地铁车转向架构架的疲劳强度分析
穆晓军++张隶新++陈经纬
[摘 要]构架是地铁转向架的承载骨架，其强度可靠性对转向架的安全运行有着重要的影响。本文根据焊接结构疲劳失效的特点，基于DIN 15018-1标准的焊接结构疲劳强度分析方法对地铁动力转向架构架结构进行疲劳强度分析，分析结果表明，该方法能准确地反映构架的疲劳强度储备情况，保证轻量化设计构架结构的疲劳强度，本文的分析对地铁转向架焊接构架设计具有一定的工程指导意义。
[关键词]地铁动力转向架 构架 疲劳强度 分析
中图分类号：U270.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0026-02
1 引言
焊接构架是地铁转向架的承载骨架，转向架的轮对轴箱、悬挂系统、驱动装载、制动装置、牵引装置等均安装在构架上，构架的强度可靠性对列车安全运行起着重要的作用。因此，研究构架结构的疲劳设计对发展地铁转向架技术有着重要的工程意义。
目前，对地铁转向架焊接构架结构设计和强度分析主要采用UIC标准[1]和EN[2]标准进行，结构疲劳强度分析采用ERRI B12/RP17[3]给出的方法实施，其基本原理是结构疲劳裂纹的扩展方向与最大应力方向相互垂直，且将多轴应力转化为单轴应力，利于Smith形式的Goodman疲劳曲线或者Moore-Kommers-Japer疲劳曲线进行评估。地铁车辆在线路上运行时，构架承担的载荷为随机载荷，在不同的运行条件下，构架承担载荷的大小和方向随时发生变化。即使按照UIC615-4标准和/或EN13749标准规定的计算载荷和载荷工况对构架应力分布进行分析，分析结果指出，结构同一位置在不同载荷工况下，结构的主应力的大小方向均发生变化，且构架多数区域的应力分布为多轴应力状态[4-7]。因此，合理处理多轴应力对焊接结构疲劳强度的影响具有重要的工程意义。本文针对焊接接头疲劳失效的机理，基于DIN 15018-1标准[8]对地铁转向架构架进行疲劳强度分析。
2 计算分析
2.1 计算模型
构架结构强度有限元分析使用ANSYS有限元软件在DELL T7500微机工作站上进行。构架结构离散为三维实体单元、牵引电机质量离散为三维质量单元和一系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元。构架有限元模型由1129834个节点和915008个单元组成。其中：8节点六面体和10节点四面体实体单元914274个、三维梁单元350个和三维弹簧单元384个。
2.2 边界条件
根据EN13749标准的规定确定构架结构、牵引电机、齿轮箱、基础制动装置、抗侧滚扭杆装置和一二系减振器安装座的计算载荷，共组成35个载荷工况。
为了模拟安装在构架上的设备对构架作用力的真实情况，使用ANSYS软件的MPC梁单元、三维梁单元和弹簧单元模拟一系弹簧悬挂、轮对轴箱装置、牵引电机、齿轮箱、抗侧滚扭杆装置和基础制动装置在构架上的定位形式，获得构架在转向架运行载荷作用下的准确应力分布。
车体对构架的计算载荷分别作用于构架的二系悬挂系统和二系横向止挡区域，约束条件施加于轮轨作用点，保证与构架在运行中的受力状态一致。
地铁转向架的设计质量为6300kg、设计轴重为17t、轴距为2500mm、车轮名义滚动圆直径为？840mm。
2.3 制造材料
焊接构架结构由Q345系列的钢板焊接而成，Q345钢板母材区域、低缺口效应焊接接头和高缺口效应焊接接头正应力的Moore-Kommers-Japer疲劳曲线如图2所示。
根据Von_Mises变形能准则，无缺口母材的许用剪应力由无缺口母材的许用正应力[σ]确定，且满足关系式：
（1）
焊接接头的许用剪应力经过修正由焊接接头的许用正应力[σw]确定，且满足关系式：
（2）
3 结果分析
在35个疲劳载荷工况作用下，构架主体结构的最大Von_Mises应力为211.57MPa，出现在构架侧梁中部安装空气弹簧钢管下端的内孔边缘；牵引电机安装座的的最大Von_Mises应力为119.30MPa，出现在牵引电机安装座L型侧板下部的母材圆弧区域；二系横向减振器座区域的最大Von_Mises应力为177.07MPa，出现在与二系横向减振器座焊接的侧梁下盖板母材圆弧区域；齿轮箱吊挂座的最大von_Mises应力为134.23MPa，出现在齿轮箱吊挂座的母材圆弧区域；制动器吊挂座的最大Von_Mises应力为101.36MPa，出现在制动器吊挂座的母材圆弧区域；一系垂向减振器安装区域的最大Von_Mises应力为182.22MPa，出现在一系弹簧定位截面的侧梁下盖板孔边的母材圆弧区域。
在35个疲劳载荷工况组成的相对于焊缝方向的应力循环中，相对于焊缝方向的单个平行于、垂直于焊缝方向的正应力和平行于焊缝方向的剪应力与对应的许用应力之比均小于1.0。构架在35个疲劳载荷工况的载荷作用下，其应力分布为多轴应力状态，其最大值1.0182出现在侧梁下盖板与立板的连接焊缝区域，且小于1.1。因此，构架的疲劳强度满足EN13749标准的要求。
4 结论
在焊接结构中，焊缝接头是焊接结构疲劳强度的薄弱区域，焊接接头的疲劳失效取决于焊缝区域应力的大小和方向，特别是垂直于和平行于焊缝方向的正应力以及平行于焊缝方向的剪应力。本文针对焊接结构疲劳失效的特点，基于DIN 15018-1标准给出的焊接结构疲劳强度评估方法，对地铁动力转向架的焊接构架进行强度分析，可以得出以下结论：
（1）按照DIN 15018-1标准给出的焊接结构疲劳强度分析方法，地铁转向架构架的疲劳强度满足EN 13749标准的要求；
（2）在多向载荷作用下，构架的应力分布为多轴应力状态，DIN 15018-1标准给出的焊接结构疲劳强度分析方法能有效地反映多轴应力对焊接接头疲劳强度的影响；
（3）在多载荷工况下的构架疲劳强度分析中，每个载荷工况下，Von_Mises应力最大大节点通常非构架结构疲劳强度的危险点，需对整个构架结构进行分析处理，才能找出结构疲劳强度的危险点。
参考文献
[1] UIC615-4/2003. Powered Vehicles— Bogies and Running Gear — Strength Tests of Bogie Frames[S].
[2] EN13749-2011. Railway applications —Methods of specifying structural requirements of bogie frames[S].
[3] ERRI（Europ？isches Institut für Eisenbahnforschung）-Sachverst？ndigenausschlu？ B12. ERRI B 12 RP17.Güterwagen. Utrecht： Europ？isches Institut für Eisenbahn- forschung.1997
[4] 米彩盈，李芾.焊接转向架构架疲劳强度评定的工程方法[J].内燃机车，2002，（6）：11-14
[5] 张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J]. 机械设计与制造，2009，（1）：45-47
[6] 王文静，刘志明，李强，缪龙秀.CRH2 动车转向架构架疲劳强度分析[J]. 北京交通大学学报，2009，33（1）：5-9
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[8] DIN15018-1/1984.Cranes Steel structures Verification and analyses [S].
