电力机车转向架构架焊接补板疲劳强度分析

２００７年第６期　２００７年１１月１０日　机　车　电　传　动　№６．２００７　ＮＯＶ．１０．２００７　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　ＦＯＲ　ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ　研究开发　作者简介：张开林（１９６７一），　男．博士．副研究员．长期　摘要：针对某型电力机车转向架构架补板部位出现的裂纹现象，在对转向架构架整体结构有从事　车　车辆结构与疲劳　限元分析的基础上，对焊接补板应力集中区域，采用“壳到体子模型”方法建立精细模型，得到该区强度的研究工作。　域精确的应力分布情况。计算结果表明，采用子模型技术可以提高整体分析精度，同时针对应力集中　情况，对目前塞焊的补板结构形式提出了改进措施，为工程应用提供了参考。　关键词：构架；补板；子模型；疲劳强度；分析　中图分类号：Ｕ２６０．３３１＋．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００７）０６．００４５－０３　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｐｌａｔｅ　ｆｏｒ　Ｂｏｇｉｅ　Ｆｒａｍｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ－ｌｉｎｌ，ＹＡＮ　Ｚｈｉ－ｊｕｎ２　（１．Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ，ＣＳＲ　Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ｅｌｅｃ　Ｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ，Ｈｕｎａｎ　４１２００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｒｅａｋａｇｅ　ｉｎ　ｈｅ　ｔａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｌａｔｅ　ｏｆ　ｂｏｇｉｅ　ｆｒａｍｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｔｈｅ　ｉｆｎｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｗｉｈ”ｓｈｅｌｌｔ　ｔｏ　ｓｏｌｉｄ　ｓｕｂ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ”ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｌａｔｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｅ　ｔｉｎｉｔｆｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｇｉｂｅｓ．Ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅ　ｓｔｔｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｉｈ　ｔｔｈｅ　ｓｕｂ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｃｈｎｏｌｅｏｇｙ，　ｔｈｅ　ｎａｌｙｓｉａｓ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｉｔｏｎａｌ　ｐｌａｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｌｕｇ　ｗｅｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｈｅ　ｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌａｍｅ；ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｌａｔｅ；ｓｕｂ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ａｎａｌｙｓｉｓ　一　０引言　转向架构架作为机车车辆主要承载部件，承受垂　向、横向及纵向载荷等复合载荷作用，构架的疲劳强　度分析计算一直为设计研究人员所重视。株洲电力机　车有限公司生产的ＳＳ　３Ｂ机车构架为由两根鱼腹形箱　多次在补板焊缝处出现疲劳裂纹现象，因而有必要对　该处的塞焊结构作精细的模拟。为能准确反映该局　部的细节结构，只有采用实体单元来模拟，受计算复　杂程度的影响，建立构架整体实体模型是不现实的，　而采用板单元与体单元的耦合建模方式目前还不成　熟…，故本文采用“壳到体子模型”的方法则能得到这　些区域的较精确的解，进而对构架的疲劳强度作出准　确的评定　形侧梁、两根端梁及两根箱形横梁组成的框架结构，　在建立该构架有限元计算模型时，针对构架基本由板　件组焊而成的结构特点，构架的主要板件离散成为　维壳单元ＳＨＥＬＬ６３。由于受结构及组焊工艺限制，　ＳＳ　３Ｂ机车构架的侧梁与横粱的对接采用塞焊补板的　形式对接。对于该局部结构的有限元建模，如果仅仅　１　构架整体模型计算分析　１．１整体模型的建立　Ｓ　ＳｓＢ机车构架侧梁与横梁的对接采用的塞焊补板　结构如图１所示。为计算分析，必须建立构架整体模型。　采用板单元简化此处的结构，计算结果很难反映出该　局部的真实应力分布情况，由于该构架在实际运营中　收稿日期：２００６—１０—１２；收修改稿日期：２００７—０９—０５　基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目（ＩＲＴＯ４５２）　基于ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，首先建立了构架整体有　限元计算模型，针对构架基本由板件组焊而成的结构　特点，构架的板件离散成为三维壳单元ＳＨＥＬＬ６３，一系　维普资讯 http://www.cqvip.com

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第６期　张开林，颜志军：电力机车转向架构架焊接补板疲劳强度分析　在载荷集中位置才有应力集中效应，如果子模型的位　置远离应力集中位置，则子模型内就可以得到较精确　的结果。子模型方法是得到模型部分区域中更加精确　解的有限单元技术。　子模型在坐标系中的位置与整体模型相应部分的　位置完全相同，分析子模型时，要施加切割边界自由度　的约束。此外，还要将粗糙模型上所有其他载荷和边　４补板子模型局部计算结果　对构架局部结构的子模型有限元计算分析表明，　在构架承受最大垂向、横向、纵向及扭曲载荷工况下，　该局部焊缝根部应力值为２６６．８４７　ＭＰａ，局部应力分布　见图７。局部计算表明，在该工况下该补板结构的局部　应力已经超过构架材料（Ｑ２３５Ａ）的屈服极限２３５　ＭＰａ，　这是由于塞焊导致的应力集中，显然该局部的焊缝疲　界条件复制到子模型上，如：对称边界条件、面力，集　中力等。　子模型法的分析步骤：①生成并分析较粗糙的模　型；②生成子模型；③提供切割边界插值；④分析子　模型。　３补板子模型建立　由于构架横梁与侧梁局部结构为补板联结，在构　架整体有限元模型中所采用的壳单元不能精确模拟该　处的焊缝结构，为进一步精确分析该局部的应力情况，　本文采用有限元“壳到体子模型”计算方法建立补板　局部的实体模型，尽可能再现补板的实际焊缝结构，　从而得到该区域精确的应力分布。　子模型取出横梁与侧梁的局部结构，用实体单元　分析该局部的应力分布。子模型中尽可能模拟实际的　焊缝及塞焊细节结构，除塞焊点以及补板周围焊缝外，　补板与侧梁连接的其他部分并不相连接，子模型细节见　图５。子模型采用ｓｏｌｉｄ９２实体单元，其中节点数为１４６　４２６，　单元数为８４　７９０，子模型有限元网格划分见图６。　图５　子模型补板塞焊细节　阁６　子模型有限元网格划分　劳应力幅值也超出了Ｇｏｏｄｍａｎ焊缝疲劳极限，该构架　局部的补板焊缝疲劳强度是不能满足设计要求的。　２９－／７‘　０９．Ｏ４２　７ｔＩ８，１　２Ｃ７　５７９　２６６　０　７　图７　补板局部应力分布　该局部的应力超限是由于该处补板塞焊结构造成　的，如果不考虑工艺方面的因素，进一步的计算表明，　去掉该补板，则该处无应力集中现象。　就结构疲劳强度而言，采用补板方式是一种不合　理结构，在结构允许的情况下应该尽量避免采用补板　结构。如由于构架焊接组装工艺的需要，必须采用补　板方式的话，则该处建议采用ｕ型补板焊接代替目前　补板塞焊方式，尽可能增加补板焊缝的焊接长度，且　建议在横梁相对应的侧梁箱体内布置两块筋板，以减　小应力集中区域的疲劳应力幅值。进一步计算表明，用　子模型方法计算ｕ型补板局部的应力有明显的降低，该　局部焊缝根部应力值为１　３９．７　１　１　ＭＰａ，局部应力分布见　图８。　”ｄ　‘１　１　醯１”９’ｌＨ　ｉ　●　１６２ｅｔＥ．６●，，１．＂ｌ。日６，１３，．７ｎ　罔８　采用ｕ形补板局部应力分布　５结语　目前，我国机车车辆转向架构　（下转第５０页）　・——４７－——　维普资讯 http://www.cqvip.com

机　车　电　传　动　速度逼近给定值，电流环可以近似地看作小时间常　数的惯性环节，且具有较高的鲁棒性，从而简化系统　的动态设计，提高系统性能盯　机务段、哈尔滨铁路局哈尔滨机务段等路局单位装车　运行，至今已安全运行３０多万公里，运行中没有发生　任何故障。智能化的控制系统准确地操控了真空断路　器的分合闸，有效地保证了机车其他重要部件的安全　运行，大大降低了机车的机故率。该产品的另外一个　特点就是受环境温度的影响非常小，为高寒的东北地　３试验验证　为了减小开关脉冲中的谐波成分对ＩＧＢＴ造成冲　击，系统采用阶梯电流作为给定电流，用于模拟正弦　区的机车提供了有效的保证，解决了传统断路器寒冬　季节瓷瓶炸裂和气缸卡壳的惯性故障，得到了用户良　好的评价。　电流。设合闸时线圈给定电流最大值为，，则给定电流　Ｂ寸序为０．４１（１２　ｍｓ）一０．６１（８　ｍｓ）一０．８１（１０　ｍｓ）一１（４０　ｍｓ）一　０。８Ｉ（１０ｍｓ）一０．６ｔ（８ｍｓ）一０．４Ｉ（１２ｍｓ），通电时问总计为１００ｍＳ。　合闸时线圈中实际通过的电流，　波形如图５所示，试验　测试时供电电压从７０～１３０　Ｖ变化时，合闸时线圈中实　际通过的电流波形几乎没有变化。从图５中可以看出电　５结论　本文所介绍的采用单稳态永磁操动机构的新型电　气化铁道真空断路器必将引起高压断路器划时代的革　命，使永磁机构与真空灭弧室达到了完美的配合，使　流最大值只有４Ｏ　Ａ，比开环控静ｌ时最大值６０　Ａ减小ｒ　３３％，从而显著减小了合闸时动触头与静触头之间的　用其开发的新一代真正免维护开关产品将成为我国电　冲击碰撞，延长真空断路器的寿命。　永磁机构进行分闸操作时，线圈通电流的时间很　短，只有１５　ｍｓ，采用控制导通时间的开环控制方式完　全可以满足要求，如果采用ＰＷＭ跟踪控制则由于控制　时间太短，效果反而差。图６所示为分闸时线圈中通过　气化铁道机车车辆高压开关的主流，而采用单稳态永　磁机构的真空断路器在我国电气化铁道供电系统中也　有着良好的前景。　参考文献：　［１］林莘．永磁机构与真空断路器［Ｍ］＿北京：机械工业出版　社，２００２．　的电流波形，可以看出电流的最大值为ｌｌ　Ａ。通过试验　测得分、合闸时间均满足要求。　４Ｏ　３０　２０　１０　［２］姚梅珍，严金城．ＢＰＣ永磁机构真空断路器的研制［Ｊ　ｌ江苏　电器，２００５（２）：ｌ３一ｌ６．　［３］林莘，高会军．永磁操动机构磁场数值计算［Ｊ］．高压电　器。２０００（３）：３－６．　ｆ　４］邹洪超，娄建勇，荣命哲．单线圈单稳态永磁机构接触器　ｔ维磁场分析和电磁吸力的计算［Ｊ］．低压电器，２００４（３）：　１　２—１５．　０　２　４　６　８　１０　１２　１４　１６　ｔｌＩｌｌｓ　５］林　苹，徐建源，高会军．永磁操动机构动态特性计算与分　析［Ｊ　１中闰电机工程学报，２００２（６）：８５—８８．　［６］Ａｌｅｘｅｙ　Ｃｈａｌｙ，Ｖｉｋｔｏｒ　Ｐｏｌｕｙａｎｏｖ，Ｖｌａｄｉｍｉ　ｒ　Ｚａｋｈａｒｏｖ，Ｈｅｌｍｕｔ　冈６　分闸时线圈中　实际通过的电流　Ｒｅｂｓｔ０ｃｋ．从结构上看永磁真空断路器ＩＳＭ［Ｊ　ｌ电气制造，　２００５（５）：３０—３２．　４运用情况　该产品自２００６年４月起分别在沈阳铁路局苏家屯　［７］葛锁良．电流跟踪控制及其实现【Ｊ】．自动化与仪器仪表，　１９９９（３）：８－９．　（上接第４７页）　架等关键部件，采用补板焊接的连　合理结构，应该尽量避免补板结构。　参考文献：　［１］吴强，凌道盛．等．复杂组合板壳结构有限元分析［Ｊｌ杭　州：浙江大学学报，１９９６．３０（１）：８５—９２．　接方式普遍存在，本文的计算为补板的疲劳强度分析　提供了一定借鉴。　①在对转向架关键部件的有限元分析计算中，对　于类似补板结构仅用板单元简化计算存在相当的误　差，有必要对补板结构作精细的模拟，　②采用子模型分析方法能分析构架复杂焊缝区域　的应力集中现象，从而得到更为精确的应力分布。　③就结构疲劳强度而言，采用补板方式是一种不　［２』ＵＩＣ　ＣＯＤＥ　６　１　５－４，Ｍｏｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｉｔｓ—Ｂｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｇｅａｒ　．Ｂｏｇｉｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｔｅｓｔｓ［Ｓ　１　［３］昊诰圭．王继承，等．子模型法在客车车身结构改进中的应　用Ｉ　Ｊ　１华南理工大学学报，２００３，３１（２）：５２－５５．