机车车辆转向架构架焊接疲劳强度评定的工程方法应用

曹竞玮,徐传波

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部,山东 青岛266111; 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都610031; 3.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州450052)

构架作为转向架众多部件联结的主要结构件,是承载和传递力的基体.机车在多种运行工况下,通过与轴箱拉杆、悬挂系统和驱动装置等相连,承受来自车体及其上部设备重量的垂直载荷和由机车振动引起的垂直附加动载荷;承受机车牵引、制动时产生的牵引力或制动力;承受机车通过曲线时的水平横向力和离心力等[1].构架受力状况十分恶劣,因而它必须具有足够的强度和刚度.

在轨道交通车辆装备制造业中,转向架构架制造是其中最为重要的技术环节之一[2].转向架构架作为大型板件焊接构件,包括构架侧梁、牵引梁与大多设备安装座等都是通过焊接实现连接,焊缝类型多且分布复杂.其焊后的结构强度与疲劳强度将决定机车车辆的安全运行与否.因而在设计阶段,对转向架构架进行焊接疲劳强度的评定是十分重要的.

参照UIC 615-4标准[3]中的计算方法与工况组合,应用有限元的方法对某B0转向架进行了静强度计算,并提取局部焊缝应力点,对主体与设备安装座的焊缝疲劳强度进行评定.

1 转向架计算模型

1.1 构架结构

转向架B0构架结构为H型,由左右两侧梁和中间牵引横梁组焊而成.构架侧梁与横梁均为薄板箱型焊接结构.一、二系悬挂安装座,一系垂向减振器安装座,横向和垂向止挡座和转臂轴箱安装座.横梁中间设有安装牵引装置的凸台,梁两侧焊有两个电机吊挂座,如图1所示[4].

图1 构架结构示意图Fig.1 Diagram of frame structure

1.2 构架有限元模型

基于HYPERMESH 11.0建立了构架有限元模型,如图2所示.在离散构架模型时，采用SOLID 95实体单元,单元总数为1 345 262个.一系弹簧座与转臂轴箱处设置纵向、横向与垂向的虚拟弹簧单元,单元类型为COMBIN14,单元总数为8 977个.构架有限元计算模型如图2所示.驱动装置吊挂座、一系垂向减震器座、制动器座、牵引座的局部视图如图12～图15所示,其余略.

图2 构架有限元模型示意图Fig.2 Finite element model of frame

参照UIC 615-4规范中给定的强度试验加载示意图,在转臂轴箱安装座处设置横向与纵向约束,一系弹簧座施加垂向约束.垂向载荷加载位置为两侧二系簧处,横向载荷分别施加于二系簧与横向止挡,纵向载荷施加于牵引座,其余驱动装置、减震器载荷施加于对应安装座位置.

2 载荷计算与工况组合

参照标准UIC 615-4(《动力单元-转向架和走行机构-转向架构架结构强度试验》)中的载荷计算与工况组合,对构架进行了载荷计算.

由于本文旨在研究构架焊接疲劳强度的评价方法,因此仅计算运营载荷工况,超载工况不进行计算[5].

2.1 模拟运营载荷

分析模拟运行过程中所受到的载荷,计算式如表1所示[6].

表1 运营载荷工况组合表Tab.1 Calculation of operating load conditions

表1中:nb为单节转向架的数量;mc为机车的质量;mb为构架的质量;Δ1为二系横向止挡自由间隙;Δ2为二系横向止挡弹性间隙;ksy为二系簧的总横向刚度;Fc为持续牵引力;lp为一系簧支撑横向跨距;la为轴距;ls为二系橡胶堆横向跨距;lr为两轮与轨接触点横向距离;Mn为额定扭矩;i为传动比;l1为驱动系统质心距车轴中心的距离;l2为驱动系统质心与构架电机装配吊挂点的距离;md为装配质量;D为轮径;μ为黏着系数;Lz为车轴轴心至闸瓦的水平距离;fyxc为一系垂向减振器阻尼力;nz为单个轮对上的制动器数量.

2.3 计算载荷工况组合

以UIC 615-4规范中的垂向载荷、横向载荷和斜对称载荷为基本载荷,然后考虑侧滚与浮沉的影响,运营载荷工况组合如表2工况1～17所示[7].

3 构架强度计算结果

模拟运营载荷工况下,计算结果见表3.由表3可知,转向架构架最大Von-Mises等效应力值均低于材料屈服极限(Q325),且有较高的安全裕量.工况15,即曲线制动时,转向架构架受力状况最恶劣,最大Von-Mises等效应力为236.9 MPa,安全系数为1.37.构架应力分布云图见图3所示,可知危险点位于制动安装座的焊接位置.

表2 运营载荷工况组合表Tab.2 Combination of operating load conditions

注:α=0.1,考虑侧滚影响;β=0.2,考虑浮沉影响.

表3 模拟运营载荷工况计算结果Tab.3 Simulated operation load conditioncalculation results

图3 工况15 构架等效应力云图Fig.3 The equivalent stress cloud diagram ofthe frame in 15 work condition

4 焊缝疲劳强度计算与评定

4.1 疲劳评定方法

由于当前还没有焊接构架材料S355的疲劳实验数据,鉴于St-52-3与钢材料S355的强度等级相近,所以根据标准DIN17100的规定,可以采用St-52-3钢的Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图对构架母材及焊缝进行疲劳强度校核.

针对17个模拟运营工况,参照疲劳试验中的应变贴片的位置,即以焊趾外2 mm处的节点作为应力提取点,如图4所示.根据最大应力σmax方向简化为各点应力状态为单轴应力,即根据各应力取值点的最大应力值σmax和最小应力值σmin,得到应力比R(R=σmin/σmax).再取σmax为竖轴和R为横轴在Moore-Kommer-Japer曲线图上绘制,进行疲劳强度的校核与安全系数的计算.

图4 焊接接头应力提取点位置Fig.4 Location of stress extraction point of welded joint

4.2 构架主体焊缝疲劳强度校核

由于构架的焊缝数量很大,因此选取部分具有代表性的焊缝进行疲劳强度校核,如图5所示,共计15条角焊缝与对接焊缝.其中角焊缝包括侧梁上下板与内外侧立板之间的焊缝、中间横梁的上下板与前后侧立板之间的焊缝;对接焊缝包括侧梁上板之间(下板之间)的焊缝、中间横梁上板之间(下板之间)的焊缝.

图5 构架主要焊缝位置Fig.5 Position of frame main weld

如4.1节所述,将选中焊缝上的节点提取应力值并完成计算.由于角焊缝与对接焊缝的疲劳极限曲线不同(角焊缝的疲劳强度安全性要求更高),所以需要在Moore-Kommer-Japer曲线图上分开进行绘制,如图6和图7所示.

图6 构架对接焊缝疲劳评定Fig.6 Fatigue evaluation of butt weld on frame

图7 构架角焊缝疲劳评定Fig.7 Fatigue evaluation of fillet weld on frame

结果表明,该转向架构架所有主体焊缝的满足焊缝疲劳强度设计要求,并具有较大的安全余量.部分节点的疲劳数据及安全系数如表4所示.

4.3 部分设备安装座的焊缝疲劳强度校核

对驱动装置吊挂座焊缝疲劳强度的校核,计算载荷工况见表5.驱动装置吊挂座部分焊缝节点的Moore-Kommer-Japer曲线疲劳评定结果如图8所示,驱动装置吊挂座局部应力云图如图9所示.

4.3.2一系垂向减震器座的焊缝疲劳强度

对一系垂向减震器座焊缝疲劳强度的校核,计算载荷工况如表5所示.一系垂向减震器座部分焊缝节点的Moore-Kommer-Japer曲线疲劳评定结果如图10所示,驱动装置吊挂座局部应力云图如图11所示.

表4 部分节点的疲劳数据及安全系数Tab.4 Fatigue data and safety coefficients of some nodes

表5 各配件安装座焊缝疲劳强度计算工况Tab.5 Calculation condition of fatigue strength on assembly seat of some fittings

图8 驱动装置挂座焊缝疲劳评定Fig.8 Fatigue evaluation of assembly seat of drive

图9 工况1:电机吊座等效应力云图分布Fig.9 Equivalent stress cloud map of assemblyseat of drive in work condition 1

图10 一系垂向减震器座焊缝疲劳评定Fig.10 Fatigue evaluation of assembly seatof 1st vertical shock absorber

图11 工况4:一系垂向减振器座等效应力云图分布Fig.11 Equivalent stress cloud map of assembly seat of1st vertical shock absorber in work condition 4

4.3.3制动器座

对制动器座焊缝疲劳强度的校核,计算载荷工况如表5所示.制动器座部分焊缝节点的Moore-Kommer-Japer曲线疲劳评定结果见图12,制动器座局部应力云图见图13.

图12 制动器吊座焊缝疲劳评定Fig.12 Fatigue evaluation of assemblyseat of brake

图13 工况4:制动座等效应力云图分布Fig.13 Equivalent stress cloud map of assemblyseat of brake in work condition 4

4.3.4牵引座

对牵引座焊缝疲劳强度的校核,计算载荷工况如表5所示.牵引座部分焊缝节点的Moore-Kommer-Japer曲线疲劳评定结果见图14,牵引座局部应力云图见图15.

图14 牵引座焊缝疲劳评定Fig.14 Fatigue evaluation of assemblyseat of traction

图15 工况2:牵引座等效应力云图分布Fig.15 Equivalent stress cloud map of assemblyseat of traction in work condition 2

5 结论

参照UIC615-4规范,对某单节八轴机车转向架B0构架进行了焊接疲劳强度的计算,结果表明:

近日，《中国农资》记者在内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗大佘太镇调研时发现，来自该镇马卜子村玉稼兴专业合作社的社员们在水肥一体化技术的使用上有了新的突破。

(1) 在17个模拟运营工况下,构架各节点的等效应力值均不超过材料的屈服极限,具有较高的安全裕量,满足静强度设计要求.

(2) 通过提取15条主体焊缝的计算应力值分析绘图得知,构架主体焊缝疲劳强度满足Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图的设计要求.

(3) 通过提取设备安装座与构架之间焊缝的计算应力值分析可知,构架驱动装置、一系垂向减震器、制动器和牵引装置的安装座的焊缝疲劳强度满足Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图的设计要求.

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