高速列车转向架构架仿真分析与试验研究

高速列车转向架构架仿真分析与试验研究

苑师铭 李延林 孙艺洋 徐鹏 王凯风

中车长春轨道客车股份有限公司 130000

摘要：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。下面就建立了一套完整的仿真分析和测试过程，可以进一步提高高速列车仿真分析的可靠性，稳定性和准确性。

关键词：高速列车；转向架；架构仿真分析；实验

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]：

（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355 MPa。 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^[2]。

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250.4 MPa。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^[3]。

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81 MPa，最大应力为162 MPa，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350 Q，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300 MPa，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。

参考文献：

[1]程亚军,王宇,张锐.高速列车转向架构架仿真分析与试验研究[J].铁道技术监督,2015,43(05):25-29.

[2]杨国伟,魏宇杰,赵桂林,刘玉标,曾晓辉,邢云林,赖姜,张营营,吴晗,陈启生,刘秋生,李家春,胡开鑫,杨中平,刘文正,王文静,孙守光,张卫华,周宁,李瑞平,吕青松,金学松,温泽峰,肖新标,赵鑫,崔大宾,吴兵,钟硕乔,周信.高速列车的关键力学问题[J].力学进展,2015,45(00):217-460.

[3]王治军.标准动车组转向架构架应力特性分析研究[D].昆明理工大学,2016.

[4]安理. 新一代高速列车转向架构架强度分析与试验验证[D].北京交通大学,2013.