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高速列车转向架构架仿真分析与试验研究

2020/7/27    来源:科学与技术    作者:苑师铭  李延林  孙艺洋  徐鹏  王凯风      
关键字:高速列车  转向架  架构仿真分析  
本文以高速列车转向架构架为研究对象,分析了仿真分析与台架试验之间的关系,并对仿真分析与台架试验结果进行了比较。根据分析结果,仿真分析可以指导框架测试,也可以验证仿真分析的准确性。

引言

    随着设计理念和检测方法的发展,高速列车转弯转向架框架的设计方案,是从单个早期阶段手动计算和测试,发展成模拟分析指导测试,分析测试验证模拟成绩闭环设计方法。仿真与实验相结合的方法成为新产品开发的有效途径。通过仿真分析来弥补测试的不足,以验证模拟分析的准确性,然后推断它是否能通过测试,验证所检测零件的仿真分析结果的可靠性。根据最近几年经验,从工程应用的角度研究仿真分析与测试之间的关系分析,在实践中扮演行业工程师的辅助角色员工提供参考。

一、仿真分析在转向架设计中的作用

    目前,转向架框架的设计和验证过程主要基于UIC 615﹣4:2003《移动动力装置-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》,UIC 5l5-4:1993《客运车辆后转向架-走行部转向架构架强度试验》,EN 13749:2011《铁路应用轮对和转向架规定-转向架构架结构要求的方法》以及TB/T 2368-2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/T 2637-2008《铁路客车转向架车架、支撑和回转移动台》和其他成熟的标准,通常包括方案设计和仿真分析验证和改进,详细设计,试生产,基准测试,生产线路试等步骤。国内整车企业将采取仿真分析和测试阶段在设计的早期阶段,根据标准中的测试负载进行仿真分析并检查设计结构的完整性,并通过基准测试和行测试以验证。转向架设计中的仿真分析它体现在:

    (1)优化架构。模拟分析的发展促进结构优化和改进,以减少过去只能在测试过程中发现的潜在危险,在方案设计阶段完成结构改进,减少测试工艺的不确定性,缩短了设计到产品周期的时间。

    (2)指导台架测试和线路测试,尤其是测试感应设备布局。通过仿真分析,得到了各部分的应力、应变结果。因此,分析应力状态,主应力方向和测试面是三个方向切片或单向切片等信息。

二、仿真分析与实验

    作为转向架的主要承重部件,框架在设计过程中严格遵循正向的设计方法非常重要,仿真分析和测试验证是产品正向设计的有效手段,两者的结合可以从源头上得到保证设计合理性和标准符合性。

    (一)静态强度和疲劳强度的模拟真实分析

    转向架框架包括两个箱型侧梁和2条无缝钢管横梁组成的H形结构,用高强度耐候钢板焊接。框架材料是正火钢,屈服强度355MPa。框架的几何模型由Catia软件建立模块,使用Hypermesh软件进行仿真预处理,Ansys软件进行模型计算和后处理。

    有限元模型除以实体元素,且95%单位是六面体单元,其余是四面体或过渡单元,单元素数为502802,而有限元模型中的节点数为627898。根据UIC 615-4:2003和EN 13749:除2011年外,还考虑了生产线运行的可能运行条件的组合,检查机架的主要结构和辅助结构,例如电机吊架和减震器座椅、相同位置的静态强度和疲劳强度。工作条件设置涵盖车辆通行过弯,牵引和制动,脱轨,冲击载荷和其他车架限制正常运行期间的服务条件和压力条件。

    (二)仿真分析结果

    根据UIC615-4:2003,在异常负载条件下,结构的任何一点在卸载后都不会产生永久变形。疲劳加载负载条件下ERRI报告附录F中定义的疲劳极限图古德曼曲线进行评定。仿真结果表明,轴箱旋转臂定位座的根部和侧面梁底部的辅助弹簧的孔边缘,牵引杆的根部,防侧倾扭转杆座位置,变速箱底部,横向挡块和变速箱位置等压力很大。在所有工作条件下,最大应力发生在侧梁下方盖板圆孔处的应力为250.4MPa。残余静强度分析结果均低于材料的屈服强度,符合UIC 615-4:2003的要求需求。

    经过分析和数据处理后,危险部分发生在纵向梁的横向止动之后,应力振幅的最大值为81MPa,最大应力为162MPa,在疲劳极限图内,所有点均为在古德曼曲线中,疲劳评估结果符合标准要求。

    (三)静态强度测试及结果

    使用模拟分析结果来布置应变片设置时,应力较大的点主要用于验证框架。强度是否符合UIC615-4:2003,验证分析结果的可靠性。分开安排在车架的侧梁位置,牵引座,刹车座和防撞架狩猎减震器,反狩猎减震器座椅,侧向止动和附近其他压力很大的地方。采用德国HBM公司生产的6件毫米应变计,电阻值350Q,31张三元张和72张单向件,在焊接时应变仪的中心到趾部5毫米。试片的位置和方向应严格按照布置。

    框架是通过吊装安装的,即框架在四个主要弹簧位置吊起,并且在每种工作条件下的力都施加到相应的位置。施工中的横向约束框架同一侧的两个旋转臂,被纵向限制在框架梁的位置牵引拉杆支撑。为了确保将力传递到相应的加载位置,模具设计中考虑了强度,刚度和抗疲劳性测试应平稳进行,以免由于工具强度不足而导致测试失败中断。

    在所有工作条件下的测试最大应力为300MPa,这发生在横向止挡后面的支撑杆中间部分低于材料的屈服限制,符合UIC 615-4:2003的要求。

结束语

    仿真分析和测试是产品开发的关键方法,仿真分析和结构设计优化基准测试的实施,具有重要的指导意义,是提高产品设计可靠性的有效途径。模拟应深入进行研究,分析和量化每种可能的产生和测试错误原因,提高仿真分析的可靠性,最后简化零组件级别的测试项目点。

责任编辑:程玥
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