彭玲阳，刘余龙，肖泽桦，黄晓青，彭爱林，吴才香

（中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心，湖南 株洲412000）

0 引言

经济的快速发展，综合国力的增强，加速了铁路行业的发展[1]。铁路在城市发展、物流以及通勤客流等方面扮演着越来越重要的角色，转向架作为车辆运行最关键的核心零部件，其在车辆运行寿命、行车安全中占有极其重要的地位，而构架作为转向架的骨架，是转向架其他零部件的安装基础，承受各零部件所产生的载荷[2]。

周英雄等[3]通过对高速动车组构架的安全性进行计算分析，已验证其结构的强度符合设计要求。陈晓峰[4]等通过对机车构架的静强度及疲劳强度分析以评估构架设计的强度要求，为机车构架的研制提供理论依据。

本研究以轻轨转向架构架的结构设计为例，基于分析软件HyperMesh建立对应的构架三维有限元模型。根据UIC615-4标准对构架施加静强度及疲劳强度工况载荷约束，并有限元分析软件把在HyperMesh中分析设置好的模型导入有限元分析软件求解各工况下的载荷应力。针对不同的载荷应力进行优化，最终完成构架结构设计以及构架的静强度和疲劳强度，使之满足设计要求。

1 转向架构架结构

轻轨车辆转向架设计包含“H”型构架、一系悬挂装置、摇枕、二系悬挂装置、电机和齿轮箱装置、扫石器、液压制动装置、磁轨制动装置、轮缘润滑装置等组件。其中构架侧梁中部设置有凹陷区域，用于放置二系悬挂装置，在横梁顶部设有与车体连接的摇枕装置，摇枕两端置于二系悬挂装置正上方；在每个侧梁中部凹陷区域的外侧面上固定连接有拉杆安装座，且在摇枕两端分别沿垂向向下延伸设有悬臂，在每个悬臂与其同侧的拉杆安装座之间均设有拉杆，拉杆一端安装于拉杆安装座、另一端与悬臂下端固定连接，由悬臂、拉杆安装座、拉杆三者装配连接的两套结构关于构架的中心轴旋转对称，且旋转角度α为180°。通过对摇枕结构的改进以及牵引点的设计优化，以达到实现轻轨车辆的低位牵引效果，提高车辆运行的粘着利用率，且不占用构架横梁的空间。其转向架三维模型如图1所示。

图1 轻轨车转向架三维模型

其中转向架构架为钢管、冷轧钢板以及铸件焊接而成的“H”型结构，构架包括侧梁、垂直于侧梁中间位置的横梁。横梁由两根沿纵向间隔分布设置的管体等零部件组成，其中横向止档座组件横跨在两个沿纵向间隔设置的管体中间，磁轨制动器位于管体的正下方，且磁轨制动器的两端分别通过过渡座组件与位于同侧的两个连接座连接。在侧梁外侧面上横向伸出设有挡块。在悬臂上沿纵向设置有水平的支撑块，横梁沿管体轴线方向两侧对角设置有制动器座，液压制动装置固定在构架的制动器座上，通过液压驱动对整个转向架起到制动效应。其构架三维模型如图2所示。

图2 轻轨车构架三维模型

整个构架通过焊接组成，构架整体焊接必须满足EN15085体系标准的要求。其材料的屈服极限和强度极限分别为325 MPa和510 MPa。

2 构架强度计算

参考国际铁路联盟对UIC615-4《动力车-转向架和走行部-构架结构强度试验》标准中所规定的构架计算载荷和载荷工况实施，对轻轨车辆转向架构架进行了超常载荷工况和模拟运营载荷工况的静强度和疲劳强度计算。基于HyperMesh处理软件以及ANSYS软件建立了构架有限元分析计算模型，将构架有限元计算模型导入HyperMesh软件进行网格划分以及分析前处理设置，其构架网格划分模型如图3所示。

2.1 超常载荷工况

超常载荷是运用运行过程中可能发生的最大载荷，按照UIC615-4国际标准，用于评估构架的静强度，构架轴重按照13t计算，主要的超常载荷如下：

（1）超常垂向载荷

（2）超常横向载荷

其中：nb为转向架数量、mc为车体重量、c1为每个座位按每个乘客80 kg计算、mym为动力车摇枕和回转支承的重量、myt为非动力车摇枕和回转支承的重量、为动力转向架质量、为非动力转向架质量

（3）其他载荷

包括轨道扭曲载荷、电机启动超常载荷、3 g纵向加速度冲击载荷、短路超常载荷、紧急制动超常载荷、振动超常载荷等。

超常载荷中，垂向载荷、横向载荷为基本载荷，然后分别叠加其他几种载荷中的一种，组成超常载荷工况见表1。

表1 构架超常载荷工况

2.2 模拟运营载荷工况

模拟运营载荷是模拟实际运用中经常发生的载荷，按照UIC615-4国际标准，用于评估构架的疲劳强度。主要的模拟运营载荷如下。

（1）垂向载荷

（2）横向载荷

（3）其他载荷

包括轨道扭曲载荷、纵向载荷、转矩、制动振动载荷等。模拟运营载荷中，垂向载荷、横向载荷为基本载荷，然后分别叠加上其他的载荷，组成模拟因牵引电机惯性引起的动态运营载荷工况，见表2。根据标准UIC615-4，主要运营和超常工况的组合见1、表2。考虑到车体有侧滚以及浮沉的影响，取车体侧滚运动系数α=0.1，车体浮沉运动系数β=0.2。

表2 模拟运营载荷工况组合表

3 计算结果及应力评定

应力评定标准采用UIC615-4规范，将计算模型导入有限元分析软件中，计算构架超常状态的静强度和模拟运营状态的疲劳强度。

3.1 超常状态的静强度评定

各超常载荷单独及组合作用下，转向架构架任何点的应力均不能超过材料的屈服极限，即工況1～3的垂向以及横向载荷，构架各点Von_Mises应力均小于材料的屈服极限325 MPa。计算结果表明，最大应力为192.26 MPa，出现在侧梁上盖板与横梁对接圆弧区域，计算结果满足要求。对于工况4-8的其他组合工况，构架各点Von_Mises应力均小于材料的极限强度325 MPa。计算结果表明，最大应力为240.58 MPa，出现在一系簧座与下盖板对接过渡圆弧处，计算结果满足设计要求。

3.2 模拟运营状态的疲劳强度评定

选取构架中应力较大各点，针对计算1～13的单独及组合工况，基于最大主应力方向简化各点应力状态成单轴应力状态，计算出各应力点的极限应力值σmax和σmin，按下式计算各点的等效平均应力及等效应力的应力幅值。

对于工况1～13，将各节点的等效平均应力及等效应力幅值结果导入到Good-man图进行疲劳强度评估，构架各节点疲劳强度评定结果见图4所示。

图4 构架Goodman疲劳曲线图

从图中以看出，构架上所有模型节点的疲劳强度均位于Goodman疲劳极限曲线内。计算结果表明，构架主体结构和焊缝疲劳强度满足设计要求，并具有一定的强度储备。

4 结论

根据UIC615-4标准，利用HyperMesh划分实体网格，通过分析，在超常载荷的各种单独及组合工况下，转向架构架的应力均小于材料的屈服极限，3g冲击载荷工况的应力小于材料的强度极限，满足静强度要求，并且具有一定的强度储备。在模拟运用载荷作用下，通过对构架所有节点的13种载荷工况的分析，转向架构架各节点的应力幅值均不超过母材和焊缝的Goodman疲劳极限图，满足疲劳强度要求。