合载荷工况和独立 载荷工

5、况。组合载荷工况主要对各种极限载荷情况进行模拟，考察构架是否有足够的静强 度满足这些极限情况；独立载荷工况则用于考核构架的疲劳强度。3 1 组合载荷工况1）工况一，垂直静载荷工况。包括车体垂直静载荷，齿轮箱垂直静载荷。2）工况二，起动工况。包括车体、齿轮箱垂直静载荷，纵向起动牵引力，起动牵引反扭矩。3）工况三，紧急制动工况。包括车体、齿轮箱垂直静载荷，纵向紧急制动力，安装座紧急 制动力。4）工况四，曲线通过工况。包括车体、齿轮箱垂直静、动载荷，纵向持续牵引力。持续牵 引反扭矩，横向载荷。3 2 独立裁荷工况1）工况一，车体垂直静载荷。2）工况二，齿轮箱垂直静载荷。3）工况三。横向载荷。4）工况

6、四，车体垂直动载荷。5）工况五，齿轮箱垂直动载荷。6）工况六，纵向持续牵引力。7）工况七，持续牵引反扭矩。8）工况八，纵向常用制动力。9）工况九，安装座常用制动力。计算独立载荷工况的目的是校核构架疲劳强度，具体的校核方法：以工况三的一半及工况 一、二之和计算平均应力，再分别以工况三的一半及工况四、五、六、七的均方根计算牵 引工况的应力幅、以工况三的一半及工况四、五、八、九的均方根计算制动工况的应力幅。在得到上述平均应力和应力幅后，依据 95J01-L 高速试验列车动力车强度及动力学性能 规范的推荐，在我国当前无自己的疲劳极限图的情况下，参考采用 0RE B12 报告中的 Goodman 疲劳极

7、限图，对构架强度进行校核。4 计算结果分析4 1 组合载荷工况的计算结果分析算例中 4 种组合载荷工况的最大 von Mises 应力及其出现的位置见表 2。其中曲线通过工 况情况最恶劣，最大 von Mises 应力为 109 0MPa ，其应力分布见图 2。表 3 列出了 4 种工况下变形的最大值及其出现的区域， 其中紧急制动工况下的变形量最大， 为 O 526 mm 。图 3 给出了该工况的变形云图。组合载荷工况是对各种极限载荷情况进行模拟。考察构架是否有足够的静强度满足要求。 文中构架的材料为 16 MnR 。16 MnR 的屈服极限 a=225 MPa 。强度极限 b=420 MPa

8、 ， 安全系数取 165，许用应力 =136364MPa 。上述强度计算结果中最恶劣工况的最大 von Mises 应力小于许用应力；最大变形量也满足设计要求，构架结构满足静强度要求。4 2 构架疲劳强度的校核表 4 列出了平均应力出现峰值的区域、大小及两种应力幅在该区域的应力取值范围，表 5 、 表 6 分别列出了牵引工况和制动工况两种应力幅出现峰值的区域、大小及平均应力在这些 区域的应力值。 另外表 4 、表 5 、表 6 中还给出了根据 Goodman 疲劳极限图得到的各平均 应力所对应的应力幅极限值。由表 4 、表 5 、表 6 可知，文中的机车转向架构架在各应力峰值出现处，牵引工况应

9、力幅 和制动工况应力幅的应力幅取值都低于这些区域的平均应力值所对应的应力幅极限，所以 由模拟结果也可得到构架满足疲劳强度要求的结果。平均应力出现平均奉引制动应力福峰備的区域应力应力幅应力輕极限* 2 Z方向C73.526.123.561.3令2方向C67.821.723.363.1+ X>-Z方向D45.217.418.870.3 m Z方向D56.517.418.866.7-乩-Z方向C67.821.718.863-X.4 2方向C62.221.723.564.9X. - Z方向045.217.418.870.3x.4 2方向D50.9门.4U.868.5才2方向与權 聚相连接的A84

10、.«30.42«.257.7儿+Z方向与樓 梁相连樓的A56.5MJ.432-966.7率引皮力锁锋值、出現峰值的区域以及这些区城朗平为应力丿MP.应力組出现蜂值的区垃牵引工况应力袒平均应力应力幅极阳X方向B56.517.079.2X.- Z方向B65.211.5&1.0X.4 Z方向B65.217.079.2缴6制动应力幅峰俺.出现峰值的区域以及这養区城的平均应力/Mhi应力綿岀现峰（ft的区域牵引工况应力幡平均应力应力幅极顒制动安装唾与*X 方向端梁住接处42.35.6582.9制动安裳廛与 横梁连接处70.55“82.9横梁附近的制动安装 座与啊梁连接处56.422.677.4制动安装座与-X 方向蜕樂连按处32.95.6582.95 结论 本文结合实例，详细介绍了用有限元分析软件 MS