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机车转向架构架设计改进与有限元分析

发布于:2020-11-23 21:45
有限元分析

       机车转向架构架基本沿用了早期机车构架的主体结构,随着近年来机车提速、牵引吨位的增加,在运用过程中个别机务段中修反映SS3B型机车构架中间横梁一、中间横梁二与左右侧梁对接处横梁和侧梁下盖板存在着裂纹现象。构架是转向架其它零部件的安装基础,是机车安全运行的一个关键部件,为此企业迅速组织进行了构架裂纹原因分析,并启动了SS3B型机车构架强度有限元分析与设计改进项目。
       经赴段现场调研,发现横梁一下盖板翼缘处表面粗糙,横梁二与侧梁对接处原横梁下盖板和侧梁下盖板对接焊缝焊趾未进行圆滑处理且焊缝质量较差。对照原构架设计图纸和现场调研结果,初步分析横梁一下盖板翼缘处发生裂纹的可能原因为母材缺陷或加工粗糙;横梁二与侧梁对接处侧梁下盖板裂纹,可能原因为焊脚疲劳开裂导致裂纹逐步向母材内部延伸形成。
       为进一步分析裂纹原因,对老构架进行了有限元分析。同时在现场处理方案基础上,考虑构架结构空间要求对构架进行一定的结构改进:在横梁一与侧梁对接处增加梯形槽钢,将横梁一的下盖板与侧梁体的底板连接起来;将横梁二的下盖板翼板加宽。并对改进后的构架使用ANSYSApp进行了有限元分析,通过改进前后构架的强度对比计算验证设计改进的合理性。以下将改进设计构架简称为新构架。
       构架强度分析主要包括静强度和疲劳强度的分析,计算载荷和载荷工况按UIC615-4和TB/T2368标准规定实施。按构架设计图纸建立有限元模型,将构架主要板件离散成三维壳单元SHELL63;构架上结构复杂的拉杆座、圆弹簧拉杆座、牵引座、电机悬挂座、减振器上座等均按实体结构建模,离散成三维实体单元SOLID45;一系簧座、拉杆座、圆弹簧拉杆座处根据构架实际受力状况分别建立纵向、横向及垂向弹簧单元COMBIN14,以便较好地模拟实际支撑情况。
       构架主体材料Q235A的屈服强度σs=235MPa,抗拉强度σb=439MPa,弹性模量E=2.12×105MPa,密度ρ=7.86t/m3,泊松比μ=0.288。
       按UIC615-4和TB/T2368标准分别计算出新构架与老构架的超常载荷、主要运营载荷以及特殊运营载荷。构架结构改进后质量增加113kg,新老构架超常载荷、主要运营载荷以及特殊运营载荷差别较小,但由于构架质量的增加,新构架承受的转向架3g冲击载荷比老构架有所增大。
       根据基本载荷对构架的计算工况进行组合,形成计算工况表。为了全面分析构架受力情况,计算工况表综合了UIC615-4和TB/T2368标准的要求,并将纵向载荷和电机作用于悬挂点的载荷考虑在内,同时增加了工况14和工况15。其中工况荷作用,工况15考虑构架承受转向架3g冲击载荷。实际加载时在工况2~工况14中均叠加考虑了制动力和减振器作用力,工况14纵向载荷Fxmax中叠加了由摇头运动以及小半径曲线通过时引起的纵向力。因此本文考虑的计算载荷比UIC615-4和TB/T2368标准更严格。
       计算中垂向载荷、横向载荷均以节点力形式施加于二系簧旁承座处;纵向载荷以节点力形式施加于牵引座处;垂向、横向、纵向约束均以弹簧约束形式施加于一系簧座、拉杆座以及圆弹簧拉杆座处;电机载荷以节点力形式施加于电机悬挂座处;轨道扭曲载荷以位移方式施加于左侧梁一系簧座处;制动器载荷以节点力形式施加于制动器安装座处。计算模型的载荷及约束边界条件简图见图。
       Top面的VonMises应力分布,如图所示。图中最大应力为84.834MPa,出现在中间横梁一与右侧梁对接时横梁一下盖板翼缘处;图中最大应力为57.977MPa,出现在左侧梁旁承定位座二系簧加载处,改进后下盖板翼缘处应力为40.549MPa,应力显著降低,侧梁其它相同位置改进前后应力变化较小。图中最大应力分别为99.335MPa和104.077MPa,均出现在电机悬挂座座体上,横梁下盖板与侧梁下盖板对接处应力由20.879MPa降到15.713MPa,应力有小幅降低,但焊缝位置已避开了梯形槽钢与下盖板焊接的焊缝影响区。上述对比计算结果表明:新构架在对中间横梁一、中间横梁二处的结构改进是非常有效的。


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