张冠兰1，赵文平2，穆晓军1
（1．唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北 唐山 063035;2．唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，河北 唐山 063035）
摘要：构架作为轨道车辆走行部中的重要部件，起着传递载荷的关键作用，其设计是否合理将直接影响车辆的运行安全。主要介绍了A型地铁转向架构架的结构特点，利用有限元分析软件对其进行了强度计算，并通过强度试验对其结构进行了验证，结果表明该构架结构的强度满足要求，设计合理。
关键词：A型地铁；转向架构架；强度；有限元分析中图分类号：TP391.7：U260. 331+.8
0 引言
转向架是铁路车辆的一个重要组成部分，而构架作为转向架的主要组成部件，不仅是其余零部件的安装基础，而且承受及传递各种作用力和载荷，其可靠性将直接影响车辆的运行安全，而结构设计是否合理可靠需要通过有限元仿真分析或试验等手段进行检验。
本文通过分析A型地铁转向架构架的结构及受力特点，建立了转向架构架的有限元模型，参照UIC615-4《动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》标准，利用ANSYS软件对其进行了强度计算，从而验证了构架结构的安全性。
1A型地铁转向架构架的结构特点
1.1 构架的基本结构
A型地铁转向架采用两级悬挂系统，一系悬挂装置为钢簧和橡胶簧组合，二系悬挂装置采用空气弹簧，它主要由构架、轮对轴箱定位装置、天线梁装置、中央悬挂装置和基础制动装置构成。转向架构架为H形结构，主要由侧梁、横梁、制动吊座和牵引拉杆座等组成。横、侧梁均采用上盖板、下盖板和立板组焊成箱形结构梁；侧梁中间适当位置布置筋板，横梁上焊有电机吊座、齿轮箱吊座和牵引拉杆座等。转向架构架结构示意图如图1所示。
1.2 构架受力特点
构架要承受来自车体的重量，车体的垂向（Z向）载荷通过二系悬挂装置传递给构架，横向（Y向）载荷通过横向止挡传递到构架横向止挡座，纵向（X向）载荷则通过牵引拉杆传递到构架牵引拉杆座；同时还要承受线路扭曲及电机、齿轮箱等悬挂部件产生的各向
载荷。
2转向架构架的有限元计算
2.1 建立离散模型
为了准确分析构架在各向载荷作用下的应力分布状态，利用Hypermesh软件进行建模处理和网格划分，通过ANSYS有限元分析软件对其进行分析计算。对构架主体结构采用实体网格建立离散模型，对于一系簧采用相应刚度的弹簧单元模拟。在全面考虑计算量及精度的情况下，整个构架共离散为303 951个单元、601 784个节点，其有限元模型如图2所示。其中，位移约束施加在一系弹簧处，构架承受的各项载荷以节点力的形式施加在相应位置。
2.2 载荷工况
构架设计时应分别考虑两种载荷工况，超常载荷工况和模拟运营载荷工况。超常载荷工况计算的目的是验证在运行时可能出现的最大载荷共同作用下，构架没有永久变形的危险。模拟运营载荷工况的计算目的是验证在运行时主要载荷共同作用下，转向架摇枕没有产生裂纹的危险。本文依据UIC615-4《动力车一转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》对超常载荷和模拟运营载荷进行评定。 2.2.1 超常载荷工况
超常载荷主要考虑垂向载荷、横向载荷、纵向载荷和扭曲载荷，其工况组合如表1所示。
2.2.2模拟运营载荷工况
模拟运营载荷工况主要考虑转向架运行中可能经常出现的载荷，除了构架的垂向、横向、纵向载荷外，还有制动载荷、减振器载荷、齿轮箱吊杆力及电机等吊挂件的惯性载荷，其工况组合如表2所示。其中，α为侧滚系数，β为浮沉系数。
3计算结果分析
3.1 静强度计算结果分析
根据上述有限元模型及载荷工况，计算得到了各工况的当量应力及应力分布云图。超常载荷工况下最大当量应力为189.7 M Pa，出现在牵引拉杆座锻造弯角处，未超出材料的许用应力；模拟运营载荷工况下最大当量应力为117.7 M Pa，出现在侧梁上盖板圆弧处，未超出材料的许用应力，构架静强度满足要求。其中超常载荷组合工况2下的构架应力云图如图3所示。
3.2疲劳强度计算结果分析
对构架模拟运营状态进行疲劳强度评定时，根据多轴应力状态向单轴应力状态转化的方法，求出每个节点的最大应力σmax和最小应力σmin，按照式(1)和式(2)计算平均应力σm。和应力幅值σa：
然后选择相应钢材的Goodman疲劳极限图，计算出相应的许用应力幅值，即可判断各点应力幅值是否超出许用值。经评估后可知，所有节点的应力均在疲劳极限图内，因此构架疲劳强度满足要求。构架上某条关键焊缝的疲劳强度评估图如图4所示。
4试验验证
对该构架进行了静强度和疲劳强度试验，试验现场如图5所示。试验结果表明：构架各测点应力均在材料许用应力范围内，试验载荷卸除后也没有发生永久变形，说明静强度满足要求；疲劳强度试验进行了3个阶段1 000万次，各阶段都进行了磁粉探伤检验，均未出现任何形式的裂纹，说明疲劳强度满足要求。
5结论
按照UIC615-4标准对A型地铁转向架构架进行了有限元强度校核及试验验证，计算及试验结果均表明构架的静强度和疲劳强度满足要求。
