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構(gòu)架是軌道車輛轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件，也是轉(zhuǎn)向架其他各零部件的安裝基礎(chǔ)，在車輛牽引運(yùn)行中起傳遞牽引力、制動(dòng)力、橫向力及垂向力的作用。因此，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對車輛的性能和安全性有很大影響，在軌道車輛的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)中，有必要對構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，了解其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。本研究以GCY300II型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象，通過有限元分析與試驗(yàn)分析的方式分析構(gòu)架靜強(qiáng)度及車輛運(yùn)行工況下的動(dòng)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)構(gòu)架局部結(jié)構(gòu)，使其在滿足規(guī)范要求的同時(shí)具有良好的焊接工藝性。
轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用鋼板與型鋼組焊而成，為日字形構(gòu)架，由2根側(cè)梁、1根橫梁和前、后端梁組成。為減輕重量、合理利用材料、降低生產(chǎn)成本，各梁均采用箱型結(jié)構(gòu)或型鋼，使用Q235A型材料。左、右2根側(cè)梁的結(jié)構(gòu)相同，上、下蓋板兩側(cè)厚為12mm，中部因裝有旁承及橫向止擋安裝座，所以板厚為16mm，側(cè)梁立板厚為10mm。側(cè)梁拼焊時(shí)內(nèi)部加有隔板。為保證軸箱上下拉桿的安裝，側(cè)梁設(shè)計(jì)成變截面，中部截面高為308mm，兩端截面高195mm。為保證制動(dòng)吊桿座和齒輪箱扭矩拉臂座的焊接強(qiáng)度，橫梁采用壁厚為12mm的400X200X12方鋼，側(cè)梁與橫梁之間采用過渡板相連，增加連接面。橫梁上還焊有橫向減振器座。為避開鉤緩裝置和便于安裝機(jī)車機(jī)感器，前端梁用14b槽鋼制成下凹形。為避開傳動(dòng)軸，后端梁采用125X100X9方鋼拼成下凹形。左、右側(cè)梁上蓋板中有4個(gè)旁承安裝座的固定孔，各旁承座中心在側(cè)梁縱向中心線上，與側(cè)梁下蓋板上的軸箱彈簧座、軸箱拉桿座和牽引拐臂座的縱向中心線重合，以使轉(zhuǎn)向架受到的縱向、垂向載荷均處于側(cè)梁縱向中心線所在的平面內(nèi)，從而使構(gòu)架的其他各梁及其與側(cè)梁對接焊縫基本上不承受附加載荷作用，改善了構(gòu)架的受力狀態(tài)。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖所示。
建立構(gòu)架有限元模型時(shí)，凡是對強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。由于構(gòu)架基本為薄板焊接結(jié)構(gòu)，因此采用殼單元對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。模型共劃分節(jié)點(diǎn)145711個(gè)、網(wǎng)格147506個(gè)，構(gòu)架有限元模型見圖所示。依據(jù)參照TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》及該構(gòu)架的實(shí)際受力情況，確定靜強(qiáng)度評估的載荷工況。構(gòu)架通過軸箱彈簧與軸箱相連，因此在構(gòu)架軸箱彈簧支撐處施加三向彈性位移約束。構(gòu)架加載載荷與加載位置見表所示。
構(gòu)架材料的屈服極限為235MPa，為使其滿足運(yùn)用強(qiáng)度要求，各關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)均低于所選材質(zhì)的許用應(yīng)力132MPa，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)力云圖見圖所示。從轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)力分布云圖可以看出：最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁與制動(dòng)吊座焊接處的測點(diǎn)S2處，應(yīng)力值為128MPa，未超過材料的許用應(yīng)力值132MPa，滿足強(qiáng)度要求。構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力測試參照TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行。構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)測點(diǎn)共22個(gè)，測點(diǎn)處應(yīng)變片貼法如圖所示。
試驗(yàn)采樣時(shí)，采用硬件濾波方式對采樣信號進(jìn)行抗混疊濾波，濾波頻率為500Hz。對采樣后的信號數(shù)據(jù)序列使用截止頻率100Hz進(jìn)行低通數(shù)字濾波。采用雨流計(jì)數(shù)法作為數(shù)據(jù)處理的計(jì)數(shù)方法，在非對稱循環(huán)交變應(yīng)力作用下，平均應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有較大的影響，因此在計(jì)算應(yīng)力譜時(shí)采用Goodman直線模型進(jìn)行平均應(yīng)力修正。
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