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摘要：本文针对出口孟加拉内燃动车组转向架构架电机吊座，基于有限元仿真计算结果，对电机吊座四种结构的焊缝进行疲劳强度分析。有限元计算结果和实物试验表明，采用的电机吊座包裹四分之三横梁钢管的方案可有效加强构架中电机吊座的抗疲劳性能。
关键词：转向架；电机吊座；结构优化；有限元法；疲劳强度
转向架是轨道车辆中的最重要的承载结构之一，担负着支撑车体、运行、转向等功能，它决定着客车的运行品质和行车安全[1]，其性能优劣直接影响到车辆的动力学性能及使用寿命[2]。转向架的疲劳破坏会严重影响着列车的行车安全[3]。转向架构架作为转向架最核心的部件，是列车承载和传力的基体[4]。转向架构架的可靠性对轨道车辆的运行性能和安全性有重大影响[5]。近年来，国内外轨道车辆转向架构架已经由铸钢件转变为钢板焊接件，焊接是轨道车辆及其零部件制造的重要工艺之一[6]，而焊接接头是构架结构失效的主要区域[7-8]，在焊接结构的构件中，焊缝处是应力集中区，对构件的疲劳强度影响最大。
目前，对机车车辆转向架构架疲劳静强度计算的理论方法主要有国际铁路联盟标准（UIC515-4、UIC615-4），欧洲标准（EN13749），日本工业标准（JISE4207、JIS4208）。国际铁路联盟UIC515-4或TB/T2368规定的静强度试验载荷实施，计算结果的正确性已通过试验验证。构架结构强度计算采用有限元技术实施分析,理论分析结果与试验结果的相对误差可控制在10%的范围内。
利用有限元法进行构架焊接关键部位的疲劳强度评估，发现疲劳强度的薄弱部位，进而在产品设计阶段或进行现有产品改进设计阶段完成疲劳强度评估，同时加以改进，以便降低疲劳试验风险，缩短实验周期，减少产品试制成本[8]。本文针对出口孟加拉内燃动车组动力、非动力转向架构架进行有限元仿真计算分析结果，对电机吊座焊缝的疲劳强度进行分析，并提出优化方案。
1构架结构形式
出口孟加拉内燃动车组动力转向架采用空簧无摇枕结构，构架采用焊接结构，呈双“目”字形。如图1所示。由两根侧梁、两根横梁和两根端梁组成，两横梁间设置两根纵向辅助梁和两根空气弹簧支承梁。侧梁由上下、内外4块钢板组焊成箱形封闭结构，具有安装空气弹簧、横向减振器等作用，钢板材质为Q345E，上、下盖板厚度均为12mm，内、外侧立板厚度均为10mm。横梁采用无缝钢管，具有连接侧梁、纵向梁等作用，横梁钢管外径Φ190.7mm，壁厚18mm，材质为STKM13B。横梁上设电机吊座、齿轮箱吊座和牵引拉杆座。侧梁中部下立板上焊有横向油压减振器座。纵向辅助梁内侧焊有横向缓冲器座，在该处安装横向缓冲器及其调整垫。踏面制动吊座焊于侧梁端部上。头车动力转向架一、二位角端配备撒砂装置安装座。
拖车转向构架与动车转向架构架主体结构完全相同。与动车转向架相比，缺少电机吊座、齿轮箱吊座及撒砂装置安装座，即图中件号4、11、14和15。
1.侧梁；2.横梁；3.纵向梁；4.齿轮箱吊座；5.端梁；6.制动缸吊座；7.轮对提吊座；8.高度阀安装座；9.附加气室；10.横向缓冲器安装座；11.脚蹬；12.管卡座；13.接地座；14.电机吊座；15.撒砂安装座
图1构架三维模型
2电机吊座四种连接形式
孟加拉内燃动车组动力转向架构架采用电机吊座包裹横梁钢管的联结结构，由于横梁钢管直径较大、外径为Φ190.7mm，壁厚18mm，本身刚度较大，这样就对电机吊座结构提出了更高的要求，为了降低横、侧梁钢管处刚度、应力集中等问题，使横梁钢管与电机吊座焊接处的刚度过渡。对比如下电机吊座四种方案：第一种方案为采用两个分离的电机吊座，电机吊座包裹横梁钢管小于四分之三圈；第二种方案为采用两个分离的电机吊座，电机吊座包裹横梁钢管四分之三圈；第三种方案为采用两个分离的电机吊座，电机吊座全包裹横梁钢管；第四种方案为采用整体电机吊座，电机吊座全包裹横梁钢管，四种方案见表1所示。
由表2和表3可知，在超常载荷工况下，方案4出现最大应力，为272.8MPa，未超出Q345E钢许用应力314MPa的标准。几种方案的牵引电机安装座的静强度均满足要求；方案1、方案2、方案3的计算结果差别不大；方案4电机座的局部应力明显大于前三种方案的计算结果，综上所述，方案1、2、3优于方案4。
4电机安装座四种方案在正常运营载荷工况下的疲劳强度分析
表4电机安装座四种方案下与横梁焊缝的疲劳强度对比表
由国际铁路联盟试验研究报告OREB12/RP17和结构疲劳的相关文献可知[8-12]，根据结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相互垂直这一显著特点，将三向应力状态转化为单向应力状态，计算应力循环的平均应力和应力幅值，根据修正Goodman曲线进行结构疲劳强度评定。由修正的Goodman疲劳曲线确定相应的许用应力，根据计算出疲劳应力值和许用疲劳应力值之比得出焊缝（或母材）的应力因数。
依据EN15085-3标准，对转向架构架关键焊缝的应力因数进行计算分析，焊缝的应力因数是根据焊缝接头形式计算出的疲劳应力值与疲劳许用应力值之比。根据EN15085-3标准，应力因数均小于0.75，应力等级为低级；应力因数0.75-0.9，应力等级为中级；应力因数大于0.9，应力等级为高级。由表4和表3可知，四种方案下牵引电机安装座与横梁焊缝疲劳强度均满足要求。牵引电机安装座与横梁焊缝的焊缝疲劳强度，方案1的最大应力因数0.69，方案2、3、4的最大应力因数0.44、0.43、0.38，方案1、2、3应力因数相差不大，区别甚微。综上所述，从强度和焊缝疲劳两方面考虑方案2、3均满足要求，但方案2为分体电机座3/4包裹横梁，方案3为分体电机座全包裹横梁，从构架轻量化、牵引电机安装座焊接量、材料成本等方面考虑，方案2优于方案3。
5结论
（1）四种方案下构架的静强度和疲劳强度均满足要求。方案4电机座的局部应力明显大于前三种方案的计算结果，综上所述，方案1、2、3优于方案4。
（2）牵引电机安装座与横梁梁的焊缝疲劳强度，方案1的最大应力因数0.69，方案2、3、4的最大应力因数为0.44、0.43、0.38，方案2、3、4应力因数相差不大，区别甚微。
（3）从构架轻量化、牵引电机安装座焊接、材料成本等方面考虑，方案2优于方案3。
（4）有限元计算结果及从构架轻量化、牵引电机安装座焊接、材料成本表明，吊座贯穿钢管结构采用方案2分体电机座（3/4包裹横梁）。
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