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構架是軌道車輛轉向架最關鍵的零部件，也是轉向架其他各零部件的安裝基礎，在車輛牽引運行中起傳遞牽引力、制動力、橫向力及垂向力的作用。因此，轉向架構架的可靠性對車輛的性能和安全性有很大影響，在軌道車輛的轉向架設計中，有必要對構架進行強度分析，了解其應力、應變狀態(tài)。本研究以GCY300II型轉向架構架為研究對象，通過有限元分析與試驗分析的方式分析構架靜強度及車輛運行工況下的動應力，在此基礎上改進構架局部結構，使其在滿足規(guī)范要求的同時具有良好的焊接工藝性。
轉向架構架采用鋼板與型鋼組焊而成，為日字形構架，由2根側梁、1根橫梁和前、后端梁組成。為減輕重量、合理利用材料、降低生產(chǎn)成本，各梁均采用箱型結構或型鋼，使用Q235A型材料。左、右2根側梁的結構相同，上、下蓋板兩側厚為12mm，中部因裝有旁承及橫向止擋安裝座，所以板厚為16mm，側梁立板厚為10mm。側梁拼焊時內(nèi)部加有隔板。為保證軸箱上下拉桿的安裝，側梁設計成變截面，中部截面高為308mm，兩端截面高195mm。為保證制動吊桿座和齒輪箱扭矩拉臂座的焊接強度，橫梁采用壁厚為12mm的400X200X12方鋼，側梁與橫梁之間采用過渡板相連，增加連接面。橫梁上還焊有橫向減振器座。為避開鉤緩裝置和便于安裝機車機感器，前端梁用14b槽鋼制成下凹形。為避開傳動軸，后端梁采用125X100X9方鋼拼成下凹形。左、右側梁上蓋板中有4個旁承安裝座的固定孔，各旁承座中心在側梁縱向中心線上，與側梁下蓋板上的軸箱彈簧座、軸箱拉桿座和牽引拐臂座的縱向中心線重合，以使轉向架受到的縱向、垂向載荷均處于側梁縱向中心線所在的平面內(nèi)，從而使構架的其他各梁及其與側梁對接焊縫基本上不承受附加載荷作用，改善了構架的受力狀態(tài)。轉向架構架結構如圖所示。
建立構架有限元模型時，凡是對強度有貢獻的結構，都予以考慮。由于構架基本為薄板焊接結構，因此采用殼單元對模型進行結構離散。模型共劃分節(jié)點145711個、網(wǎng)格147506個，構架有限元模型見圖所示。依據(jù)參照TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》及該構架的實際受力情況，確定靜強度評估的載荷工況。構架通過軸箱彈簧與軸箱相連，因此在構架軸箱彈簧支撐處施加三向彈性位移約束。構架加載載荷與加載位置見表所示。
構架材料的屈服極限為235MPa，為使其滿足運用強度要求，各關鍵部位的應力應均低于所選材質的許用應力132MPa，轉向架構架應力云圖見圖所示。從轉向架構架應力分布云圖可以看出：最大應力出現(xiàn)在橫梁與制動吊座焊接處的測點S2處，應力值為128MPa，未超過材料的許用應力值132MPa，滿足強度要求。構架動應力測試參照TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》進行。構架動應力試驗測點共22個，測點處應變片貼法如圖所示。
試驗采樣時，采用硬件濾波方式對采樣信號進行抗混疊濾波，濾波頻率為500Hz。對采樣后的信號數(shù)據(jù)序列使用截止頻率100Hz進行低通數(shù)字濾波。采用雨流計數(shù)法作為數(shù)據(jù)處理的計數(shù)方法，在非對稱循環(huán)交變應力作用下，平均應力對結構疲勞強度有較大的影響，因此在計算應力譜時采用Goodman直線模型進行平均應力修正。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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