陈建 张扬 曾文昌
中车株洲电力机车有限公司（湖南 株洲 412000）
摘要：依据EN13749等标准对转向架构架的疲劳强度进行了仿真计算和台架试验,同时结合轨道车辆的线路动应力测试，并根据S-N曲线和Miner线性疲劳累计损伤理论对构架的疲劳寿命评估。研究发现，在构架的疲劳强度满足有限元计算及台架试验的情况下，由于车辆在实际运用过程中受到轮轨系统激扰产生的弹性振动的影响，构架局部结构的等效应力幅并不能满足特定安全运用里程下的疲劳极限要求。
关键词：转向架构架；疲劳强度；疲劳寿命
0引言：轨道车辆对转向架构架有极高的安全性和可靠性的要求。由于其使用的特殊性，行业内普遍要求各主机厂对构架在全寿命周期内进行维保。目前,国内外对构架的强度设计大都是基于EN13749[1]等标准建议的等幅载荷开展的,这种方法只能对构架在静态力循环下的抗疲劳能力做出基本判断，无法对构架实际运用过程的抗疲劳能力和使用寿命进行准确评定[2,3]。随着铁路运输向高速、重载方向发展，构架的服役条件变得更加恶劣，由于车轮缺陷、 轨道特殊区段激扰、轨道随机不平顺等问题造成构架疲劳损伤开裂的问题越来多[4,5]。如何提高设计阶段仿真准确性和试验的可靠性一直是国内外研究的重点，然而目前行业缺乏标准的轨道谱和载荷谱,现行的构架仿真分析和台架试验对构架可靠性的预测结果与实际情况可能存在较大差异。本文介绍了一种构架设计和疲劳寿命优化研究方法，即基于等幅载荷开展构架主体结构的设计，再结合线路动应力测试结果采用S-N曲线和Miner线性疲劳累计损伤理论对构架的关键区域进行疲劳寿命和结构优化。
1 构架的有限元仿真和台架试验
构架由两根箱型侧梁和两根无缝钢管组成H型焊接结构。计算载荷和和强度评估方法依据标准EN13749进行确定，结构应力计算采用ANSYS 软件完成。采用 10 节点四面体单元SOLID185对构架进行离散。构架共离散为 1267457 个单元，1364307 个节点，如图1所示。在模拟运营载荷作用下，结构上各部位应力幅值均在GOODMAN疲劳极限图中相应母材和焊缝的允许范围内，如图2所示。
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图2构架Goodman评定图
同时依据EN13749标准规定的试验载荷和方法对构架进行了强度试验。在超常载荷下各测点的应力均未超过材料屈服极限，试验载荷卸除后构架也没有发生永久变形。经过107次的疲劳试验，各阶段磁粉探伤均未发现任何形式的裂纹，表明该构架的疲劳强度满足标准要求。
2构架的动应力测试
为了研究该构架在服役过程中，轮轨激扰产生的随机振动对构架疲劳寿命的影响，对该构架关键部位进行了动应力进行测试。根据测试结果，采用 Miner 线性疲劳累计损伤法则和 NASA 针对变幅加载条件所推荐的S-N曲线形式计算等效应力幅从而对关键结构的疲劳寿命进行评估[6]。
2.1等效应力幅的计算
①一个应力谱的损伤计算
由Miner线性疲劳累计损伤法则，计算测试100公里内一个应力谱产生的损伤（D1）的公式如下：
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2.2动应力测试结果
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图4 一系簧导筒与端下盖板焊缝端部的测点频谱图
由图4可以看出测点1-4的振动频率分布有相似之处，在频率40Hz和55Hz左右都有较大能量。计算得出等效应力幅值约为74.8Mpa，超出横向非承载角焊缝或双面开坡口焊透的承载角焊缝的疲劳极限70MPa，不能满足该构架1200万公里运营安全要求。
3构架的结构优化
由于母材的疲劳强度优于焊缝，在不改变构架的整体外形和接口尺寸的前提下，取消一系簧导筒与端下盖板间的连接焊缝，将端部结构改为整体锻件可以有效提高该结构的疲劳寿命，从而满足运用安全要求，如图5所示。
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图5 一系簧导筒与下盖板连接处优化
4 结论
通过车辆的线路动应力测试，并根据S-N曲线和Miner线性疲劳累计损伤理论对转向架构架的疲劳寿命进行研究。结果表明，在构架的疲劳强度满足有限元计算及台架试验的情况下，由于车辆在实际运用过程中受到轮轨系统激扰产生的弹性振动的影响，构架局部结构的等效应力幅并不能满足特定安全运用里程下的疲劳极限要求。因此在构架设计过程中应该充分考虑外部激扰引起的弹性振动对其疲劳强度产生的影响，并通过优化提高构架的疲劳寿命。
参考文献：
[1] EN13749 - 2011. Railway applications—Wheelsets and bogies—Method of specifying the structural requirements of bogie frames. 2011.
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[5]董磊. 城市轨道车辆转向架构架振动疲劳失效影响因素分析[J].大连交通大学学报，2018，39（6）：5-8.
[6]赵少汴.抗疲劳设计[M].北京：机械工业出版社,1997．