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構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的主體，是連接轉(zhuǎn)向架其它部分的骨架，它不僅承受車體上部所有設(shè)備的重量，而且承受和傳遞車輛在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種不同方向和隨機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常變化的動(dòng)作用力。影響高速列車運(yùn)行安全的是形形色色失效帶來(lái)的結(jié)構(gòu)可靠性，機(jī)車車輛的主要結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。因此，構(gòu)架必須要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證車輛服役時(shí)的安全性和可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析。
以某型高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，構(gòu)架的實(shí)體模型如圖所示。構(gòu)架采用H型焊接結(jié)構(gòu)，由側(cè)梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支撐梁及其它焊接附件組成。構(gòu)架的主要承載構(gòu)件采用耐候鋼，材料性能參數(shù)如表。通常按照“保證計(jì)算精度的前提下，盡可能減小計(jì)算規(guī)模”的原則建立有限元模型。對(duì)構(gòu)架模型進(jìn)行離散，建立構(gòu)架的有限元模型，如圖所示，得到490659個(gè)節(jié)點(diǎn)，168453個(gè)單元。構(gòu)架的主動(dòng)施力部位添加載荷，在構(gòu)架的被動(dòng)受力部位添加約束。在構(gòu)架的一系彈簧座處添加固定約束，載荷根據(jù)規(guī)定要求分別添加，包括構(gòu)架上部載荷及各吊座處的懸吊載荷。
作用于構(gòu)架上的載荷主要包括垂向載荷、橫向載荷、扭曲載荷、制動(dòng)載荷和縱向載荷。按照《暫規(guī)》要求，計(jì)算超常工況和模擬運(yùn)營(yíng)工況的載荷值。超常載荷是運(yùn)用中可能發(fā)生的最大載荷，在車輛的使用壽命中出現(xiàn)次數(shù)極少。超常工況下的載荷計(jì)算值如表所列。模擬運(yùn)營(yíng)載荷是實(shí)際運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常發(fā)生的載荷，出現(xiàn)極為頻繁，它為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞分析與疲勞試驗(yàn)提供了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷值。模擬運(yùn)營(yíng)工況的載荷計(jì)算值如表所列。
超常工況各載荷單獨(dú)作用下構(gòu)架的應(yīng)力如圖所示。超常工況下構(gòu)架的最大應(yīng)力為183MPa，位于空氣彈簧座下蓋板與側(cè)梁連接處，小于材料的屈服極限，不會(huì)產(chǎn)生永久塑性變形，滿足規(guī)定要求。模擬運(yùn)營(yíng)工況1,10,11,12下構(gòu)架的應(yīng)力如圖所示。工況11下，構(gòu)架的最大應(yīng)力為190MPa位置處于空氣彈簧支撐梁下蓋板與側(cè)梁側(cè)板連接處，小于材料的需用應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，滿足要求。
根據(jù)模擬運(yùn)營(yíng)工況下構(gòu)架的應(yīng)力云圖，選取應(yīng)力較大位置作為疲勞校核點(diǎn)，校核點(diǎn)的應(yīng)力情況如表所列。利用Goodman-Smith疲勞極限圖對(duì)構(gòu)架的四個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行校核，校核結(jié)果如圖所示，校核點(diǎn)的應(yīng)力全部位于包絡(luò)線內(nèi)部，滿足疲勞強(qiáng)度要求。
以某型動(dòng)車組構(gòu)架為研究對(duì)象，參考《暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)架的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。(1)在超常工況下，構(gòu)架的應(yīng)力小于材料的屈服極限，不會(huì)產(chǎn)生永久塑性變形。(2)根據(jù)模擬運(yùn)營(yíng)工況下計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)構(gòu)架的關(guān)鍵位置進(jìn)行了疲勞校核，校核點(diǎn)的應(yīng)力全部位于疲勞極限圖內(nèi)部，滿足疲勞強(qiáng)度要求。
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