机车转向架构架强度的有限元分析.doc

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-DEARS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12 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；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 所示取荷备崔性质与符号大小祚闻点垂直:亠空体垂衣神就何162,95二垂圆棘賞处构架毎側齿轮範垂氏靜载荷17. 0«齿轮歸支承点构齟与轮对分配垂直车犠垂直踰載荷偲89二系固博蓝处构架超傭齿轮笹垂直动盃福76. Sfr齿轮箱支承處构捱与轮对分配率引引工配持壤牽引厦扭建94.06齿轮筒支承点"每肉鸵箱錶向捋绽聲引屯…107.50抽箱拉杆座毎构架起动牵 引工况起动来引画矩124.25齿轮箱支承点毎僅轮箱纵向起动率引力冷ZUU轴输拉秆座毎狗架制前 载荷雜用 制茹安装罐常用制动力5.-00制豺吊杆左藝摩每吊杆.座力乳向常用制动力]?. 92毎构駆錢止焦制动方6,1%制动吊杆安鉴座毎用杆序力纵向«AM动力127” 12轴戦拉杆座毎构集 横向载荷横向栽荷97.77M載屡中夬3 计算工况的选取 根据TB/T 2368 — 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ORE B12报告中的 Goodman 疲劳极限图，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. OMPa，其应力分布见图217: UQ: 19 厲柑■期艺 Stress I ci iS4?rnM sc/ P \ I 卜:％ * v pTti i ■ y_ QFringe cjh^I. 4, biatic SliI十BIK'D叫9. S4 - nosH n-ooidrfjiull Fnngt:Max L OT 1CO2 @ Nd I 幽1Min 9. 84 -0051 tt'OOl7円心▲图2梅架在曲线通违工疏下的应力云图表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ft? 各工呪下的最大变瞎及耳出现的区琲工况離之亜形iS/min出现区域工况一0-272横架中央的下葢板工况二0 254: 橫藍中矗的下蓋振0.52

文中构架的材料为16 MnRo 16 MnR的屈服极限oa=225 MPa强度极限ob=420 MPa, 安全系数取1. 65，许用应力[o]=136. 364MPa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4 平均应力岀聽緯值区诙的平迪应力与应力（#7■帆血平均应力岀现 峰值的区域平均 应力牽引 应力幅制动 应力幅应力福 极限+夏、・g方向C73.52氐i23. 56L3+ ^ + z方向C2L723.5&3.1+ 2 2方向D45.2IT 4^8. 870.3+ X^ 2方向D56.517.4他g66.7-Z方向C67.821.718.863]-Xs+ Z方向C62 221.723.564.9-X.- Z方向045.217.4IS. 870.3-1^4 g方伺D50.917.4佩868.5・』、-2方向与横 舉梅连接的A8+.S30.42K2S7.7方向与触梁榜连按的*価530.43X9陆7牵弓懺力編峰眼出现峰強的区域以及这些區城的甲购应力FP自应力帽屈现峰値的区域奉引工况应力福平均应力应为緬扱顒+ *方应E56.517.079,2-*、亠£方向R&5.2H. 3KL0・X、+ E方向H65.217,079,2叢6制动应力幅峰虫、出現瞳值的恵域以及这些區场的甲均应力冲P看应为幅岀现峰值的区域牵弓1工况应力幅華均应力应力幅极車i制动左装座与*X方向端梁理接虹42.35- 6582.9制切安It厘与 犠累连接处70. 55.65, 62.9橫粱阴近的制动安辈 座与删梁连接处| 56,4 '22.677 r 4制动安方向瑞鱷连磧址32.95.6382.9-17： 46:203 59001-135-001 —2占1也首357-KJf323-OfTl2.56-OD1Z 27-001r^fku lt - Fripigp*Mlik 5 26 - fJOl @Xd IS9324 ysgiI K8 0015 结论 本文结合实例，详细介绍了用有限元分析软件MSC/PATRAN和MSG/NASTRAN对机车转向架构架强度计算和分析的方法。

对于文中构架，根据计算结果可得到满足静强度和疲 劳强度要求的结论由此进一步探讨用有限元的理论和相应软件对机车转向架构架强度可 靠性予以评价的方法，使计算机模拟的方法在提高转向架构架应用安全可靠性方面进一步 普及大大降低生产成本。