邓天佑 姚圣章
中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001
摘要:本文首先介绍了窄轨电力机车转向架的构架承受载荷状况，然后利用Ansys有限软件分析了构架强度，依据强度计算结果及机车车辆的实际工况分析构架检修的关键位置，最后对构架关键项位置的快速检修提出了合理化的建议。
关键词：转向架构架；检修；有限元分析
Research on rapid maintenance of bogie frame of narrow gauge locomotive based on finite element method
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(CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd,Hunan province,Zhuzhou city,412001)
ABSTRACT: This paper first introduces the load bearing condition of the bogie frame of narrow gauge electric locomotive, and then analyzes the frame strength by using ANSYS finite software. According to the strength calculation results and the actual working conditions of rolling stock, the key position of frame maintenance is analyzed. Finally, reasonable suggestions are put forward for the maintenance of the key position of the frame.
Key words: bogie frame; maintenance;finite element analysis
构架是机车车辆的驱动系统、制动器、轮对等关键部件的安装骨架，机车车辆实际运行中直接承载安装设备和轨道基础传递的垂向、纵向和横向各种载荷，构架实时维护是机车车辆安全运行的重要保障。因此,如何能快速、高效地对构架进行检修，对机车车辆安全运行来说显得迫在眉睫[1]。
1 转向架构架的载荷情况
南非机车窄轨电力机车是针对南非铁路的窄轨线路、弯道多、曲线半径小及线路条件差的特点而研制的双流制窄轨交流传动货运电力机车。轴重增加26t，转向架为Bo-Bo型，该转向架主要由轮对轴箱组装、驱动单元、构架、一二系悬挂装置、电机悬挂装置、牵引装置、轴温报警装置、 轮缘润滑装置、 脱轨保护装置及附属装置等组成。
南非窄轨转向架构架为典型的“日”字形结构,梁体为箱形梁焊接结构，保证构架具有较高的强度和刚度，承受车辆运行中来自车体和轨道的各种载荷。构架由前后端梁、侧梁和牵引梁组成，各梁均采用钢板焊接而成的箱型结构。
侧梁：侧梁不仅是向轮对传递垂向力、纵向力和横向力的主要构件，还用来规定轮对的位置。本窄轨转向架构架侧梁为中部凹陷的鱼腹梁结构，其上设置有一二系弹簧座、轴箱拉杆座、一二系垂向减振器座、整体起吊座、制动器安装座以及脱轨保护装置安装座等；
端梁：横梁用来保证构架在水平面内的刚度,保持各轴的平行及承托牵引电动机。两端的横梁又称为端梁。具有端梁的呈矩形的构架，称为封闭式构架;只有一个或两个相邻的中部横梁而没有端梁的构架，称为开口式或H形构架。端梁用来保证构架的水平刚度,有时仅用来吊挂一部分基础制动装置。而本窄轨转向架构架的前后端梁上均设置有二系横向减振器安装座，其中前端梁上还有三角撑杆安装座。
中间横梁：中间横梁通常用来安装心盘、旁承，以传递机车上部结构的重量和吊挂一部分基础制动装置。有的还在两横梁之上焊接一纵向牵引梁,以便在其上安装心盘。本南非窄轨转向架中间横梁上有电机安装座、横向止挡座以及牵引座等，承受机车的牵引和制动力。
2 转向架构架的强度分析
采用ANSYS软件建立了构架的有限元模型。实体离散为SOLID92单元，该单元为带中间节点的四面体单元；一系簧及拉杆离散为COMBIN14单元；电机、齿轮箱等安装设备离散为Mass21单元。模型节点共计272217个，单元为896209个，包含1768个弹簧单元、4个Mass21单元，具体有限元模型见图1。
加载工况根据T/B 2368《动力转向架构架强度试验》标准，模拟20种工况[2]。工况1-17构架上各点VonMises应力应小于材料的屈服极限345MPa，工况18-20，构架的各点VonMises应力应小于材料的抗拉极限530MPa，局部应力云图见图2。
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3 构架检修的关键部位
3.1 检修的关键位置
机车车辆实际运行过程中转向架的构架承受载荷较复杂，既承受轨道基础传递的惯性冲击载荷，又承受车体传递的载荷。
构架的牵引座主要承受车辆的纵向力，构架的制动器吊座承受制动工况的垂向载荷，驱动电机座受力最复杂，既有电机设备的垂向、横向和纵向冲击，又有正常运行中的驱动系统传递的载荷，一系安装座主要承受减振器传递的载荷[3]。
通过采用有限元软件对转向架的构架进行强度计算，查看构架的各工况应力云图，构架上的受力关键点非常清晰，经过梳理、比较，综合实际运行中的工况，最终确定如下关键点：
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3.2 构架关键位置的检修
构架常见故障包含裂纹、变形和碰撞等，其中裂纹为关键故障，构架的失效一般为制造过程中初始裂纹在运行过程中不断扩展引起的，裂纹一般出现在交变应力较大的位置。比如：构架的中间梁的中间上下盖板圆弧处、拉杆座的外立板圆弧处、牵引安装座圆弧处等位置[4]。
构架日常检修中应高度关注这些位置的外观检查，发现有裂纹或疑似裂纹应立即记录并上报。轻微裂纹可打磨去除，打磨过程中保证光滑过渡，不能有凹坑、尖角等形状突变。对于中间梁的中间上下盖板等关键位置圆弧处的裂纹，不能随便进行焊修处理，因为这些位置的交变载荷较大，焊修后疲劳应力较大，焊缝的抗疲劳应力明显低于钢板母材的抗疲劳能力。
4 结论
本文依据ansys有限元分析软件对南非窄轨电力机车转向架构架的强度分析，通过查看各工况的构架的应力云图，列出了10处关键维修位置，对这些关键位置的检修提出了合理的建议。通过构架的关键位置分析，使检修人员在检修过程中做到有的放矢，对关键受力部位快速检修，既节省了检修时间，又避免了重大检修失误。
参考文献
[1] 李涛.高速交流传动Co-Co机车转向架构架优化[D].成都：西南交通大学机械工程学院,2007.
[2] 陈国胜.HX_D1D型大功率交流传动快速客运机车转向架研制[J].电力机车与城轨车辆.2014.
[3] TB/T 2368．动力转向架构架强度试验，2003
[4]邹文辉,李冠军,陈喜红,等.南非运煤专线26t轴重电力机车转向架研制[J].技术与市场,2017