1、2 0 2 3年第5期城铁车辆转向架端部支架结构强度及随机振动疲劳分析郑长国,于 淼,马天逸,李春波(中车大连机车车辆有限公司,辽宁 大连 1 1 6 0 2 2)摘 要:为了保证城铁车辆的运行安全,对其转向架端部支架进行结构强度及随机振动仿真分析十分必要。以某城铁车辆转向架三种型式的端部支架为研究对象,分别依据E N1 3 7 4 9标准和G B2 1 5 6 3标准,采用有限元仿真软件AN S Y S对其进行结构强度及随机振动仿真分析,并结合材料的S N曲线进行线性累积损伤评估。结果表明,依据E N1 3 7 4 9标准进行静强度和准静态疲劳分析,三种型式的端部支架结构强度均满足设计要求;
2、依据G B2 1 5 6 3标准进行随机振动疲劳分析,其中两种型式的端部支架焊缝损伤大于1,不满足安全运用设计要求。关键词:端部支架;结构强度;随机振动;疲劳分析;累积损伤评估 中图分类号:U 2 1 1.4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 5 2-0 3S t r u c t u r a l S t r e n g t ha n dR a n d o mV i b r a t i o nF a t i g u eA n a l y s i so fB o g i e e n dS u p p o r t o fU r b a nR a
3、 i lV e h i c l eZ h e n gC h a n g-g u o,Y uM i a o,M aT i a n-y i,L iC h u n-b o(C R R CD a l i a nR o l l i n gS t o c kC o.,L T D.,D a l i a n1 1 6 0 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe n s u r e t h e s a f e t yo f u r b a nr a i l v e h i c l e s,i t i sn e c e s s a r y t oc a r
4、r yo u t t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t ha n dr a n d o mv i b r a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i so f t h eb o g i e e n db r a c k e t.B a s e do nE N1 3 7 4 9s t a n d a r da n dG B2 1 5 6 3s t a n d a r d,t h ef i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r eA N S Y
5、Sw a su s e dt os i m u l a t et h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dr a n d o mv i b r a t i o no f t h r e et y p e so f e n d s u p p o r t s o f a u r b a n r a i l w a yv e h i c l e b o g i e,a n d t h e l i n e a r c u m u l a t i v e d a m a g e a s s e s s m e n tw a s c a r r i e do
6、u t b a s e do n t h eS Nc u r v eo f t h em a t e r i a l.T h e r e s u l t s s h o wt h a t a c c o r d i n g t oE N1 3 7 4 9s t a t i c s t r e n g t ha n dq u a s i-s t a t i c f a t i g u e a-n a l y s i s,t h e t h r e e t y p e so f e n d s u p p o r t s t r u c t u r e s t r e n g t hm e e t
7、 t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s.R a n d o mv i b r a t i o n f a t i g u e a n a l y-s i sw a s c a r r i e do u t a c c o r d i n g t oG B2 1 5 6 3s t a n d a r d.T h ew e l dd a m a g eo f t w ot y p e so f e n ds u p p o r tw a sg r e a t e r t h a n1,w h i c hd i dn o tm e e t t h ed e
8、 s i g nr e q u i r e m e n t so f s a f eo p e r a t i o n.K e yw o r d s:E n db r a c k e t;S t r u c t u r a ls t r e n g t h;R a n d o mv i b r a t i o n;F a t i g u ea n a l y s i s;C u m u l a t i v ed a m a g ea s-s e s s m e n t通信作者:郑长国(1 9 7 7),男,辽宁大连人,高级工程师,从事机车及城铁车辆基础研究工作。转向架是城铁车辆的重要组成部分,
9、其端部根据动车或拖车功能需求安装有排障器、轮缘润滑器、踏面清扫器、线卡架等附属零部件,通常采用螺栓连接。端部支架虽然是零部件,但其直接影响城铁车辆的功能性和安全性。为了保证城铁车辆的运行安全,对端部支架进行结构强度及随机振动仿真分析十分必要。国内学者围绕转向架端部安装的零部件的结构强度及随机振动疲劳评估开展了大量研究。袁雨青1依据标准I E C6 1 3 7 3-2 0 1 0,结合实测数据对比分析有无车轮多边形的影响,对铁道车辆某部件基于随机振动疲劳分析方法进 行 了 疲 劳 损 伤 评 估。王 鹏2重 点 阐 述 了G B/T2 1 5 6 32 0 1 8标准修订的核心内容。薛海3和徐杰
10、4等将结构动力学、随机振动和材料疲劳理论进行结合,研究了随机振动疲劳分析方法,并依据标准I E C6 1 3 7 3对铁道车辆天线梁和辅助安装座分别进行了随机振动仿真,采用S t e i n b e r g法对其进行了疲劳损伤评估。黄义科5等对比了随机过程为宽带和窄带形式,以及以最大主应力准则、等效应力准则和临界面准则评估的疲劳寿命,得出用宽带分布结合临界面准则来预测随机多轴的疲劳寿命更加合理。胡忠安6和孙海东7等通过应用随机振动疲劳分析方法,分别对地铁车辆排障器和扫石器进行了随机振动疲劳分析,并进行了结构优化设计。由于某城铁车辆转向架的端部支架根据功能需求安装的零部件不同,故结构型式共有三种
11、。但三种型式的支架安装位置及方式相同,本文分别依据E N1 3 7 4 9标准和G B2 1 5 6 3标准,采用有限元仿真软件AN S Y S对其进行结构强度及随机振动仿真分析,并结合材料的S N曲线进行线性累积损伤评估,开展对端部支架结构强度及随机振动疲劳评估影响的研究。1 端部支架概述 (a)型式1 (b)型式2 (c)型式3图1 端部支架示意图某城铁车辆转向架的端部支架根据安装设备功能需要共有三种型式,其中型式1为只装有踏面清扫装置,型式2为装有踏面清扫装置和轮缘润滑装置,型式3为装有踏面清扫装置、轮缘润滑装置和排障器。三种型式的端部25DOI:10.19475/ki.issn1674
12、-957x.2023.05.013内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n支架示意图见图1。支架通过螺栓预紧安装在构架端部,踏面清扫装置、轮缘润滑装置和排障器采用螺栓预紧安装在相应座板上。2 计算模型建立有限元计算模型主要采用实体单元建立。首先利用C A D软件建立三维实体模型,然后导入AN S Y S有限元分析软件,采用二阶实体单元对实体模型进行离散,经过处理生成计算模型。计算模型中整体坐标系如图1所示,其中X轴为车辆横向,Y轴为车辆垂向,Z轴为车辆纵向。根据标准B SE N1 3 7 4 9:2 0 1 1附录D中D.2.2之规定,端部支架安装座采用螺栓安装在拖车转向架构架端部
13、位置,通过插值计算得到构架端部安装设备垂向和横向的外推放大系数1.5,具体计算参数见表1。根据端部支架安装座实际安装及工作状态,在截取构架端部截面位置施加三向固定约束及随机振动P S D加速度谱,在整体施加各方向的冲击加速度。表1 基本输入参数序号参数数值1总质量3 2.3k g(型式1)4 2.7k g(型式2)6 1.1k g(型式3)2超常载荷垂向加速度3 0g3超常载荷横向加速度1 5g4超常载荷纵向加速度5g5常用载荷垂向加速度9g6常用载荷横向加速度7.5g7常用载荷纵向加速度2.5g3 静强度及准静态疲劳分析依据E N1 3 7 4 9标准,对转向架端部支架进行结构强度仿真分析,
14、包括静强度和准静态疲劳分析。3.1 静强度分析静强度工况载荷为超常载荷,结合结构实际工作状态,组合出以下计算工况,用以考察静强度,见表2。在静强度工况评价中,采用第四强度理论导出的等效应力(又称V o nM i s e s应力)来评价,此等效应力不得超过相应计算工况的许用应力。表2 静强度计算工况表工况垂向加速度m/s2横向加速度m/s2纵向加速度m/s21+3 0 g+1 5 g+5 g2+3 0 g+1 5 g-5 g3+3 0 g-1 5 g+5 g4+3 0 g-1 5 g-5 g5-3 0 g+1 5 g+5 g6-3 0 g+1 5 g-5 g7-3 0 g-1 5 g+5 g8-
15、3 0 g-1 5 g-5 g (a)型式1 (b)型式2 (c)型式3图2 静强度计算结果 通过对静强度计算结果分析,三种型式的端部支架最大应力均出现在安装螺栓套筒的焊缝处,其中型式1最大应力为1 7 7.4MP a,型式2最大应力为2 0 4.5MP a,型式3最大应力为2 3 1.7MP a,均小于焊缝的许用应力,满足设计要求,应力云图见图2。3.2 准静态疲劳分析为确保端部支架具有足够的疲劳强度,使用疲劳极限设计方法进行准静态疲劳强度评估。最大应力与最小应力的确定原理如图3所示,确定步骤如下:图3 最大与最小应力的确定示意图(1)确定最大拉伸主应力m a x及其方向;(2)将其它主应力
16、向最大拉伸主应力的方向投影,得到投影后的应力e,并确定最小主应力m i n;(3)确定应力均值和应力幅值。a=m a x-m i n2 m=m a x+m i n2疲劳强度考核采用G o o d m a n疲劳极限图,当结构在各工况下的最小应力和最大应力均位于疲劳极限图内,则疲劳强度满足要求。钢结构的疲劳问题主要体现在焊缝上,因为焊接的原因,使得焊缝区域产生应力集中和缺陷,组织发生变化,导致焊缝部位的疲劳强度急剧下降。疲劳强度工况载荷为常用载荷,结合结构实际工作状态,组合出以下计算工况,用以考察疲劳强度,见表3。表3 准静态疲劳强度计算工况表工况垂向加速度m/s2横向加速度m/s2纵向加速度m/s21+9 g+7.5 g+2.5 g2+9 g+7.5 g-2.5 g3+9 g-7.5 g+2.5 g4+9 g-7.5 g-2.5 g5-9 g+7.5 g+2.5 g6-9 g+7.5 g-2.5 g7-9 g-7.5 g+2.5 g8-9 g-7.5 g-2.5 g 根据端部支架安装座的受力情况和焊缝位置,选取所有焊缝部位的节点来校核其疲劳强度。对表3中定义的疲劳工况的计算结果进行了处
