基于灵敏度的新型宽轮距转向架构架结构优化

针对新型宽轮距跨座式单轨转向架构架端梁刚度不足﹑模态频率低的问题,建立了构架的有限元模型,进行自由/约束模态的灵敏性分析;提出在构架端梁中增加减重孔和采用铝合金材料这两种优化方案,并进行自由/约束模态灵敏性分析;最后对优化后的构架端梁进行静强度和疲劳强度分析.研究结果显示:在静强度工况下,优化后的构架端梁最大应力位于构架齿轮箱体上,且小于材料的屈服极限强度;在疲劳强度工况下,与原有的构架端梁相比,优化后的危险节点循环次数较低,但仍满足工程要求.     

高速转向架构架强度及模态分析研究

根据某型高速转向架构架的结构特点,利用Ansys软件建立构架的有限元模型,依据TB/T 2368-2005标准和焊接材料的Goodman-smith疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估.结果表明:各关键点的等效应力均小于相应的许用应力,构架满足疲劳强度的要求.此外,还对构架的模态进行了分析,分析构架在某一频域内的振动模态,从而评价构架的动态性能是否满足设计要求.     

基于谱载荷的高速列车转向架的疲劳强度

为了有效地预测高速列车转向架构架的疲劳强度或寿命,提出了一种基于试验谱载荷的疲劳强度预测方法.这种方法是用雨流计数法对UIC515-4和UIC615-4规定的构架疲劳强度试验载荷和载荷循环次数进行分级,用有限元法确定构架在每级载荷作用下的应力分布,将多轴应力转化为单轴应力,根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则计算构架的等效应力,利用S-N疲劳曲线预测构架的疲劳强度或寿命.算例表明,采用该预测方法计算的高速列车转向架构架的疲劳强度与现有文献的结果一致.     

CRH2动车转向架构架疲劳强度分析

针对CRH2动车组动车转向架焊接构架,从模拟计算和线路实测两方面得到构架上关键部位的等效应力,并依据JIS E 4207规范进行了静强度和疲劳强度评估.两种分析结果的比较表明,各关键点的实测等效应力均小于计算值,这为正确使用规范以及制定符合我国线路条件的设计规范提供了依据.     

基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析

针对考虑转向架板件之间焊缝对其力学性能的影响,提高仿真分析结果的准确性和有效性,对基于焊缝结构的转向架构架进行了静强度分析,并采用准静态应力分析法对转向架构架进行疲劳强度分析以及疲劳损伤评估,研究了电机箱处不同焊缝结构形式对构架疲劳寿命的影响.研究结果表明:HV型T型焊缝较单面角T型焊缝而言,电机箱焊缝处的疲劳寿命提高了69.6％,能够有效提高转向架构架整体疲劳强度.     

CW-200K转向架构架疲劳强度及模态分析研究

根据CW-200K转向架构架的结构和承载特点,运用Solidworks建立构架的实体模型,并将模型导入AN-SYS中进行有限元分析,依据分析结果并参照标准JIS E4207—2004和焊接材料的Goodman疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估.此外,还对构架进行模态分析,分析构架在某一频域内的振动模态,从而评价构架的动态性能是否满足设计要求.分析结果表明:各关键点的等效应力均小于许用值,构架满足疲劳强度的要求;构架的最低自振频率为33.944 Hz,能够有效地避开激振频率.这为优化构架结构提供相关的参数依据.     

一系弹簧刚度对C0转向架构架强度的影响

为了合理地确定中间轴的一系弹簧刚度,研究了2种不同边界条件——弹簧约束和力约束下构架部分节点的应力,分析了中间轴一系弹簧在不同刚度和不同竖曲线下对构架部分节点应力的影响,并探讨了C0转向架构架应力重新分布现象．计算结果表明,C0转向架构架有限元计算模型的约束条件必须保证3根轴的轴质量相等;中间轴一系弹簧的垂向刚度比端轴的垂向刚度小时,构架应力分布更为合理．     

提速客车转向架安全吊座疲劳失效机理与改进方法

分析了提速客车转向架安全吊座孔附近产生的疲劳裂纹特征, 提出共振现象造成的结构振动疲劳是该部位产生裂纹最主要原因的假设; 通过有限元仿真得到安全吊杆的前1¹0阶模态振型, 分析了各阶模态频率; 进行线路实测加速度与动应力试验, 得到等效应力、加速度及其主频, 并与有限元仿真结果进行对比分析; 在掌握了安全吊座失效机理的基础上, 通过结构改进与调整连接方式优化安全吊杆结构及其固定方式; 对新结构进行线路实测试验, 并对其安全性与经济性进行评估。研究结果表明: 受普通客车运行线路条件影响, 安全吊杆振动频率(加速度主频为91.78 Hz, 动应力主频为91.00Hz) 与有限元计算的第4阶模态频率(95.79Hz) 相近而产生共振; 安全吊杆的纵向加速度功率谱密度远大于其横向值与垂向值, 这与列车的运行方向相吻合, 因此, 振动疲劳使得安全吊座孔边产生裂纹; 在螺栓孔两侧增加5mm厚垫片, 并且将安全吊杆由钢板折弯结构更改为钢丝绳柔性结构能够最大程度降低螺栓孔处等效应力幅值, 减少疲劳损伤累积; 改进后的安全吊杆满足1 200万公里的使用要求, 取得较好的经济效果。     

牵引电机振动对构架疲劳强度的影响

为分析造成地铁车辆动力转向架牵引电机吊座附近区域出现疲劳裂纹的原因,用有限单元法分析了构架的疲劳强度.结果表明:电机吊座附近区域的应力主要受电机垂向振动载荷影响,电机垂向振动载荷增大不影响节点平均应力,但使其应力幅值增大.垂向振动加速度从1g增大到10g时,考察点应力幅值增大约1.5倍,安全系数由2.68降低至接近1.00.在标准规定的水平振动加速度范围内,构架节点安全系数无变化.     

基于全尺寸台架试验的中低速磁浮列车悬浮架强度评估

为评估某中低速磁浮列车悬浮架构架是否满足强度要求,利用自主研发的全尺寸中低速磁浮强度试验台对该悬浮架构架开展了静强度与疲劳强度试验,基于有限元和多体动力学仿真结果,确定了悬浮架构架的应力集中部位与承载特性;据此,在悬浮架构架上合理布置了系列测点,测量了车辆在超常载荷、模拟主要运营载荷和模拟特殊运营载荷3类工况下悬浮架构架的应变响应信号,根据悬浮架构架不同部位的材料特性,通过转换计算评估了悬浮架构架的应力水平。研究结果表明：在静强度试验中,悬浮架构架的较大应力点主要分布于托臂拐角、支撑轮安装座与防侧滚梁连接处、停放制动滑橇安装座等处,而在疲劳强度试验中的薄弱点主要为纵梁与托臂连接的焊缝处;相比于列车的常规运行工况,在悬浮失效、超载落车制动等特殊运行条件下,悬浮架构架的静强度和疲劳强度的应力幅值分别增加了1.06和4.77倍;所有测试工况下悬浮架构架受到的最大拉应力、最大压应力分别为67.22、-20.30 MPa,且最小安全系数为1.71,说明悬浮架构架满足结构强度要求;所有测试数据结果均在各自材料的Goodman-Smith疲劳极限图包络线内,说明悬浮架构架满足疲劳强度要求;经渗透探伤查验,悬浮架构架的任何位置上均未发现裂纹,验证了悬浮架构架疲劳强度评估结果的可靠性。     

轮轨冲击对构架疲劳的影响

以三轴机车转向架构架为例, 建立其轮轨冲击的运动微分方程, 通过龙格-库塔积分法得到了轮轨冲击的载荷时间历程, 分析了轮轨动态冲击对构架疲劳寿命的影响。利用有限单元法建立了轮对、构架、车体的整体有限元模型, 采用瞬态动力学分析得到构架危险点的应力时间历程, 结合材料的S-N曲线以及疲劳损伤累积准则, 进行了构架的疲劳寿命计算, 得到轮轨低接头冲击下构架疲劳寿命。分析结果表明: 构架的应力响应并不与轮轨处的激励同时达到最大, 且在激励结束后有一较长的响应过程; 轮轨冲击对构架的疲劳影响较大, 尤其对轴箱弹簧座处的侧梁下盖板的寿命影响最为显著, 在25.0m轨长的错牙接头作用下, 其疲劳寿命为5.15×10⁶km。     

An Experimental Study on Bogie Frame of a High Speed Electrical Locomotive

For the dynamics of wheel/rail and car body, lightweighting of bogie frames is one of main concerns of designers. Lightweighting of the bogie frames may reduce the fatigue strength and life, especially in heavy haul and high-speed conditions. In this work, full-scale fatigue and fracture experiments are performed to meet the design requirements of bogie frame of a high-speed electrical locomotive. Multi-axial stress-states of some dangerous points are found both in service and numerical calculation. The Von-Mises equivalent stress criterion is used to evaluate the strength. Then crack initiation and propagation detected during the test are described. The reason why the crack growth rate may become slow in the weld structure of the bogie frame is explained using a residual stress concept. Miners accumulative damage rule and P-S-N curve are used to predict the life of the bogie frame under fatigue and fracture tests. The experimental approach and theoretical analysis give satisfactory results and design information.     

高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱,推导了自由轮对蛇行运动模型,建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程;建立了柔性转向架蛇行运动模型,给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程;结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数,联立自由轮对蛇行运动方程,求解不同轮对初始横移下的构架蛇行波长和频率;以某型动车组一个车轮镟修周期内实测的车轮踏面廓形为例,分析不同车轮镟后里程下的构架蛇行波长及频率的变化规律。分析结果表明：部分测点出现明显的2.9、14.9和33.6Hz振动频率,且这些频率随着车速的增加呈线性增长趋势;33.6 Hz来源于车辆通过CRTS Ⅱ型轨道板时频率;14.9 Hz来源于350 km·h^-1运行时的车轮转动频率;当轮对初始横移为3 mm的等效锥度为0.14时计算的构架蛇行频率为3.0 Hz,与实测构架横向振动频率2.9 Hz接近,从而验证了微分方程的准确性;随着车轮镟后里程的增加,相同轮对横移下的等效锥度不断增大,构架蛇行波长不断减小,蛇行频率也随之增高;车轮镟修后20.6万公里,轮对横移1 mm时蛇行频率最大接近8 Hz。     

高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测

建立了车辆结构的刚柔耦合动力学模型, 对比了刚性构架和柔性构架的振动响应, 计算了构架的载荷谱; 分析了应力谱转化方法, 利用有限元方法与多项式拟合方法计算了构架的动应力谱; 基于动应力谱与相关标准, 运用线性累积损伤理论与疲劳裂纹扩展寿命Paris方程计算了构架的疲劳全寿命。计算结果表明: 相比于多刚体车辆系统动力学模型, 采用考虑构架柔性的车辆系统动力学模型计算的构架振动加速度响应在构架固有频率36.94~95.53Hz范围内的幅值较大, 因此, 构架的模态对振动响应的贡献显著; 将载荷谱转化为应力谱的多项式拟合方法与瞬态分析方法相比较, 应力误差最大值为1.16MPa, 相对最大误差为3%, 满足工程分析5%的计算精度要求; 基于疲劳损伤理论计算的可靠度为95%的构架疲劳寿命为1.82×10⁶ km; 构架危险关注点裂纹由1mm扩展到2mm的寿命为1.76×10⁶ km, 满足中国高速列车车辆检修标准中制定的五级检修周期为1.2×10⁶ km的要求。可见, 构架模态参与下的动态应力谱计算方法与构架的疲劳全寿命预测方法可靠, 有益于构架的动态设计与维修周期的制定。     

基于谱载荷的高速列车转向架构架的疲劳强度

为了有效地预测高速列车转向架构架的疲劳强度或寿命，提出了一种基于试验谱载荷的疲劳强度预测方法．这种方法是用雨流计数法对UIC515-4和UIC615-4规定的构架疲劳强度试验载荷和载荷循环次数进行分级，用有限元法确定构架在每级载荷作用下的应力分布，将多轴应力转化为单轴应力，根据palmgren-Miner线性累积损伤准则计算构架的等效应力，利用S-N疲劳曲线预测构架的疲劳强度或寿命．算例表明，采用该预测方法计算的高速列车转向架构架的疲劳强度与现有文献的结果一致．     

构架裂纹扩展延迟效应

列车运行速度的提高和载重量的增加使其主要承载部件转向架构架的运行环境变得恶劣。为减小轮轨间的作用力, 要对构架进行轻量化设计, 由此引起了构架疲劳强度问题。对某高速列车构架的疲劳试验结果表明, 在给定的常规载荷作用下构架裂纹扩展速度出现延迟效应, 最终减小到零。应用弹塑性裂纹扩展与闭合概念和残余应力松弛概念分析了构架裂纹扩展延迟效应, 结果表明引起构架裂纹扩展速度减慢的主要因素是循环加载中残余应力的松弛, 而裂纹的闭合对裂纹的延迟也有重要影响; 计算了给定工艺构架状态和循环载荷下, 不扩展裂纹初始长度的最小值。     

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。