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機車轉向架構架設計改進與有限元分析

發布於:2020-11-23 21:45
有限元分析

       機車轉向架構架基本沿用了早期機車構架的主體結構,隨著近年來機車提速、牽引噸位的增加,在運用過程中個別機務段中修反映SS3B型機車構架中間橫梁一、中間橫梁二與左右側梁對接處橫梁和側梁下蓋板存在著裂紋現象。構架是轉向架其它零部件的安裝基礎,是機車安全運行的一個關鍵部件,為此公司迅速組織進行了構架裂紋原因分析,並啟動了SS3B型機車構架強度有限元分析與設計改進項目。
       經赴段現場調研,發現橫梁一下蓋板翼緣處表麵粗糙,橫梁二與側梁對接處原橫梁下蓋板和側梁下蓋板對接焊縫焊趾未進行圓滑處理且焊縫質量較差。對照原構架設計圖紙和現場調研結果,初步分析橫梁一下蓋板翼緣處發生裂紋的可能原因為母材缺陷或加工粗糙;橫梁二與側梁對接處側梁下蓋板裂紋,可能原因為焊腳疲勞開裂導致裂紋逐步向母材內部延伸形成。
       為進一步分析裂紋原因,對老構架進行了有限元分析。同時在現場處理方案基礎上,考慮構架結構空間要求對構架進行一定的結構改進:在橫梁一與側梁對接處增加梯形槽鋼,將橫梁一的下蓋板與側梁體的底板連接起來;將橫梁二的下蓋板翼板加寬。並對改進後的構架使用ANSYS軟件進行了有限元分析,通過改進前後構架的強度對比計算驗證設計改進的合理性。以下將改進設計構架簡稱為新構架。
       構架強度分析主要包括靜強度和疲勞強度的分析,計算載荷和載荷工況按UIC615-4和TB/T2368標準規定實施。按構架設計圖紙建立有限元模型,將構架主要板件離散成三維殼單元SHELL63;構架上結構複雜的拉杆座、圓彈簧拉杆座、牽引座、電機懸掛座、減振器上座等均按實體結構建模,離散成三維實體單元SOLID45;一係簧座、拉杆座、圓彈簧拉杆座處根據構架實際受力狀況分別建立縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14,以便較好地模擬實際支撐情況。
       構架主體材料Q235A的屈服強度σs=235MPa,抗拉強度σb=439MPa,彈性模量E=2.12×105MPa,密度ρ=7.86t/m3,泊鬆比μ=0.288。
       按UIC615-4和TB/T2368標準分別計算出新構架與老構架的超常載荷、主要運營載荷以及特殊運營載荷。構架結構改進後質量增加113kg,新老構架超常載荷、主要運營載荷以及特殊運營載荷差別較小,但由於構架質量的增加,新構架承受的轉向架3g衝擊載荷比老構架有所增大。
       根據基本載荷對構架的計算工況進行組合,形成計算工況表。為了全麵分析構架受力情況,計算工況表綜合了UIC615-4和TB/T2368標準的要求,並將縱向載荷和電機作用於懸掛點的載荷考慮在內,同時增加了工況14和工況15。其中工況荷作用,工況15考慮構架承受轉向架3g衝擊載荷。實際加載時在工況2~工況14中均疊加考慮了製動力和減振器作用力,工況14縱向載荷Fxmax中疊加了由搖頭運動以及小半徑曲線通過時引起的縱向力。因此本文考慮的計算載荷比UIC615-4和TB/T2368標準更嚴格。
       計算中垂向載荷、橫向載荷均以節點力形式施加於二係簧旁承座處;縱向載荷以節點力形式施加於牽引座處;垂向、橫向、縱向約束均以彈簧約束形式施加於一係簧座、拉杆座以及圓彈簧拉杆座處;電機載荷以節點力形式施加於電機懸掛座處;軌道扭曲載荷以位移方式施加於左側梁一係簧座處;製動器載荷以節點力形式施加於製動器安裝座處。計算模型的載荷及約束邊界條件簡圖見圖。
       Top麵的VonMises應力分布,如圖所示。圖中最大應力為84.834MPa,出現在中間橫梁一與右側梁對接時橫梁一下蓋板翼緣處;圖中最大應力為57.977MPa,出現在左側梁旁承定位座二係簧加載處,改進後下蓋板翼緣處應力為40.549MPa,應力顯著降低,側梁其它相同位置改進前後應力變化較小。圖中最大應力分別為99.335MPa和104.077MPa,均出現在電機懸掛座座體上,橫梁下蓋板與側梁下蓋板對接處應力由20.879MPa降到15.713MPa,應力有小幅降低,但焊縫位置已避開了梯形槽鋼與下蓋板焊接的焊縫影響區。上述對比計算結果表明:新構架在對中間橫梁一、中間橫梁二處的結構改進是非常有效的。


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