基于SolidWorks的高速車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架研究與試驗(yàn)

雒 琦, 許鵬善, 田 斌, 王詠梅, 閆紅強(qiáng), 牟曉斌

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的改善，人們對(duì)于出行的便利性有了更高更舒適的要求，在此時(shí)代發(fā)展和市場(chǎng)需求的背景下，作為現(xiàn)在人們出行最便捷且大眾化以及貨物運(yùn)輸使用最廣泛、最可靠的交通工具，鐵路運(yùn)輸肩負(fù)著我國(guó)客貨運(yùn)主要任務(wù)的重?fù)?dān)。為了適應(yīng)我國(guó)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)以及安全、快捷的出行和大批量貨物運(yùn)輸?shù)囊?，高速車輛的性能提高有著重要的意義。

作為車輛的主要運(yùn)行部件，轉(zhuǎn)向架用于承載車體重量、保證牽引動(dòng)力以及傳遞載荷等[1]，主要由構(gòu)架、一系懸架、二系懸架、軸箱、牽引制動(dòng)以及輪對(duì)等組成，其結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣和構(gòu)架的強(qiáng)度，對(duì)于車輛的運(yùn)行品質(zhì)、性能以及列車安全和輪軌磨耗有著至關(guān)重要的影響，是高速車輛開發(fā)運(yùn)用的關(guān)鍵之所在。

筆者在借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架開發(fā)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種兩軸式轉(zhuǎn)向架構(gòu)架[2]，構(gòu)架呈“日”字形結(jié)構(gòu)，采用箱型梁焊接方式，充分運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks[3]對(duì)所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行三維建模，讓其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、輕量化的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)架三維模型進(jìn)行有限元[4]強(qiáng)度分析[5]，確保構(gòu)架強(qiáng)度滿足高速車輛運(yùn)行的要求，為鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)參數(shù)及三維建模

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)參數(shù)的確定

構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的骨架，將軸箱、彈簧懸掛、牽引、制動(dòng)裝置以及輪對(duì)、電機(jī)等零部件銜接在一起，整合成一個(gè)轉(zhuǎn)向架整體，既承載著車體及各部件的重量，也承受來(lái)自各個(gè)方向的載荷和傳遞各種車體與輪軌間的作用力，所以，在設(shè)計(jì)構(gòu)架的時(shí)候，要選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)、工藝精度及各附屬零部件的安裝定位方式，保證構(gòu)架具有足夠的強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)向架內(nèi)部各零部件與構(gòu)架的相互準(zhǔn)確定位與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，應(yīng)滿足以下方案要求：

(1) 橫梁、側(cè)梁、端梁的結(jié)構(gòu)域連接以及與車體、軸箱的支承結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 構(gòu)架各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，組裝成型的各部分及構(gòu)架整體完美銜接、結(jié)構(gòu)合理，形狀、尺寸滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

(3) 構(gòu)架整體強(qiáng)度經(jīng)校核，滿足高速車輛的運(yùn)行條件。

(4) 考慮構(gòu)架的加工工藝，滿足設(shè)計(jì)工藝性的要求。

對(duì)于構(gòu)架的主要輪廓尺寸，依據(jù)所設(shè)計(jì)構(gòu)架的軸距、軸箱裝置、輪對(duì)及支座的安裝位置等相關(guān)技術(shù)參數(shù)確定，兩端梁中心線的間距由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置所安裝的位置確定，兩側(cè)梁中心線的間距由軸型確定，其中心線與軸徑中心線吻合。構(gòu)架斷面尺寸及壁厚根據(jù)轉(zhuǎn)向架承載重量及承受載荷確定，使構(gòu)架在承重和受力過(guò)程中受力均勻、變形量小，另外便于焊接。其主要尺寸參數(shù)如表1、2所列。

表1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要技術(shù)參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架斷面尺寸及壁厚 /mm

1.2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維建模

利用SolidWorks三維軟件對(duì)所設(shè)計(jì)兩軸式轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化并建立了相應(yīng)三維模型，圖1為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體三維模型圖，圖2為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要構(gòu)件三維模型圖，從圖中可知，構(gòu)架主要由一根橫梁、兩根端梁、兩根側(cè)梁及附屬支座構(gòu)成，橫梁和側(cè)梁選擇封閉的箱型結(jié)構(gòu)，端梁采用工字型結(jié)構(gòu)，焊接成的整體構(gòu)架呈“日”字形。另外，為保證構(gòu)架的安全性和強(qiáng)度要求，在焊接過(guò)程中，主要受力點(diǎn)的焊縫盡量錯(cuò)開，避免應(yīng)力集中，以及通過(guò)加強(qiáng)筋板來(lái)增加梁的強(qiáng)度。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體三維圖

圖2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要構(gòu)件三維圖

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架受力分析

前文提到，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為支承車體和附屬零部件及傳遞車體與輪軌間的各種作用力的載體，承受來(lái)自車體、輪軌以及轉(zhuǎn)向架內(nèi)部的各種載荷，下面對(duì)所受載荷進(jìn)行計(jì)算分析。

(1) 垂向載荷

首先計(jì)算作用在轉(zhuǎn)向架上的載荷Fz1：

Fz1=(nb·m0-mt)×9.81(kN)

式中：m0為轉(zhuǎn)向架允許軸重，m0=12 t；nb為每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的軸數(shù)，nb=2；mt為轉(zhuǎn)向架自重，mt=6.92 t。

則：Fz1=167.55(kN)

其次計(jì)算作用于構(gòu)架上的載荷Fz2：

Fz2=(Fz1+mt1·9.81)/n0(kN)

式中：mt1為轉(zhuǎn)向架附屬零件質(zhì)量之和，包括構(gòu)架自重，mt1=mt/2=3.46 t；n0為平行受力構(gòu)件的計(jì)算數(shù)目，n0=1。

則：Fz2=201.49(kN)

(2) 斜對(duì)稱載荷

對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，由于軌道的高低不平順及構(gòu)架本身原因，引起構(gòu)架對(duì)角受力不均，同時(shí)在垂向載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生斜對(duì)稱載荷。經(jīng)推導(dǎo)，斜對(duì)稱載荷Fk為：

Fk=(1/4)(2l2z/2l1)[K1·K2/(K1+K2)] (kN)

式中：K1為彈簧剛度，K1=1.535×106N/m；K2為構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度；l1為輪對(duì)間距之半，l1=746.5 mm；l2為輪對(duì)軸徑中心線的距離之半，l2=965 mm；Z為車輪上升或下降的值，取為Z=20 mm。

由于K2遠(yuǎn)大于K1，則：

Fk=6.46K1=9.92(kN)

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元仿真分析

3.1 構(gòu)架有限元分析模型的建立

基于ANSYS有限元軟件，建立了構(gòu)架分析模型。由于構(gòu)架由封閉的箱型梁組成，在建模時(shí)可采用薄板單元按實(shí)際尺寸創(chuàng)建，網(wǎng)格劃分的疏密可依據(jù)構(gòu)架各部分載荷大小及焊縫位置決定。對(duì)所設(shè)計(jì)構(gòu)架模型網(wǎng)格劃分，共有20 225個(gè)薄板單元和27 848個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 構(gòu)架的有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

3.2 載荷施加及結(jié)果分析

針對(duì)所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，在考慮垂向載荷和斜對(duì)稱載荷工況下，分別進(jìn)行載荷施加，分析構(gòu)架的變形情況，其中，垂向載荷施加于構(gòu)架側(cè)梁彈簧支座及橫梁上，斜對(duì)稱載荷施加于構(gòu)架兩對(duì)角位置，其變形云圖如圖4、5所示。

圖4 構(gòu)架在垂向載荷作用下的變形云圖

圖5 構(gòu)架在扭曲載荷作用下的變形云圖

通過(guò)兩種載荷作用下的變形云圖分析可知，構(gòu)架沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，變形量很小。當(dāng)施加垂向載荷時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在橫梁與側(cè)梁的連接處，最大應(yīng)力值為75.0 MPa；當(dāng)施加斜對(duì)稱載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)梁立板安裝座安裝處，最大應(yīng)力值為98.8 MPa。

所設(shè)計(jì)構(gòu)架材料采用16 Mn，其屈服極限強(qiáng)度為225 MPa，安全系數(shù)為1.65，許用應(yīng)力[σ]為136.364 MPa，結(jié)果對(duì)比可知，構(gòu)架最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，變形量也很小，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為后期的生產(chǎn)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種適合我國(guó)鐵路運(yùn)輸高速發(fā)展的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，構(gòu)架采用“日”字形箱梁焊接結(jié)構(gòu)，以符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化的設(shè)計(jì)要求，首先確定了構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過(guò)SolidWorks軟件建立了構(gòu)架的三維模型，隨后分析了構(gòu)架的受力情況，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用ANSYS有限元軟件分析了在不同載荷加載下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的變形情況，仿真分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在垂向載荷和斜對(duì)稱載荷的加載作用下，其產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，構(gòu)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，符合應(yīng)用于高速車輛的強(qiáng)度條件，為今后我國(guó)高速車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。