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動(dòng)車組是由若干動(dòng)力車和拖車或全部由動(dòng)力車長(zhǎng)期固定連掛在一起組成的車組。動(dòng)車組的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)向架，它支承車體并使之在軌道上運(yùn)行，其中構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架，是安裝各種零部件的載體，承受和傳遞垂向力、水平力和扭矩等。為實(shí)現(xiàn)車輛的高速化，動(dòng)車組采用了輕量化的焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架。隨著列車速度的不斷提高，線路固有頻率范圍加寬，而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自重不斷減輕，其固有頻率降低，這樣就導(dǎo)致構(gòu)架的低階彈性振型有可能處于線路的激擾范圍之內(nèi)，從而使構(gòu)架的某些部位產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)變形。因此，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞可靠性問(wèn)題已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
世界各發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視機(jī)車車輛關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞可靠性問(wèn)題。北美鐵路協(xié)會(huì)通過(guò)大量的調(diào)查研究和試驗(yàn)研究，在AAR標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了車輛承載構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。西歐各國(guó)則根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，制定了與實(shí)際較為接近的UIC標(biāo)準(zhǔn)。日本鐵路部門對(duì)疲勞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，提出了日本鐵路軌道疲勞設(shè)計(jì)方法，并頒布了JIS規(guī)范。我國(guó)鐵路線路條件與歐美、日本鐵路有著較大差別，確定符合我國(guó)線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況的疲勞設(shè)計(jì)載荷，也就是找到符合我國(guó)線路運(yùn)營(yíng)條件的動(dòng)載荷系數(shù)，是正確使用設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。
針對(duì)CRH2動(dòng)車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架，采用模擬計(jì)算和線路實(shí)測(cè)兩種手段得到構(gòu)架上關(guān)鍵部位的等效應(yīng)力，并依據(jù)JIS E 4207規(guī)范(鐵路車輛-轉(zhuǎn)向架-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)通則)對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的有限元分析評(píng)估。
CRH2轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)架的主體框架在水平面內(nèi)呈H形，由兩側(cè)梁、橫梁及空氣彈簧支承梁等構(gòu)成，如圖所示。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為7364 kg，空氣彈簧橫向跨距為2460 mm，最大軸重為16.0 t(200%定員)，彈性定位節(jié)點(diǎn)剛度在橫向和縱向分別為5.49 MN/m和13.7 MN/m，軸箱彈簧垂向剛度為1.244 MN/m。
綜合考慮整個(gè)構(gòu)架的計(jì)算量、計(jì)算精度及構(gòu)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，選用10節(jié)點(diǎn)二次實(shí)體單元Solid92，采用HYPERMSEH和ANSYS軟件對(duì)構(gòu)架整體進(jìn)行有限元離散和計(jì)算。網(wǎng)格數(shù)量決定了計(jì)算結(jié)果的精度和規(guī)模，權(quán)衡網(wǎng)格數(shù)量與精確度兩者的關(guān)系，最終離散出的節(jié)點(diǎn)數(shù)為356310，單元數(shù)為180 307。離散模型的質(zhì)量與實(shí)際結(jié)構(gòu)質(zhì)量十分接近。
對(duì)于邊界條件，采用全約束彈簧單元Combin14。另外，考慮到牽引電機(jī)和制動(dòng)時(shí)電機(jī)質(zhì)心、制動(dòng)力作用點(diǎn)的位置，采用梁?jiǎn)卧狟eam188進(jìn)行模擬。
構(gòu)架強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組構(gòu)架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，依據(jù)日本JISE 4207標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)計(jì)上的通用條件，分為載荷條件、強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件及剛性設(shè)計(jì)條件。其中載荷條件分為靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷，強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件分為應(yīng)力計(jì)算及許用應(yīng)力。
靜載荷條件。靜載荷條件是指車輛在停止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所承載的載荷。主要由一個(gè)轉(zhuǎn)向架所承載由車身質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷、一個(gè)轉(zhuǎn)向架所承載的由裝載質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷、由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件的質(zhì)量所產(chǎn)生的載荷組成。
動(dòng)載荷條件。動(dòng)載荷條件是指車輛在運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所承受的載荷，分為靜載荷與附加系數(shù)的積所表示的載荷以及安裝部件的特性所決定的載荷(需要考慮線路條件及車輛的實(shí)際振動(dòng)和預(yù)測(cè)振動(dòng)的大小)。
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