第3章-动车组转向架-3.10转向架强度分析

第3章动车组转向架授课内容第3章

动车组转向架3.1转向架概述3.2几种典型的动车组转向架简介3.3转向架构架3.4一系悬挂装置3.5二系悬挂装置3.6轮对装置3.7轴箱装置及其定位装置3.8驱动装置3.9基础制动装置3.10转向架强度分析3.9

转向架强度分析第3章

动车组转向架3.9.1构架强度分析3.9.2车轮强度分析3.9.3车轴强度分析1.理解什么是转向架强度分析2.知道相关分析方法以及工具3.了解构架强度分析方法4.了解车轮强度分析方法5.了解车轴强度分析方法学习知识点学习目标第3章

动车组转向架强度分析的定义定义：强度分析是指材料或结构在外部载荷的作用下，所能抵御破坏（断裂）或显著变形的能力。疲劳强度分析则关注转向架在长期循环载荷下的耐久性，预防因小于屈服强度的交变载荷持续作用而引起的破坏，提升运行可靠性。静强度分析确保转向架在静态载荷下不会发生破坏，从而保障结构的安全性。通过全面的强度分析，可以确保动车组转向架在各种工况下都能保持优异的性能，保障列车的安全运行。转向架构架侧梁疲劳裂纹动车组转向架强度分析，包括静强度分析和疲劳强度分析第3章

动车组转向架转向架强度分析方法转向架强度分析的方法多样，根据不同的分析目标和应用场景，可以选用合适的方法来进行结构和强度评估。（1）静强度分析方法：有限元分析(FEA)：利用计算机仿真软件依据UIC615-4、EN13749和TB3549等标准施加转向架所受静强度载荷工况，分析求得转向架在静强度工况作用下的应力分布情况，从而完成转向架静强度分析。理论计算方法：根据结构力学和材料力学，通过解析方法或简化模型计算转向架承载能力和安全系数。四种经典强度理论

1）最大主应力理论（Rankine理论）：2）最大剪应力理论（Tresca理论）：3）最大应变能理论（Beltrami理论）：4）最大剪应变能理论（VonMises理论）：第3章

动车组转向架转向架强度分析方法理论适用材料破坏模式优点局限性最大主应力理论脆性材料正应力主导破坏简单直观，计算方便忽略剪应力作用最大剪应力理论塑性材料剪切主导屈服简单适用，物理意义清晰对复杂应力状态误差较大最大应变能理论塑性材料总应变能主导屈服理论较为全面数学复杂，实际应用较少最大剪应变能理论塑性材料剪切变形能主导屈服数学简单，工程应用广泛对高脆性材料适用性不强实际工程中，四种经典强度理论中最常用的是最大剪应变能理论（VonMises理论），但也需要根据材料类型和实际工况，选择最适合的理论对静强度进行校核。安全系数第3章

动车组转向架转向架强度分析方法实验测试，进行静载荷实验，根据测量信号，数据处理后直接输出转向架的应力和变形数据。动力学模型分析，利用软件动力学仿真模型模拟轮轨冲击等载荷，根据激励进而得到转向架的应力和变形数据。转向架台架试验测量信号转向架动力学模型整车动力学模型输出应力和变形激励功率谱密度第3章

动车组转向架转向架强度分析方法（2）疲劳强度分析方法：S-N曲线法（应力-寿命法）ε-N曲线法（应变-寿命法）断裂力学法疲劳裂纹扩展的断裂力学公式：△K

—应力强度因子幅值Kmax—最大应力强度因子；Kmin—最小应力强度因子；对于疲劳裂纹扩展，当△K大于或等于关键的应力强度因子阈值Kth,裂纹开始扩展，后续通过计算裂纹扩展速率能够预测疲劳剩余寿命。在评估疲劳寿命时会用到材料的S-N曲线和ε-N曲线，通过提取材料所受的应力或应变，能够根据曲线判断材料在该条件下的疲劳寿命。第3章

动车组转向架转向架强度分析方法有限元分析法：利用计算机仿真软件依据UIC615-4、EN13749和TB3549等标准施加转向架所受疲劳载荷工况，分析求得转向架在疲劳工况（运营工况）作用下的应力分布情况，从而完成转向架疲劳强度分析。Miner线性累积损伤理论疲劳试验载荷谱假设材料在不同的应力幅值下经历了多次疲劳循环，Miner的线性累积损伤公式可以表示为：通过试验获得转向架结构测点的振动信号，处理后得到几级幅值一致的载荷激励，形成作用在转向架上的疲劳载荷谱，进而计算转向架疲劳强度。ni：第i种应力幅值下的循环次数。Ni：第i种应力幅值下的疲劳寿命（单位：循环次数）。D：总的累积损伤，通常当D<1时安全，D

1时表示破坏。第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析1.作用在构架上的载荷

为确保转向架结构具备足够的强度，需要分析并确定其在运行过程中受到的各种复杂且随机的载荷。施加在转向架构架上的载荷有垂向静载荷、垂向动载荷、车辆启动和停止时的牵引力和制动载荷，由于车辆通过曲线时出现的离心力和风力作用所引起的侧向载荷、惯性力和斜对称载荷。垂向载荷作用于构架两侧梁上的空气弹簧支撑座位置横向载荷主要作用于横向止档位置纵向载荷主要作用于牵引座和制动器与构架连接处各种悬吊装置产生的静载荷和动载荷作用于相应的位置，如图所示：第3章

动车组转向架1)作用在心盘上的垂向静载荷自上而下（根据车体实际重量）应用：专用转向架的设计。自下而上（根据最大允许轴重）PR—一个轮对压在钢轨上的允许载荷（轴重）；n—一台转向架的轴数；PT—一台转向架的自重；应用：通用转向架的设计。(1)垂向静载荷3.9.1转向架构架强度分析第3章

动车组转向架2）作用在转向架任一构件上的垂向静载荷(1)垂向静载荷计算通式：其中：PT1

——自心盘面至计算构件所包括的所有零件质量之和（包括计算

构件的质量）所作用的垂向静载荷m——一台转向架中平行受力的同名计算构件的数目3.9.1转向架构架强度分析第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析例：CW200转向架任一构件上所受垂向静载荷计算计：轴重PR为15.5t

轴数n为2

构架数目为m=1

PT为转向架自重6.3t

PT1的为中央弹簧、构架、吊装设备的总重2t计算每个构架受力。作用方式：以集中力的形式作用在空气承簧上；轴箱弹簧处4个支撑反力。第3章

动车组转向架左右空簧处超常垂向静载荷Fz1max、Fz2max：左、右空簧所受超常载荷Fz：总的垂向超常载荷mc：超员车辆总质量nb：转向架数m+：转向架质量载荷施加位置例：CRH380B拖车转向架构架超常垂向静载荷计算3.9.1转向架构架强度分析第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(2)垂向动载荷计算公式：转向架上的垂向动载荷仍按垂向静载荷乘以相应位置的动载荷系数计算。Pd1：作用于每一构件的垂向动载荷Kdz：垂向动载荷系数Pst1

：作用于每一构件的垂向静载荷当Kdz

>1时表示有附加垂向动载荷作用，Kdz

=1表示只有静载荷，无动载荷。Kdz的值与系统的运行速度、振动频率和轨道不平顺等因素相关。第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析

1）附加垂向载荷的产生列车通过曲线时，在侧向力作用下，车体向曲线外侧倾斜，车辆外侧上下旁承接触，产生垂向载荷；转向架外侧增载，内侧减载；(3)侧向力所引起的附加垂向载荷车辆承受侧向力情况第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析2）附加垂向载荷的计算(3)侧向力所引起的附加垂向载荷H表示作用在车体上的侧向力,车体传到心盘的侧向力H/2；

2H1表示两台转向架的离心力，则每台转向架上承受的侧向力为为了简化计算，TB/T1335-1996中规定转向架的未平衡离心力取为垂向静载荷的7.5%。高速客车取为垂向静载荷的10%。轴箱上垂向附加载荷：构架上侧向力引起的垂向附加载荷m0：车辆一侧的轴箱数Pf：轴箱上垂向附加载荷2b2：轮对两轴径中心线之间的水平距离

2b*：左右两空簧距离，h：H到轴箱垂距力矩平衡：第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析导向力通过曲线时的导向力Y需按转向架在曲线上的位置进行受力分析确定，转向架占中间位过曲线时(4)水平载荷F——通过曲线时的转向架摩擦力，——轮轨间的摩擦系数，——转向架所受侧向力；L为固定轴距；

为摩擦力与侧向力

夹角由轮轨作用力引起的水平载荷前轮对：后轮对：第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(5)垂向斜对称载荷因线路及转向架的缺陷等原因引起构架上的4个轴箱支反力不相等。其中，弹簧高度误差引起的垂向斜对称载荷如图所示。通常把上述诸因素的综合影响当量看成转向架上某一车轮在轨道上升起或下沉一个z值，而其他因素均认为是正常的。实际计算时，推荐取

z=1.6cmK1为一个轴箱上弹簧的总刚度K2为构架抵抗垂向斜对称载荷的刚度2b2为轮对两轴径中心线之间的水平距离(cm)2b1为轮对滚动圆之间的距离(cm)。第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(6)制动时载荷制动时两种纵向力作用方式：

车体间的纵向冲击；

车体和转向架的纵向惯性力。

√制动时的载荷计算：计算基础制动装置的强度时，考虑制动时的载荷。Q：制动力(总纵向制动载荷)；m：车体质量；a：减速度(制动加速度)；μ：制动过程中的摩擦系数；Ta：作用在转向架上的制动载荷；L：两转向架之间距离；第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析2.构架静强度分析(1)建立有限元模型1.横梁；2.牵引拉杆座；3.制动吊座；4.一系弹簧帽筒；5.抗蛇行减振器座；6.一系空气弹簧座；7.侧梁；8.一系垂向减振器座；9.转臂定位座；10.制动横梁；11.起吊止档座；12.横向止档座；13.二系垂向减振器座；14.抗侧滚扭杆座CRH380B动车组拖车转向架结构模型CRH380B动车组拖车转向架有限元模型利用HyperMesh软件通过模型简化、中面提取、网格划分、材料属性赋予和载荷工况施加等步骤构建构架三维模型的有限元模型，模型单元总数为163859，节点总数为162309。第3章

动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(2)依据UIC615-4和EN13749等标准对构架施加10个超常工况工况编号左侧垂向载荷右侧垂向载荷横向载荷纵向载荷扭转载荷1

2

10‰轨道扭曲3

4

10‰轨道扭曲5

6

7

10‰轨道扭曲8

9

10

超常垂向载荷超常横向载荷超常纵向载荷第3章动车组转向架(3)利用ANSYS软件，对转向架构架的有限元模型执行仿真计算，得到构架的全部节点应力在所有工况下的分布结果，同时得到转向架构架应力值较大的位置，基于此可以评估转向架构架的静强度结果。工况编号最大应力产生位置最大节点等效应力值(MPa)安全系数1左侧梁下盖板圆孔处214.8761.4992左侧梁下盖板圆孔处216.5651.4873左侧横向止档筋板处324.0890.9944左侧横向止档筋板处325.8260.9885左侧横向止档筋板处323.9510.9946右侧横向止档筋板处324.1140.9937右侧横向止档筋板处325.8150.9918右侧横向止档筋板处323.9760.9949左侧转臂定位座弯角处246.8381.30410右侧转臂定位座弯角处246.4691.306结论：左图为第4工况有限元静强度仿真分析结果，最大VonMises应力为325.826MPa,大于S355J2G3钢材的许用应力322MPa，同时安全系数为0.988，小于1，所以构架不满足静强度设计要求，需要进行后续优化。3.9.1转向架构架强度分析第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析3.构架疲劳强度分析垂向载荷横向载荷纵向载荷载荷施加位置mc：超员车辆总质量nb：转向架数m+：转向架质量(1)疲劳强度有限元分析——建立有限元模型（同静强度）(2)依据UIC615-4和EN13749等标准对构架施加运营载荷工况第3章动车组转向架模拟运营工况工况侧梁上垂向载荷横向载荷斜对称载荷左侧梁右侧梁1002003040050600708009010111213α表示车体在曲线上滚摆运动引起的垂向载荷的动态变化α=0.1β表示车体浮沉运动引起的垂向载荷的动态变化β=0.23.9.1转向架构架强度分析第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析模拟疲劳工况特殊载荷分类动载荷牵引电机惯性力(1)在主横梁安装点处:为电机重量2(2)在端梁安装点处：为其上部件重量3驱动载荷(1)模拟构架作用的驱动载荷均施加于轴箱平面内(2)模拟电机的反作用扭矩均施加于构架上支撑平面内制动力闸片作用于制动盘上的力减振器力作用在安装座上，减振器在额定速度时产生的力纵向载荷第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(3)基于Goodman曲线的构架疲劳强度评估步骤：1）确定结构在不同载荷工况作用下的主应力值和方向；

2）将所有载荷工况作用下结构的最大主应力方向确定为基本应力分布方向，其值为最大计算主应力，计算其与结构基准线（或计算模型的整体坐标系的坐标轴线）的夹角，如右图a所示；

3）将在其它载荷工况作用下的主应力投影到基本应力分布方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力，如右图b所示；

4）由最大和最小主应力值计算平均应力和应力幅或应力比；

5）用修正Goodman疲劳曲线评定结构的疲劳强度。aba平均应力：应力比：应力幅：第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析(3)基于Goodman曲线的构架疲劳强度评估σb:材料拉伸屈服强度σs:材料的压缩屈服强度。σ-1N:材料的对称循环疲劳极限点O:原点，表示零应力状态点B:屈服强度下的疲劳极限点C:抗拉强度的情况。点A，D:材料在屈服强度和抗拉强度之间的疲劳强度变化情况。点E和点D:压缩区域的极限。a,b,c,d划分了不同的疲劳安全区和失效区，用于判断工作点是否在安全范围内。通过这些点和区域，可以判断给定平均应力和应力幅值组合下，材料是否在疲劳安全范围之内。判定准则：计算每个评估点是否在Goodman疲劳极限线图范围内。第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析基于Goodman曲线的构架疲劳强度评估对于构架上模拟运营载荷工况动应力很低的点，则应当充分验证由特殊载荷产生的动应力值是否在Goodman疲劳极限线图范围内。对于构架上模拟运营载荷工况动应力较大的点，则应将其与由特殊载荷产生的动应力相叠加，并验证是否在Goodman疲劳极限线图范围内。第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析疲劳强度评估案例—根据计算结果选取容易出现的疲劳位置最大位置周边选取总计12处容易疲劳失效点最大位置显示在侧梁下盖板的圆孔处和横向止档座处构架第5模拟运营工况下第一主应力云图构架第7模拟运营工况下第一主应力云图第3章动车组转向架3.9.1转向架构架强度分析疲劳强度评估案例—疲劳强度评估结果及分析确定评估点在所有工况下应力的最大值和最小值再计算平均应力和应力幅平均应力应力幅结论：疲劳评估点1位于侧梁下盖板圆孔处，超出Goodman疲劳曲线的包络范围，表明此处的疲劳强度超出了规定要求，在使用过程中极易发生疲劳失效。因此需要对此处结构重新设计优化。第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析1.轮轨间接触应力的计算假设车轮和钢轨是由两个不同半径的曲面所构成的弹性接触体，根据赫兹应力分布，轮轨间的弹性接触面呈椭圆形状，最大压应力发生在椭圆中心，其值为a和b分别为接触面椭圆的长、短半轴(mm)计算公式分别为a和b关系如下分别为车轮踏面的最小和最大曲率半径分别为钢轨顶面的最小和最大曲率半径式中第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析1.轮轨间接触应力的计算θ/(°)010203035404550m∞6.6123.7782.7312.3972.1361.9261.754n00.3190.4800.4930.5300.5670.6410.641θ/(°)5560657075808590m1.6111.4861.3781.2841.2021.1281.0611.000n0.6780.7170.7590.8020.8460.8930.9441.000根据θ计算值，查表可确定系数m，n第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析1.轮轨间接触应力的计算轮轨接触时，最大剪应力发生在接触面以下某一深度处，其距离为该处的最大剪应力国家日本英国苏联中国接触应力计算值(MPa)980~117614701323~13721130~1270各国的接触应力计算值见下表。由于轮轨间的磨耗变形，实际接触应力比计算值小。第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析2.车轮载荷工况作用于车轮的机械载荷工况依据UIC510-5标准确定，加载位置如图所示，共分为三种载荷工况。车辆在轨道直线区段运行工况完全在曲线上通过时工况

对于导向轴为

对于非导向轴为通过道岔时工况对于导向轴为对于非导向轴为Q为满轴重静态轮载g为重力加速度(m/s2)第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析3.车轮静强度分析由有限元模型得到的静强度验证结果以等效应力(VonMises应力)的形式来表示等效应力由主应力通过表达式来计算安全系数为为车轮材质的屈服强度第3章动车组转向架3.9.2车轮强度分析3.车轮疲劳强度分析车轮上所有节点在规定的直线、曲线、道岔等三种载荷工况下，在转动过程中(即三种载荷工况作用在车轮圆周的多个断面上)的动应力范围

应低于疲劳许用应力动应力范围

确定方法如下

为将该节点在所有载荷情况和载荷平面下的应力张量投影到

对应的方向上，投影值最小的正应力值记为

，其值为机加工车轮未加工车轮第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析1.车轴上的作用载荷拖车车轴的载荷主要包括：①在车轴上的各种部件所产生的作用力②制动力和制动力矩(包括弯矩和扭矩)

③对于动车车轴，还应包括牵引力和牵引力矩(包括弯矩和扭矩)第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析1.车轴上的作用载荷P1：增载侧轴颈上的垂向力P2：减载侧轴颈上的垂向力Y1：增载侧轴颈端车轮作用在钢轨上的横向力Y2：减载侧轴颈端车轮作用在钢轨上的横向力H：平衡Y1和Y2的力Q1：增载侧轴颈端车轮上的垂向反作用力Q2：减载侧轴颈端车轮上的垂向反作用力Fi：两车轮间的簧下部分部件施加的作用力b1：轴颈上垂向力作用点间的距离2b：车轮滚动圆间的距离h1：车体重心距车轴中心线的高度yi：车轮滚动圆和力Fi之间的横向距离r：车轮滚动圆名义半径。《铁路应用轮对和转向架第1部分：带外侧轴颈车轴的设计方法》(EN13103-1-2017)标准第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析1.车轴上的作用载荷在静态载荷作用下，车轴上的作用载荷按照以下各式计算第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析2.车轴静强度分析正常运行工况引起的弯矩在轴颈中心到车轮之间的弯矩在两车轮之间的弯矩式中，y为轴颈中心到车轮之间的任一位置1)车轴上弯矩的计算第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析制动载荷引起的弯矩制动盘与轴承垂向加载平面之间，车轴的垂向弯矩在两个制动盘之间，车轴的垂向弯矩在制动盘与轴承垂向加载平面之间，沿纵向弯矩在两个制动盘之间，沿纵向弯矩在两个制动盘之间的扭矩为m1=使用质量+1.2有效载荷为平均摩擦系数为接触面作用力m1为每个轮对轴颈上的质量(包括轴承和轴箱质量)m2为轮对质量和轮对滚动面间的质量(制动盘、齿轮等)第3章动车组转向架3.9.3车轴强度分析2)车轴应力的合成计算

车轴的合成应力是作用于车轴合成力矩结果的体现，在车轴的任一横断面上，作用的合成力矩MR为式中为车轴某一断面的应力值；为车轴某一断面的弯矩值；

为与

所在截面对应的抗弯模数，用

其中