機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度的有限元分析_圖文

1、機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度的有限元分析作者：郁煒 江海兵構(gòu)架是機車轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件之一，也是轉(zhuǎn)向架其它各零部件的安裝基礎(chǔ)，在機車的牽引運行中起傳遞牽引力、制動力、橫向力及垂向力的作用，因此，機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對機車的性能和安全性有重大影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度的可靠性評價大多通過物理樣機的某些試驗，再通過金屬探傷、磁電探傷等方法來檢驗，成本高，開發(fā)周期長。所以，使用有限元的理論對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架建模，并利用有限元分析軟件對其進行應(yīng)力分析和強度計算來確保機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性有重大意義，本文在此進行了嘗試。 目前，國外幾家著名的公司研制的有限元分析軟件如MSC、ANSYS、I-DEARS等在國內(nèi)許多設(shè)

2、計中得到了較為廣泛的應(yīng)用。MsC公司提供的有限元軟件在有限元建模、結(jié)構(gòu)分析(靜態(tài)、瞬態(tài)動力學(xué)、熱、電磁場、流體問題等及其耦合問題、接觸、強非線性、碰撞等方面都有獨到的處理方法，本文詳細介紹了其中的前后處理軟件MSCPATRAN和結(jié)構(gòu)分析軟件MSCNASTRAN在機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度計算與分析中的應(yīng)用。 1 有限元強度計算模型的建立 機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一般為箱型梁結(jié)構(gòu)，有限元計算模型可以采用薄板單元按照設(shè)計圖紙上的實際尺寸建模，并根據(jù)構(gòu)架各部分是否承受載荷確定網(wǎng)格的疏密程度，在MSCPATRAN軟件中生成有限元計算網(wǎng)格模型。文中選擇一例已通過物理樣機測試實驗、強度合格的機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行分析。它是由兩

3、根側(cè)梁、一根橫梁和兩根端梁組焊成的"日"字形結(jié)構(gòu)，整個構(gòu)架計算模型共有20 225個薄板單元和27 848個節(jié)點，如圖1。 2有限元強度計算的載荷和邊界條件 在機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元計算分析過程中，施加約束和載荷的原則是在構(gòu)架主動施力處施加載荷，被動受力處施加約束： 機車運行時，作用在構(gòu)架上的載荷可以歸納為靜載和動載兩大類。靜載荷在運行過程中具有確定不變的數(shù)值和方向，包括機車上部重量、轉(zhuǎn)向架自重以及安裝在轉(zhuǎn)向架上各種裝置的重量、電傳動內(nèi)燃機車與電力機車的牽引電機的重量、液力傳動內(nèi)燃機車的中問齒輪箱重量等；動載荷是在運行過程中方向和大小都隨時間變化的載荷，包括由于車體振動產(chǎn)生

4、的附加垂向動載荷、機車牽引運行時作用在構(gòu)架上的縱向力、機車通過曲線時作用在構(gòu)架上的側(cè)向力、牽引電機作用于構(gòu)架的振動載荷以及工作時的反扭矩或電阻制動反扭矩、齒輪箱工作時的反扭矩、制動力、由于線路及其它原因使構(gòu)架產(chǎn)生的扭曲力等。機車轉(zhuǎn)向架載荷的大小和方向根據(jù)具體的設(shè)計要求和實際情況確定。本文研究對象的計算載荷值如表1所示。 3計算工況的選取 根據(jù)TBT 2368一1993內(nèi)燃、電力機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度試驗方法，機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的計算工況由不同類別的載荷工況組合而成?？傮w上分為兩大類：組合載荷工況和獨立載荷工況。組合載荷工況主要對各種極限載荷情況進行模擬，考察構(gòu)架是否有足夠的靜強度滿足這些極限情況；獨

5、立載荷工況則用于考核構(gòu)架的疲勞強度。 31 組合載荷工況 1工況一，垂直靜載荷工況。包括車體垂直靜載荷，齒輪箱垂直靜載荷。 2工況二，起動工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷，縱向起動牽引力，起動牽引反扭矩。 3工況三，緊急制動工況。包括車體、齒輪箱垂直靜載荷，縱向緊急制動力，安裝座緊急制動力。 4工況四，曲線通過工況。包括車體、齒輪箱垂直靜、動載荷，縱向持續(xù)牽引力。持續(xù)牽引反扭矩，橫向載荷。 32獨立裁荷工況 1工況一，車體垂直靜載荷。 2工況二，齒輪箱垂直靜載荷。 3工況三。橫向載荷。 4工況四，車體垂直動載荷。 5工況五，齒輪箱垂直動載荷。 6工況六，縱向持續(xù)牽引力。 7工況七，持續(xù)牽引反扭

6、矩。 8工況八，縱向常用制動力。 9工況九，安裝座常用制動力。 計算獨立載荷工況的目的是校核構(gòu)架疲勞強度，具體的校核方法：以工況三的一半及工況一、二之和計算平均應(yīng)力，再分別以工況三的一半及工況四、五、六、七的均方根計算牽引工況的應(yīng)力幅、以工況三的一半及工況四、五、八、九的均方根計算制動工況的應(yīng)力幅。 在得到上述平均應(yīng)力和應(yīng)力幅后，依據(jù)95J01-L高速試驗列車動力車強度及動力學(xué)性能規(guī)范的推薦，在我國當前無自己的疲勞極限圖的情況下，參考采用0RE B12報告中的Goodman疲勞極限圖，對構(gòu)架強度進行校核。 4 計算結(jié)果分析 41組合載荷工況的計算結(jié)果分析 算例中4種組合載荷工況的最大von M

7、ises應(yīng)力及其出現(xiàn)的位置見表2。其中曲線通過工況情況最惡劣，最大von Mises應(yīng)力為1090MPa，其應(yīng)力分布見圖2。 表3列出了4種工況下變形的最大值及其出現(xiàn)的區(qū)域，其中緊急制動工況下的變形量最大，為O526 mm。圖3給出了該工況的變形云圖。 組合載荷工況是對各種極限載荷情況進行模擬?？疾鞓?gòu)架是否有足夠的靜強度滿足要求。文中構(gòu)架的材料為16 MnR。16 MnR的屈服極限a=225 MPa。強度極限b=420 MPa，安全系數(shù)取165，許用應(yīng)力=136364MPa。上述強度計算結(jié)果中最惡劣工況的最大von Mises應(yīng)力小于許用應(yīng)力；最大變形量也滿足設(shè)計要求，構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足靜強度要求。

8、 42構(gòu)架疲勞強度的校核 表4列出了平均應(yīng)力出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及兩種應(yīng)力幅在該區(qū)域的應(yīng)力取值范圍，表5、表6分別列出了牽引工況和制動工況兩種應(yīng)力幅出現(xiàn)峰值的區(qū)域、大小及平均應(yīng)力在這些區(qū)域的應(yīng)力值。另外表4、表5、表6中還給出了根據(jù)Goodman疲勞極限圖得到的各平均應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)力幅極限值。 由表4、表5、表6可知，文中的機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在各應(yīng)力峰值出現(xiàn)處，牽引工況應(yīng)力幅和制動工況應(yīng)力幅的應(yīng)力幅取值都低于這些區(qū)域的平均應(yīng)力值所對應(yīng)的應(yīng)力幅極限，所以由模擬結(jié)果也可得到構(gòu)架滿足疲勞強度要求的結(jié)果。 5 結(jié)論 本文結(jié)合實例，詳細介紹了用有限元分析軟件MSC/PATRAN和MSG/NASTRAN對機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)