基于UIC/EN标准的构架疲劳强度评估

基于 UIC/EN标准的构架疲劳强度评估

樊庆仰 粘世昌

青岛中车四方轨道车辆有限公司 山东省青岛市 266000

摘要：转向架构架疲劳强度评估是构架力学研究的主要方面之一，并且由于构架在列车运行中发挥着重要的作用。本文要对转向架构架结构疲劳强度评估进行研究。依据UIC615-4和EN-13749标准和母材及焊缝的Goodman疲劳曲线图对构架进行疲劳强度评估，结果表明，各关键点的等效应力均小于相应的许用应力，构架满足疲劳强度的要求。

关键词：转向架构架、疲劳强度、评估方法

转向架实际运行过程中的主要载荷，是进行转向架构架疲劳分析和试验的基本载荷。

1构架简介

本文研究的转向架构架为无摇枕结构 。构架由两根侧梁、两根中间小纵向梁、两根横梁组成H型结构。两根侧梁是由上盖板、下盖板、以及两个立板焊接而成的箱型结构，两根中间小纵向梁、两根横梁为无缝钢管。构架钢板材料为Q355NH。每根横梁焊有一个牵引拉杆座；每根中间小纵梁上焊有一块横向止挡；每个侧梁上焊有一组一系橡胶座。铸钢件材料为ZG25MnNi。构架的基本参数见表1-1。

表1-1 构架材料属性参数 应力单位：MPa

2 构架疲劳强度计算

2.1 计算载荷及约束

图2-1为缅甸客车拖车转向架构架的载荷及约束位置示意图，图中力的箭头方向为正方向。

2.2运营载荷工况

基于UIC615-4和EN-13749标准，对构架进行疲劳强度计算，运营载荷用于评价构架的疲劳强度。运营载荷中，垂向载荷、横向载为基本载荷，组成运营载荷工况。

运营垂向载荷：

运营横向载荷：

2.3 疲劳计算结果评定

疲劳强度评价采用Goodman疲劳极限图，在材料的疲劳极限用应力幅值表示时，疲劳极限随应力比的改变而改变。因此，可以根据不同的应力比得到的疲劳极限，在相同的寿命上画出疲劳极限图。Goodman疲劳极限图是进行强度评估时应用最为广泛的等寿命曲线^[4]。

根据ERRI B12/RP17中抗拉强度不小于490MPa的钢材Goodman Smith图进行疲劳安全系数计算，对每个测点由模拟运营工况中所定的每种载荷工况所引起的应力取出最小值和最大值用以确定：

平均应力

应力幅值

选取构架中应力较大的点，对工况1～17，把各点应力状态简化为单轴应力状态，计算各点最大和最小应力 和 、应力比 ，通过Goodman疲劳曲线对结构强度进行判定，其中应力值较大计算出现在工况2、工况4、工况9和工况13，最大应力值为117.51MPa。

2.3.1构架母材区域计算结果

构架母材使用修正的Goodman疲劳极限图中的曲线来评估，评估结果如图2-2所示。表2-2列出了构架母材上安全系数较小节点的平均应力、应力幅、安全系数。母材节点安全系数均大于表明构架母材区域的疲劳强度满足要求。

表2-2构架母材区域安全系数较小节点列表

2.3.2构架焊缝区域计算结果

有限元模型中焊缝疲劳评估点共选取5389个。构架焊缝形式主要为角焊缝和对接焊缝，且角焊缝的疲劳许用应力小于对接焊缝，利用修正的Goodmam曲线对焊缝区域的疲劳强度进行评估，评估结果偏于安全。焊缝区域的评估结果如图2-3所示，表2-3列出了构架焊缝上安全系数较小节点的平均应力、应力幅。焊缝节点安全系数都大于1.0，表明构架焊缝满足疲劳强度要求。

3.结 论

疲劳强度的评定是采用疲劳极限法，将多轴应力转化为单轴应力，利用修正的Goodman曲线评估。

构架母材各节点最大应力均不超出母材疲劳曲线，构架主体节点最大应力均不超出疲劳曲线。因此，计算结果表明：构架疲劳强度满足设计要求。所有焊缝的安全系数均大于1，满足焊缝疲劳强度设计要求。

参考文献

[1]沈彩瑜，铁道车辆转向架构架疲劳强度研究. U270.1

[2] 光彩盈，李芾，焊接转向架构架疲劳强度评定的工程方法.U260.331.8.

[3] 易慕霞，王志明，陈晓峰，等.ZEH120-C0型转向架构架结构设计[J]. 技术与市场, 2016, 23(9): 34-37.