高速转向架焊接构架性能仿真建模方法

谢素明，杨文平，高 阳

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.中国北国集团 长春轨道客车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130062)*

0 引言

铁路运输向着高速与重载方向发展，作为列车的主要承载结构转向架的服役条件变得更加恶劣，转向架暴露出的问题越来越多，如:轴箱转臂裂纹、空气弹簧各部件不同程度的失效和横向油压减振器严重漏油等故障［1-2］，对车辆的安全运营产生严重威胁.

目前，对高速转向架开展的主要研究集中在载荷谱编制与性能分析方面.王文静等对武广客运专线高速列车运营全工况下的转向架载荷进行了跟踪测试，编制了构架浮沉、侧滚、扭转与横向载荷系谱［3］.赵志强分析CRH5A型动车组三级检修时转向架静载试验中存在的问题［4］.张大福等基于京津线的构架主要载荷的时间历程，分析了各种故障工况对CRH3型动车组拖车转向架主要载荷的影响程度关系［5］.赵波等对某型高速动车组转向架构架进行静强度和疲劳强度分析与评估［6］.安琪研究了高速动车组转向架构架振型和扭转刚度对车辆系统动力学行为的影响以及构架扭转刚度对其结构疲劳强度的影响，提出了扭转柔性构架的刚度设计准则［7］.

高速动车组转向架承载具有特殊性，在仿真分析其结构性能的各项指标时，创建高置信度的分析模型是关键.本文通过研究有限元分析的构架及部件变形规律，总结高速动车组动车焊接构架及其附属部件的支撑和承载模拟方法.

1 构架结构及承载特点

自主研发高速动车转向架为无摇枕、转臂式轴箱定位结构.焊接构架是由两根侧梁和两根横梁组成的H型构架.侧梁上焊有定位座、抗蛇形减振器座、垂向减振器座、抗侧滚扭杆座以及制动吊座等;横梁上焊有电机吊座、齿轮箱吊座、横向减震器座以及牵引拉杆座;横梁之间有箱形结构的纵向连接梁，纵向梁上焊有横向止挡.侧梁、横梁及纵向连接梁采用高强度耐候钢板，安装座和横梁与侧梁连接部位采用Q345E锻造而成.

国际铁路联盟标准(UIC515-4和UIC615-4)、欧洲标准(EN13749)、日本工业标准(JIS E4207)以及我国现有的焊接构架设计标准TB/T1335-1996和TB/T2368-1993构架强度设计方法是转向架试验载荷及评价的主要标准.根据这些标准，构架主要承受垂向载荷、横向载荷、纵向载荷以及来自附属结构的惯性载荷等，参见图1.

图1 构架试验的主要载荷分布及支撑位置示意图

2 构架性能仿真模型

构架性能仿真模型应包括的内容:焊接构架主结构与其上的附属安装座结构的有限元建模、对支撑结构的模拟、承受载荷的施加.此外，当考察局部安装座结构强度时，也需要考虑是否将联接部位结构纳入到仿真模型中.

2.1 构架结构建模

H型的构架主结构应主要离散为三维六面体单元，为了分析出侧梁与横梁沿厚度方向的应力变化梯度，沿板厚方向应至少有二层单元.焊接到构架上的各种锻造件(定位座、减振器、吊座等)，当需要对焊缝建模时，这些锻造件以及与构架的焊缝主要离散为六面体单元，过渡单元采用四面体单元，见图2.

图2 构架性能仿真模型局部示意图

2.2 构架支撑模拟

为保证与构架静强度试验支撑位置(见图1)的一致性，构架性能仿真模型中在构架轴箱弹簧位置需建立弹簧单元和约束来垂向支撑构架;横向和纵向支撑需要通过一些“特殊单元”联接转臂座和牵引拉杆座，这些“特殊单元”仅向构架传递载荷.通常借助 ANSYS软件中的 RBE2和RBE3单元实现.RBE属于多点约束单元，基于一定的模式来控制节点之间的自由度.RBE2单元是典型的刚性单元，该单元是一个主节点决定多个从节点，用来模拟两个部件成为一体的情况.RBE3单元主节点位移是从节点位移的线性组合，通常用于把集中力或力矩分配到实际承载的区域的各个从节点上，从节点得到力之后，各自独立变形.

考虑到构架静强度试验时，转臂座处和一系弹簧套筒内采用的工装刚度较大，牵引拉杆座处的刚度相对较小，构架性能仿真模型中采用刚性单元RBE2模拟横向约束，采用柔性单元RBE3模拟纵向约束.分别采用RBE2和RBE3模拟垂向约束时，在垂向载荷作用下构架的整体变形云图如图3所示.对比构架整体变形，采用REB2单元模拟垂向约束时构架的变形符合实际加载后构架的变形情况.

图3 垂向载荷下构架整体变形云图

2.3 构架主结构和安装座的加载模拟

构架承受的主要垂向载荷是作用在二系空簧座处的载荷.将作用在该处的垂向载荷采用三种方法(均布载荷，RBE2和RBE3)施加，构架空簧处的变形云图如图4所示.由图4可以看出:采用RBE2单元的构架空簧部位的变形与试验加载时的变形接近，所以建议空簧处的垂向载荷应采用RBE2单元模拟.

图4 构架二系空簧座的局部变形云图

采用这三种方法，分别模拟构架的减震器座、抗侧滚扭杆座、横向止挡、制动吊座位置处承受载荷.通过对仿真模型中这些承载部位变形与试验中相关部位变形的一致性分析，得到采用RBE3模拟减震器座的承载;RBE3单元模拟抗侧滚扭杆座的承载，均布载荷模拟横向止挡和制动吊座的承载.

2.4 构架吊座承载模拟

构架承受齿轮箱吊座的垂向载荷后会对构架产生较大的附加弯矩，参见图5(a).分别采用RBE2和RBE3单元模拟吊座的垂向载荷的计算后的齿轮箱吊座变形云图如图5所示.从图5(b)可以看出采用RBE2单元时会大大增加吊座的局部刚度使吊座整体相对于构架发生变形;采用RBE3单元时会减小吊座的刚度使吊座上部分局部变形较大.这些变形与试验时的变形差别大.进一步考虑吊座与齿轮箱之间的连接部件C型支架结构(参见图5(d))，分别采用RBE2和RBE3模拟吊座垂向载荷的齿轮箱吊座变形云图如图5所示.图5(f)中齿轮箱吊座和C型支架的变形比较符合试验时的变形情况.

构架承受电机垂向和纵向载荷后也会对构架产生很大的附加弯矩.如图6(a)所示，在对动车构架进行电机载荷计算时，采用RBE3单元将电机载荷施加在电机重心位置，此时构架电机吊座的变形见图6(b).显然由于RBE3单元，每个电机吊座均分载荷，吊座变形差别不大.而构架运行过程中电机载荷对每个吊座的影响复杂，为了更好地模拟电机载荷对各吊座的贡献，建立电机壳体结构的有限元模型(参见图6(c))，并调整其质量和重心使其与实际的一致.这时，电机吊座的变形如图6(d)所示.比较和图6(b)和图6(d)，考察构架电机座结构强度时，应该按照图6(c)的形式进行建模，即:将电机壳体结构的有限元模型纳入到构架的分析模型中，才能得到电机吊座合理的结果.

图5 构架齿轮箱载荷工况下的齿轮箱吊座变形云图

图6 构架电机载荷工况下的电机吊座变形云图

3 结论

依据构架及附属部件的变形规律，研究高速动车组动车焊接构架及其附属部件的支撑和承载模拟方法.结果表明:依据构架试验载荷分布及支撑条件，构架垂向支撑采用弹簧单元与RBE2单元相结合模拟;横向支撑采用RBE2单元模拟;纵向支撑采用RBE3单元模拟.二系空簧处的垂向载荷采用RBE2单元模拟;减震器座和抗侧滚扭杆座的承载采用RBE3模拟;均布载荷模拟横向止挡和制动座的承载.建立动车焊接构架性能分析模型时应考虑齿轮箱联接结构和电机壳体结构刚度的贡献，从而较为准确地校核齿轮箱吊座与电机吊座的强度.

［1］蒋玉峰.CW-2(1)型转向架运用中常见故障原因简析及应对措施［J］.铁道车辆，2010，48(7):39-41.

［2］黄利民.客车横向摆动故障原因分析及处理［J］.铁道车辆，2009，47(1):43-44.

［3］王文静，王燕，孙守光，等.高速列车转向架载荷谱长期跟踪试验研究［J］.西南交通大学学报，2015，50(1):84-89.

［4］赵志强.CRH5A型动车组转向架静载试验分析［J］.铁道机车车辆，2014，34(6):91-93.

［5］张大福，邬平波，魏来.CRH3动车组构架载荷谱研究［J］.机械，2013，40(10):22-27.

［6］赵波，商跃进，王 红，等.高速动车组构架强度分析［J］.机械研究与应用，2015，28(1):48-51.

［7］安琪.高速动车组转向架柔性构架动态特性研究［D］.成都:西南交通大学，2013.