高速動車組構架強度分析*

趙 波，商躍進，王 紅，劉洪印

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

構架是轉向架的主體，是連接轉向架其它部分的骨架，它不僅承受車體上部所有設備的重量，而且承受和傳遞車輛在運行中產生的各種不同方向和隨機運行中經常變化的動作用力。影響高速列車運行安全的是形形色色失效帶來的結構可靠性，機車車輛的主要結構疲勞問題出現在轉向架構架上［1］。因此，構架必須要具有足夠的強度和剛度，以保證車輛服役時的安全性和可靠性。

1 構架有限元模型的建立

以某型高速動車組轉向架構架為研究對象，構架的實體模型如圖1所示。

圖1 構架結構

構架采用H型焊接結構，由側梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支撐梁及其它焊接附件組成。構架的主要承載構件采用耐候鋼，材料性能參數如表1。

表1 材料性能參數 /MPa

通常按照“保證計算精度的前提下，盡可能減小計算規(guī)?！钡脑瓌t建立有限元計算模型［2］。對構架模型進行離散，建立構架的有限元模型，如圖2所示，得到490 659個節(jié)點，168 453個單元。

圖2 構架有限元模型

對于載荷和約束的添加，按照如下原則進行:在構架的主動施力部位添加載荷，在構架的被動受力部位添加約束［3］。在構架的一系彈簧座處添加固定約束，載荷根據規(guī)定要求分別添加，包括構架上部載荷及各吊座處的懸吊載荷。

2 構架載荷計算

作用于構架上的載荷主要包括垂向載荷、橫向載荷、扭曲載荷、制動載荷和縱向載荷［4］。按照《暫規(guī)》要求，計算超常工況和模擬運營工況的載荷值。

超常載荷是運用中可能發(fā)生的最大載荷，在車輛的使用壽命中出現次數極少。超常工況下的載荷計算值如表2所列。

表2 超常工況載荷計算值 /kN

模擬運營載荷是實際運營中經常發(fā)生的載荷，出現極為頻繁，它為轉向架構架的疲勞分析與疲勞試驗提供了準靜態(tài)和動態(tài)載荷值。模擬運營工況的載荷計算值如表3所列。

表3 模擬運營工況載荷計算值 /kN

運營載荷工況組合按表4考慮。

表4 運營工況組合表 /kN

3 構架靜強度分析

超常工況各載荷單獨作用下構架的應力如圖3～5所示。

超常工況下構架的最大應力為183 MPa，位于空氣彈簧座下蓋板與側梁連接處，小于材料的屈服極限，不會產生永久塑性變形，滿足規(guī)定要求。

圖3 垂向載荷應力圖

圖4 橫向載荷應力圖

圖5 斜對稱載荷應力圖

模擬運營工況1、10、11、12下構架的應力如圖6～9所示。工況11下，構架的最大應力為190 MPa，位置處于空氣彈簧支撐梁下蓋板與側梁側板連接處，小于材料的需用應力，不會產生塑性變形，滿足要求。

圖6 工況1應力圖

圖7 工況10應力圖

圖8 工況11應力圖

圖9 工況12應力圖

4 構架疲勞校核

根據模擬運營工況下構架的應力云圖，選取應力較大位置作為疲勞校核點，校核點的應力情況如表5所列。制備了CrFeAlTi復合涂層，復合涂層表面光整均勻，無孔洞和裂紋等缺陷，且涂層組織致密分布，與基體形成了良好的冶金結合。

(2)激光原位合成復合涂層與基體存在較強的界面結合性能，同時復合涂層也具有較強的摩擦磨損性能，較大地強化了CLAM鋼表面性能。

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