铁路运输的转向架构架应力
Rusu-Casandra Aurelia Liliana*, Baciu Florin, Iliescu Nicolae, Atanasiu Costica
期刊Procedia Engineering100 ( 2015 ) 482 – 487
第二十五届DAAAM智能制造与自动化国际学术研讨会，DAAAM 2014年
布加勒斯特理工大学，Splaiul Independentei 313号，布加勒斯特，部门6060042，罗
马尼亚
摘要：本文对工厂中用于运输的典型铸铁转向架构架在加载相应常见的工作操作下产生的应力和应变的分布情况进行了研究对比。

使用三维有限元方法进行数值分析的结果和使用应变仪技术的实验研究结果进行了比较。

计算和实测得到了相同的结果并且准确的测算出了构架的最大应力区。

知道了最危险的应力集中区后对其进行新的优化设计工艺使其在加速是不会变的不安全从而来确保铁路运输的安全。

关键词:转向架;应力分析;有限元方法;实验技术;设计优化
1 引言
铁路行业和火车制造商的主要目标是交通安全、运输经济和铁路运输能力。

如今,现代技术和它的新特性导致了不断的提高设计和施工车辆的车身结构。

铁路行业遇到的新阶段发展:改进运行服务安全、轻质结构,保证最大装载量,减少产品设计周期和在同一时间降低建设、维护和修理的成本。

大部分的铁路车辆研究关注铁路机车的关键结构部件的完整设计过程，如转向架帧、车轴、车轮和其他组件,其中包括设计过程、评估方法,验证和制造质量要求[1]。

列车转向架是铁路车辆的一个主要组成部分，转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，转向架支撑车体、承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配，在支撑车身静载荷中扮演着一个重要的角色,转向架能使车辆灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线，保证车辆安全运行。

而且转向架还具有支撑轮对、车轴、制动装置和悬架装置的功能，转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性。

保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。

在设计车辆结构过程的早期阶段由于转向架的设计需要频繁的变化结构，因此在预测过重负载情况下的转向架的运转状态中有效的模拟方法是不可缺少的条件[ 2，3 ]。

推广到我们的工作[ 4 ]，在本文中介绍了一个用于运输的典型的铁路客车液态铸铁转向架构架的研究方法。

铁路车辆由车体和位于车辆两端的两个转向架组成，其中有四个车轴用于支撑罐体和模块化钢梁。

新采用的设计方案所设计的转向架构架是用数值分析与有限元方法分析的，并且用应变片进行测量得到实际数据用于与有限元方法得到的数据进行对比。

通过对得到的应变和应力分布结果的比较，认为得到的实验数据和结果是
比较准确的。

所取得的成果和项目开发的经验对转向架构架的优化设计是有用的。

2 试验研究
本实验使用可靠的测量方法应变计技术进行了实验研究，以找出转向架构架的最危险区域的应变和应力情况。

图1显示的是测试实验的装置。

奥廷格鲍德温仪表制造认为132点区域的所承受的压力是最大的。

其中的几个如图2所示。

除了上面的框架的核心部分, ,由于在转向架的一些部位容易产生问题需要维修,在转向架的这些重要的部位都给出了四对开口(I-1, I-2; II-1, II-2; III-1, III-2 和IV-1, IV-2) [5]。

进行初步测量的一个小的开口半径,应力超过材料的许用应力且一些部位的屈服应力超过了，因此半径增加50毫米的值并且进行另一组的测量。

图1 转向架的试验装置
图2 应变片的位置和加载条件
此外,在一个新的方案中，设计的转向架构架模型两侧的开口III是相互连接的，在这种情况下测量转向架构架在载荷下的变形。

同时对转向架构架的这些部位进行研究（图
3）。

最后测量并比较在开口III没有连接的方案中在同一点的应变。

单轴应变计主要位于开口I，II，III，IV（图3）且应变花的两个传感器位于转向架的
顶表面上（图2）。

三个应变桥、13个由Vishay生产的转换器已经在使用。

车体产生1500KN 的垂直载荷因此要应用液压机。

在开口处所测应变值和相应的应力在表1中列出，其中包括2个结果：在开口III没有连接和连接。

利用该方程计算了应力[ 6，7 ]：
σ=K·E·ε(1)
其中K是一个修正系数取决于换能器的常数，E = 2.1x105 MPa弹性模量钢和θ= 0.3是泊松比。

3 有限元分析
有限元分析是使用SolidWorks软件来实现转向架构架三维四面体单元的建立[8, 9 ]。

图4显示了由23593个单元和47486个节点的有限元网格。

对载荷和边界条件进行类似的模型试验研究。

图4 有限元网格划分施加载荷和几何约束
图5表示的是转向架构架在开口III没有相互连接的模型并且在图中显示出了模型在载荷下产生位移的等值线图。

图6表示的是转向架构架在开口III相互连接的模型并且在图中显示出了模型在载荷下产生位移的等值线图。

图5 无连接的模型位移
图6 连接模型的位移
图7和图8表示的应力图中的两个研究案例：开口III没有连接的模型应力图和开口III 连接的模型应力图。

图7 （a）无连接的应力模型图（b）开口III-1的详细放大图
图8 （a）连接的应力模型图（b）开口III-1详细放大图
结论
利用应变计测量和有限元模拟分析应力和应变在一个转向架上的分布是研究铁路运输中客车车辆的重要组成部分。

基于所获得的结果的比较，可以得出以下结论：
1 确定竖向荷载都施加在构架顶面的附近和中央开口这些关键部位上（图7 a，b）。

利用数值分析得到的应力最大值是205 MPa。

仿真结果和试验结果吻合较好，误差小于6%。

2 实验设计了一个在开口III的两边相连接的模型的方案，利用有限元分析方法得到的压力最高值（220 MPa）产生在大致相同的区域（图8 A，B）。

利用有限元分析方法得到的结果和实验结果之间没有出现明显的差异。

然而实验结果显示开口III没有连接时的压力降低而其相邻的开口II（测量点149的值为215兆帕–表1）和开口IV的应力却反而增加了（图9）。

图9 在开口区II、III和IV
3 图5和图6显示，在开口III是相互连接的设计中转向架构架的顶面产生的位移是最大的。

从表1可以注意到开口III由于连接其应变值降低，最近的开口II和开口IV的应变值不是增加反而降低了。

4 实验和数值模拟结果的比较显示出了相似的趋势并且提供了该转向架构架在加载条件下的状态的可靠信息，还在临界区域估算了应力和应变的数值。

这些信息可以对该型转向架结构优化的方法提供一些改进方面的方法，以满足转向架的设计要求和使用寿命。

因此，在今后的工作中，对所有开口相连接设计的模型的力学状态可以进行分析了。

参考文献
[1] 欧洲标准EN 13749:2011，铁路轮对及转向架-规定车架结构要求的方法，欧洲标准化委员会，
布鲁塞尔，2011.
[2] J. S. Kim, H. J. Yoon，城市地铁列车GFRP复合构架在临界载荷条件下的状态，Procedia工程10
（2011），2375-2380，爱思唯尔公司
[3] K. Chlus, W. Krasoli,铁路运输网络的数值试验，动力系统和运输学报Vol. 19，No. 3，2012.
[4] A. Rusu-Casandra,F. Baciu,N. Iliescu, C. Atanasiu，铸铁在鱼雷罐的应力和应变，2012、
第二十三届国际DAAAM研讨会,DAAAM志卷23,1号，书号刊号2304-1382,4 978-3-901509-91-9，维也纳，奥地利，2012.
[5] W. G. Lee, J.S. Kim, H.J. Yoon，对于复合构架和三通结构强度评估，第十八届国际复合材料
会议，韩国，2011.
[6] J.W.Dally，W.F.Riley，实验应力分析，McGraw-Hill，ISBN 978-0070152045，纽约，美国，
1991.
[7] R. L. Hannah，S. E. Reed（编辑），应变计的用户手册，Elsevie科学有限公司与力学实验，1992，
USA.
[8] * * *（2010）SolidWorks用户手册，Systèmes MES SolidWorks公司，Concord,MA,USA.
[9] k. Huebner,D. Dewhirst,D. Smith,T. Byrom,工程技术人员用有限元法，Wiley-Interscience ,ISBN
978-0471370789，加拿大，2001.。