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摘 要：介绍了某出口内燃动车组宽轨转向架构架的结构特点，运用有限元分析方法，依据标准UIC615-4对构架进行了静强度和疲劳强度评估。分析结果表明：构架各关键点等效应力小于材料的许用应力，满足静强度和疲劳强度要求。
关键词：宽轨转向架；构架；有限元；静强度和疲劳强度评估
【分类号】U266
轉向架是轨道车辆中的最重要的承载结构之一，担负着支撑车体、运行、转向等功能，它决定着客车的运行品质和行车安全[1]。构架作为转向架的关键部件，主要作用是承受、传递各种作用力及载荷，同时为转向架各零部件提供安装接口定位，因此，转向架构架的可靠性对车辆的性能和安全性有重大影响。
本文以某出口内燃动车组宽轨转向架构架为研究对象，依据标准UIC615-4对构架进行静强度和疲劳强度分析，通过分析找出构架的薄弱环节，为后续优化提供理论依据。
1 构架结构及有限元模型
内燃动车组宽轨转向架构架设计采用H形焊接结构，由侧梁、横梁，纵向梁拼焊而成。构架各梁体内部布置了一定数量的筋板，以增强构架的抗扭转刚度。其中侧梁为下凹鱼腹型箱体结构，采用钢板焊接而成，同时侧梁还焊接有转臂定位座和制动吊座，侧梁钢板采用腐蚀性能好的S355J2W（H）材料，转臂定位座，制动吊座采用Q345D材质。横梁采用无缝钢管型材，贯通并延伸出两侧梁之外，避免横梁端面与侧梁外侧平齐而易引起焊接缺陷。两横梁钢管间设计两根纵向辅助梁。横梁钢管上焊接电机吊座，牵引拉杆座，垂向止挡座等，材料均采用Q345D材质。构架几何模型如图1所示：
综合考虑构架的实际运用情况，选定构架整体做为离散模型。构架的有限元模型采用Hypermesh进行网格划分，单元边长约为10mm，单元类型采用Solid 185和shell 181。轴和转臂用beam 188单元替代，一系钢簧和转臂节点用对应刚度的combin14单元替代。构架共划分单元250270，节点数为150992。构架的有限元模型如图2所示：
2计算分析
综合考虑构架在各种运用情况下的受力特性，参照UIC615-4标准，为考虑足够的安全裕量，侧滚系数α取0.15，浮沉系数β取0.25。依据标准中规定的载荷工况计算方法，对超常运营工况和模拟运营载荷工况工况进行计算。计算构架各工况的载荷值，如表1所示：
3构架强度评估
3.1静强度分析
根据表1中计算的载荷值对焊接构架进行静强度分析，得到超常载荷工况和运营载荷工况的应力云图如图3、4所示：
由图3，4可得：超常载荷运营工况最大应力出现在转臂定位臂与侧梁连接处，等效应力值为250MPa；运营载荷工况最大应力出现在纵向梁与横粱连接处，等效应力值为135MPa，两种工况的应力值均小于材料S355J2W（H）的许用应力355MPa，满足材料静强度要求。
3 疲劳强度评定
1、根据材料的疲劳极限图对关键点的平均应力和应力幅值进行疲劳强度评估，结果如图5所示.各关键点的应力均在允许范围内.因此，构架满足疲劳强度要求.
2、模拟车辆运营工况分别对构架关键焊缝应力因数进行计算分析。分析结果如表2所示：
依据EN15085-3《铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接-第3 部分：设计要求》要求，对转向架构架关键焊缝的应力因数进行计算分析，应力因数小于0.75，应力等级为低级；应力因数0.75-0.9，应力等级为中级；应力因数大于0.9，应力等级为高级。
从表2中可以看出，只有焊缝11（横梁与侧梁外侧连接处的焊缝）的应力因数为0.78，应力等级为中级。其余个关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低，满足疲劳强度要求。
4 结论
1、超常载荷工况：构架最大应力出现在转臂定位座与侧梁连接处，最大等效应力值250Mpa，小于材料许用应力，满足静强度要求；
2、运营工况：构架最大应力出现在纵梁与横粱连接处，最大等效应力值为135MPa，小于材料许用应力，满足静强度要求；
3、疲劳强度：最大应力因数为0.78，应力等级为中级。其余关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低，满足疲劳强度要求。
参考文献：
[1] 秦国栋、刘志明，崔二光等. 提速转向架焊接构架疲劳寿命的实用分析方法[J].中国铁道科学，2004，25（1）：46-51.
[2] UIC615-4.动力车—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验[S].
[3] GB/T1591-2008.低合金高强度结构钢[S].
[4] EN15085-3-铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接-第3 部分：设计要求[S].
[5] EN 10025-2-2004. 结构钢热轧制品 第2部分：非合金结构钢的交货技术条件[S].
关键词：宽轨转向架；构架；有限元；静强度和疲劳强度评估
【分类号】U266
轉向架是轨道车辆中的最重要的承载结构之一，担负着支撑车体、运行、转向等功能，它决定着客车的运行品质和行车安全[1]。构架作为转向架的关键部件，主要作用是承受、传递各种作用力及载荷，同时为转向架各零部件提供安装接口定位，因此，转向架构架的可靠性对车辆的性能和安全性有重大影响。
本文以某出口内燃动车组宽轨转向架构架为研究对象，依据标准UIC615-4对构架进行静强度和疲劳强度分析，通过分析找出构架的薄弱环节，为后续优化提供理论依据。
1 构架结构及有限元模型
内燃动车组宽轨转向架构架设计采用H形焊接结构，由侧梁、横梁，纵向梁拼焊而成。构架各梁体内部布置了一定数量的筋板，以增强构架的抗扭转刚度。其中侧梁为下凹鱼腹型箱体结构，采用钢板焊接而成，同时侧梁还焊接有转臂定位座和制动吊座，侧梁钢板采用腐蚀性能好的S355J2W（H）材料，转臂定位座，制动吊座采用Q345D材质。横梁采用无缝钢管型材，贯通并延伸出两侧梁之外，避免横梁端面与侧梁外侧平齐而易引起焊接缺陷。两横梁钢管间设计两根纵向辅助梁。横梁钢管上焊接电机吊座，牵引拉杆座，垂向止挡座等，材料均采用Q345D材质。构架几何模型如图1所示：
综合考虑构架的实际运用情况，选定构架整体做为离散模型。构架的有限元模型采用Hypermesh进行网格划分，单元边长约为10mm，单元类型采用Solid 185和shell 181。轴和转臂用beam 188单元替代，一系钢簧和转臂节点用对应刚度的combin14单元替代。构架共划分单元250270，节点数为150992。构架的有限元模型如图2所示：
2计算分析
综合考虑构架在各种运用情况下的受力特性，参照UIC615-4标准，为考虑足够的安全裕量，侧滚系数α取0.15，浮沉系数β取0.25。依据标准中规定的载荷工况计算方法，对超常运营工况和模拟运营载荷工况工况进行计算。计算构架各工况的载荷值，如表1所示：
3构架强度评估
3.1静强度分析
根据表1中计算的载荷值对焊接构架进行静强度分析，得到超常载荷工况和运营载荷工况的应力云图如图3、4所示：
由图3，4可得：超常载荷运营工况最大应力出现在转臂定位臂与侧梁连接处，等效应力值为250MPa；运营载荷工况最大应力出现在纵向梁与横粱连接处，等效应力值为135MPa，两种工况的应力值均小于材料S355J2W（H）的许用应力355MPa，满足材料静强度要求。
3 疲劳强度评定
1、根据材料的疲劳极限图对关键点的平均应力和应力幅值进行疲劳强度评估，结果如图5所示.各关键点的应力均在允许范围内.因此，构架满足疲劳强度要求.
2、模拟车辆运营工况分别对构架关键焊缝应力因数进行计算分析。分析结果如表2所示：
依据EN15085-3《铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接-第3 部分：设计要求》要求，对转向架构架关键焊缝的应力因数进行计算分析，应力因数小于0.75，应力等级为低级；应力因数0.75-0.9，应力等级为中级；应力因数大于0.9，应力等级为高级。
从表2中可以看出，只有焊缝11（横梁与侧梁外侧连接处的焊缝）的应力因数为0.78，应力等级为中级。其余个关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低，满足疲劳强度要求。
4 结论
1、超常载荷工况：构架最大应力出现在转臂定位座与侧梁连接处，最大等效应力值250Mpa，小于材料许用应力，满足静强度要求；
2、运营工况：构架最大应力出现在纵梁与横粱连接处，最大等效应力值为135MPa，小于材料许用应力，满足静强度要求；
3、疲劳强度：最大应力因数为0.78，应力等级为中级。其余关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低，满足疲劳强度要求。
参考文献：
[1] 秦国栋、刘志明，崔二光等. 提速转向架焊接构架疲劳寿命的实用分析方法[J].中国铁道科学，2004，25（1）：46-51.
[2] UIC615-4.动力车—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验[S].
[3] GB/T1591-2008.低合金高强度结构钢[S].
[4] EN15085-3-铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接-第3 部分：设计要求[S].
[5] EN 10025-2-2004. 结构钢热轧制品 第2部分：非合金结构钢的交货技术条件[S].