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隨著我國(guó)鐵路第六次大提速，客運(yùn)速度在部分主干線(xiàn)上已經(jīng)達(dá)到了200 km/h。研究表明，當(dāng)客運(yùn)速度達(dá)到160 km/h時(shí)，則貨運(yùn)速度要相應(yīng)提高到120 km/h，才能使客、貨運(yùn)相互匹配而不影響鐵路運(yùn)能。目前我國(guó)鐵路線(xiàn)路上在用的貨車(chē)中，除裝配有設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h的轉(zhuǎn)K2型等轉(zhuǎn)向架的貨車(chē)車(chē)輛外，還有6萬(wàn)余輛裝有設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h的轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的車(chē)輛在使用。因此，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的提速已經(jīng)納入主管部門(mén)的議事日程。轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架是為了適應(yīng)提速要求在原轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，在側(cè)架之間加裝了彈性下交叉支撐裝置改造而成。轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架在轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上采用了新設(shè)計(jì)的增加了壁厚的新結(jié)構(gòu)側(cè)架，其余零部件與轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架相同。側(cè)架是轉(zhuǎn)向架的主要承載部件，其強(qiáng)度性能直接關(guān)系到車(chē)輛的行車(chē)安全。為了進(jìn)一步考證轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型兩種側(cè)架的強(qiáng)度性能，本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較研究。
ANSYS是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的有限元通用軟件，具有強(qiáng)大的前處理、求解和后處理功能，目前在鐵路車(chē)輛部門(mén)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，本文對(duì)轉(zhuǎn)8AG型與轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的強(qiáng)度性能采用ANSYS版本進(jìn)行計(jì)算分析。
利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可以建立轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的三維實(shí)體模型。將側(cè)架的三維實(shí)體模型通過(guò)Parasolids接口從Solidworks引入到ANSYS中，對(duì)其進(jìn)行模型離散。為了盡量減少有限元模型的單元數(shù)量，將三維實(shí)體模型中對(duì)分析結(jié)果影響較小的部位進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。利用側(cè)架幾何結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱(chēng)性，可取其一半進(jìn)行分析，在模型離散的基礎(chǔ)上對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)部位進(jìn)一步細(xì)化來(lái)提高計(jì)算精度。轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行有限元離散，半個(gè)側(cè)架共離散單元48150個(gè)，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)85745個(gè)，其有限元模型見(jiàn)圖。轉(zhuǎn)8G型側(cè)架同樣采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行有限元離散，半個(gè)側(cè)架共離散單元41782個(gè)，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)74547個(gè)，其有限元模型見(jiàn)圖。
依據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)確定計(jì)算載荷。在側(cè)架彈簧承臺(tái)面上施加垂向載荷1.5C，在側(cè)架兩立柱上施加垂直于側(cè)架平面的橫向載荷0.4C。C為輪對(duì)兩軸頸的垂向靜載重，其值等于軸重減去輪對(duì)自重，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架采用D軸，其軸重為205。8 kN，輪對(duì)自重為10.64 kN，則C=205.8-10.64=95.16 kN，1.5C=292.74 kN，0.4C=78.06 kN。施加載荷時(shí)，垂向載荷平均作用在7處彈簧支承面上，每處載荷292.74/7=41.82kN，因取半個(gè)側(cè)架為模型對(duì)象，所以中間彈簧支承面上的載荷為41.82/2=20.91 kN，其余3個(gè)彈簧支承面上的載荷為41.82 Kn；橫向載荷平均作用在側(cè)架兩立柱的楔塊磨耗板座處，半個(gè)側(cè)架的橫向載荷為78.06/2=39.03 kN，力的方向由內(nèi)側(cè)即制動(dòng)滑槽的一側(cè)指向外側(cè)。垂向載荷單獨(dú)作用時(shí)，在模型的對(duì)稱(chēng)截面上施加對(duì)稱(chēng)約束，并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線(xiàn)位移自由度；垂向載荷和橫向載荷聯(lián)合作用時(shí)，在模型的對(duì)稱(chēng)截面上施加對(duì)稱(chēng)約束，并約束軸箱垂向支承處單元的垂向線(xiàn)位移自由度和外側(cè)軸箱面的橫向線(xiàn)位移自由度。
按單獨(dú)施加垂向載荷和垂向、橫向載荷聯(lián)合作用兩種工況進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架在兩種工況下的載荷及約束分別見(jiàn)圖。轉(zhuǎn)8G型側(cè)架的載荷及約束同轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架。
在上述有限元模型、邊界條件和載荷作用下，用ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架進(jìn)行計(jì)算。兩種工況下重點(diǎn)部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表，在聯(lián)合工況下的應(yīng)力分布見(jiàn)圖。
從轉(zhuǎn)8AG型側(cè)架應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力最大部位分別發(fā)生在承臺(tái)下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位)，應(yīng)力值分別為172.20 MPa(滑槽側(cè))、147.11 MPa(無(wú)滑槽側(cè))、146.14 MPa、125.02 MPa。從轉(zhuǎn)8G型側(cè)架應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力最大部位同樣發(fā)生在承臺(tái)下部拐角處(C部位)、軸箱拐角處(A部位)、三角透視孔下邊緣(B部位)，應(yīng)力值分別為167.69 MPa(滑槽側(cè))、134.12 MPa(無(wú)滑槽側(cè))、104.81 MPa、106.81 MPa�！兑�(guī)范》規(guī)定B級(jí)鋼的許用應(yīng)力為150 MPa。可以看出，轉(zhuǎn)8AG型和轉(zhuǎn)8G型側(cè)架除承臺(tái)滑槽側(cè)拐角的應(yīng)力超出了材料的許用應(yīng)力外，其余部位均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。分析認(rèn)為，由于承臺(tái)拐角處的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和計(jì)算條件的有限限制了模型的規(guī)模，計(jì)算時(shí)，承臺(tái)拐角處倒角邊線(xiàn)的單元易發(fā)生單元歧義，導(dǎo)致該處有較大的應(yīng)力集中因子，使得其計(jì)算應(yīng)力值偏高于實(shí)際應(yīng)力值。
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