空轨转向架构架设计强度分析

贵阳职业技术学院 郭 雷

转向架构架强度分析的目的是为了确定转向架在运用载荷作用下具有的承载能力，保证其在使用期间的安全性和可靠性；与此同时应尽可能减小转向架及其各个部件的结构自重，才能充分发挥结构的整体承载能力。

目前，构架强度分析方法主要采用经典的力学方法和有限元法。对于结构形状简单的零部件，用材料力学方法即可获得准确的计算结果，但是对于转向架构架等结构复杂的零部件，目前应用比较广泛的分析方法是采用商业有限元软件进行计算。本文即是采用CATIA中自带的ANSYS功能对转向架构架进行静强度分析。

表1 空中轨道列车的主要参数

利用CATIA软件对转向架构架进行建模和对它进行网格的划分。如图1和图2所示。

图1 转向架构架CATIA模型

图2 CATIA网格划分

1.构架静强度分析

转向架构架静强度分析中涉及的计算载荷和计算载荷工况根据国际铁路联盟（UIC）规程UIC 615-4-2003《Motive power units-Bogies and running gear-Bogie frame structure strength tests》（《动力车—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验》）确定。

2.超常工况下载荷静强度分析

这是为了验证转向架在运用过程中，在最大超常载荷作用下，构架到底会不会发生永久变形，在这同时就需要对构架结构进行修改等。

超常工况载荷试验为全载荷试验，试验中转向架构架上的任何点不得超出材料的许用应力，试验载荷撤去后，构架不得有任何永久变形。该试验中不模拟作用在转向架上的惯性力（即不模拟牵引力和制动力），因此，为平衡车轮上的力而在二系悬挂装置（包括空气弹簧和横向止档）上施加了较大的横向力，试验中如果位于二系悬挂装置（包括空气弹簧和横向止档）上方的部件应力超出了材料的弹性极限，应将横向力减半后重新试验。

试验载荷定义如图3所示。

图3 超常工况静强度试验载荷施加示意图

转向架构架上的垂向静载荷：

式中：

Q—转向架轴重，取Q=7500kg；

nb—转向架数量，取nb=2；

β—垂向动载荷系数，取β=0.4；

m+—转向架质量，取m+=4600kg。

代入式(1)，求得：

转向架构架上的横向载荷：

式中：

mv—空车整备质量（装载相应的燃料和水），取mv=8455kg；

c1—人员质量，取c1=75×70=5250kg；

nb—转向架数量，取nb=2；

ne—每台转向架的轮对数量，取ne=2。

带入式(2)，求得：

横向载荷施加的位置包括转笔定位销和摇枕安装座的地方。

经过计算转臂定位座所收的横向力大概为F=/2=21203.8375。

转向架构架的扭曲载荷：

本文设计的转向架装有一系和二系悬挂装置，根据根据UIC 615-4-2003《动力车—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验》，转向架构架承受的扭曲载荷为线路最大扭曲载荷的10‰，可以在一系螺旋钢弹簧处施加转向架固定轴距的10‰的位移等效代替，即1.84×10‰=0.0184m。而一系弹簧的横向刚度为5MN/m，所以扭转载荷为：

在超常工况载荷静强度实验中不模拟纵向载荷。在异常场合，系数1.4可增加到2，即此时的工作情况被视为特殊情况的时候。

3.模拟运营工况下载荷静强度分析

这是为了验证转向架在实际主要运营载荷的作用下，构架到底会不会出现疲劳裂纹等情况（垂直和横向力、线路扭曲的影响）。

试验装配中应该允许在实际运用中在任何可能发生载荷的位置都要施加载荷，并同时能模拟悬挂装置以及转向架与车体之间连接件的运动和自由度。在安装牵引电机后，转向架构架需要接受各种载荷组合，以便模拟车体垂直运动（浮沉运动）引起的垂向力的动态变化和车体侧滚引起的垂向力的动态变化。

试验载荷定义如图4所示。

图4 模拟运营工况静强度试验载荷施加示意图

（1）转向架构架上的垂向静载荷

（2）转向架构架上的垂向动载荷

车体侧滚运动引起的垂向力的动态变化，它的垂向力百分数用α来表示，即，取α=0.1；车体的吹响运动（浮沉运动）引起的垂向力的动态变化，他的垂向力百分数用β表示，即βFz，取β=0.2.如果所知道的线路质量非常差的时候，或者是加入车辆工作在超高非常不足的线路上，则这些值可以取得更大一些。但是悬挂式列车的的工作线路一般来说都是比较好的，所以就按α=0.1和β=0.2来取。

齿轮箱所传递给安装座的载荷是按齿轮箱重量在乘以三，所以：

（3）转向架构架上的横向载荷

式中m+为转向架重量，取m+=4600kg。

带入式中(4)，求得：

（4）转向架构架上的扭曲载荷

本文中的转向架装有一系和二系悬挂装置，所以转向架构架承受的扭曲载荷为线路最大扭曲载荷的10‰，可以在一系弹簧处施加转向架固定轴距的10‰的垂向位移等效代替，即1.84×10‰=0.0184m。

（5）载荷工况及载荷组合

在不考虑纵向载荷（即不考虑牵引设备和制动设备产生的附加载荷）的情况下，根据以上计算的各种载荷，的到基于静强度理论的转向架构架静强度计算模拟运营载荷工况的组合，如表2表示。

表2 载荷工况及载荷组合

将各载荷计算结果带入表2，计算结果见表3。

表3 载荷工况及载荷组合（力/N）

4.边界条件

在施加载荷之前，需要对转向架构架进行添加约束条件，在四个一系弹簧处需要施加一个垂向约束和横向约束，由于还要考虑扭曲载荷，所以还需要在四个导向轮的安装座处加上横向约束。

5.小结

本章通过CATIA对转向架构架进行三维建模，在利用CATIA本身自带的的ANSYS功能，先对转向架进行了网格的划分，并且通过分析计算，计算出了转向架构架静强度分析涉及的种种载荷大小和载荷工况的不同组合。在进行静强度分析的时候，需要对转向架构架进行添加边界条件，本章节讲述了怎么给转向架构架添加边界条件，为后面的强度分析的方针计算提供的夯实的前期支撑。也是很必要的一个关键步骤。