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焊接构架式转向架构架的疲劳可靠性研究

杨忠良 赵春雷 薛俊谦 贺茂盛

杨忠良, 赵春雷, 薛俊谦, 贺茂盛. 焊接构架式转向架构架的疲劳可靠性研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240227
引用本文: 杨忠良, 赵春雷, 薛俊谦, 贺茂盛. 焊接构架式转向架构架的疲劳可靠性研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240227
YANG Zhongliang, ZHAO Chunlei, XUE Junqian, HE Maosheng. Fatigue Reliability of Welded Frame-Type Bogie Frames[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240227
Citation: YANG Zhongliang, ZHAO Chunlei, XUE Junqian, HE Maosheng. Fatigue Reliability of Welded Frame-Type Bogie Frames[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240227

焊接构架式转向架构架的疲劳可靠性研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240227
基金项目: 中国中车原创培育专项(2022CYY007)
详细信息
    作者简介:

    杨忠良(1977—),男,博士研究生,研究方向为交通载运装备及服役安全,E-mail:clbyzl@163.com

  • 中图分类号: U272;U270.11

Fatigue Reliability of Welded Frame-Type Bogie Frames

  • 摘要:

    焊接构架式转向架是近年开发的新产品,其运行的安全性与可靠性至关重要,本文针对该型转向架焊接构架进行了疲劳可靠性评估. 基于等效结构应力(ESS)方法和主S-N曲线模型提出焊接结构疲劳寿命评估流程,进一步推导多载荷作用下的焊接结构应力状态确定公式;依据BS EN15085-3:2007标准中铁路车辆焊接结构设计要求,结合有限元模型仿真与疲劳试验数据,全面分析转向架构架焊接接头的应力状态和疲劳寿命;通过建立含焊缝细节的有限元模型模拟实际运行条件下的受力状态,使用疲劳试验大纲提供的载荷谱进行疲劳寿命仿真计算,并根据标准确定焊接接头的应力状态等级,以此评估焊缝的质量等级和检查等级;依据EN13749:2011标准进行了转向架构架的疲劳试验. 结果表明:ESS方法结合BS EN15085标准能够精确预测焊接接头的疲劳寿命,转向架构架关键焊缝的总损伤均小于1,满足疲劳寿命设计要求;转向架构架疲劳试验结束后,进行磁粉探伤均未发现裂纹,满足疲劳强度试验要求;基于等效结构应力计算构架焊缝的应力因数最大值为0.939,根据每个关键焊缝的应力因数值明确了构架焊缝应力状态等级,为焊缝质量和检查等级的优化提供了依据.

     

  • 图 1  焊接构架评估部分焊缝位置示意

    Figure 1.  Partial illustration of weld joint locations in welded frame assessment

    图 2  焊接构架的结构应力曲线

    Figure 2.  Structural stress curve of welded frame

    图 3  构架疲劳测试试验

    Figure 3.  Frame fatigue test

    图 4  疲劳测试加载曲线

    Figure 4.  Loading curve of fatigue test

    表  1  构架载荷类型

    Table  1.   Types of frame loads

    载荷类型 描述 值/kN
    垂向载荷 静态部分 Fz1=Fz2= Fz/2 162.2
    准静态部分 Fz1qs= Fz2qsɑFz/2 ±16.2
    动态部分 Fz1d=Fz2d= ±βFz/2 ±32.4
    横向载荷 准静态部分 Fy1qs= Fy2qs=±0.063(Fz + mg ±24.5
    动态部分 Fy1d=Fy2d= ±0.063(Fz + mg ±24.5
    其它载荷 拉杆座纵向载荷 Fxmax=0.1(Fz + mg 38.8
    制动载荷 Fb=1.1 × 2Fpμ 31
    减振器载荷 ±10
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    表  2  疲劳载荷工况

    Table  2.   Fatigue load conditions

    工况 载荷描述 载荷大小/ kN 位移约束 疲劳载荷循环次数和系数
    1 垂直载荷(每侧侧梁对称中心) 32.4 垂向、纵向和横向 600 万次(系数1.0)、200 万次(系数1.2)、200 万次(系数1.4)
    2、3 垂直载荷(一侧侧梁对称中心处) 16.2 垂向、纵向和横向 15 万次(系数1.0)、5 万次(系数1.2)、5 万次(系数1.4)
    4、5 横向载荷(构架一侧横向止挡处) 24.5 垂向、纵向和横向 315 万次(系数1.0)、105 万次(系数1.2)、105 万次(系数1.4)
    6 纵向载荷(牵引拉杆座处) 38.8 垂向、纵向和横向 200 万次
    7 制动载荷 31.0 垂向、纵向和横向 200 万次
    8 扭转载荷(垂向强位移) 11.5 mm位移 垂向、纵向和横向(除施加载荷端) 60 万次(系数1.0)、20 万次(系数1.2)、20 万次(系数1.4)
    9 减振器载荷(横向减振器对角侧和垂向减振器) 10 垂向、纵向和横向 200 万次
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    表  3  构架重点评估的焊缝位置说明

    Table  3.   Description of weld joint locations for frame assessment

    编号位置说明
    1~4侧梁外侧筋板(或减振器)与腹板间焊缝
    5~6侧梁腹板与内补强板间焊缝
    7~11侧梁隔板与腹板间焊缝
    12~13横梁处侧梁腹板与内加强环间
    14~15横梁接头与腹板间焊缝
    16~17上盖板与腹板(或筋板)间焊缝
    18~9横向止挡(或减振器)与上盖板间焊缝
    20~22侧梁隔板与下盖板间焊缝
    23~24横梁接头与横梁间焊缝
    25~26横档与筋板(或腹板)间焊缝
    27~28侧梁中间隔板与腹板间焊缝
    29中间弹簧座与下盖板(或腹板)间焊缝
    30横梁端部补强环与腹板间焊缝
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    表  4  构架评估焊缝的总损伤及应力状态等级

    Table  4.   Overall damage and stress state grades of welds in frame assessment

    焊缝编号 节点号 各工况损伤 总损伤 应力因数 应力状态
    工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6 工况 7 工况 8 工况 9
    1 266878 2.64×10−1 6.95×10−4 7.93×10−9 7.03×10−3 8.34×10−4 7.96×10−4 5.84×10−7 6.12×10−6 4.82×10−4 2.74×10−1 0.661
    2 266890 3.84×10−1 1.04×10−3 3.35×10−9 6.40×10−3 2.23×10−3 1.17×10−3 1.19×10−5 1.84×10−9 5.88×10−4 3.95×10−1 0.743
    3 308702 2.98×10−1 6.93×10−4 2.37×10−7 1.71×10−3 3.28×10−8 3.26×10−7 6.44×10−4 3.26×10−5 2.43×10−6 3.01×10−1 0.681
    4 308740 5.33×10−1 1.23×10−3 3.09×10−7 2.13×10−3 6.33×10−6 5.19×10−8 9.40×10−4 5.92×10−6 2.89×10−5 5.37×10−1 0.820
    5 288997 3.57×10−1 8.74×10−4 7.56×10−8 5.56×10−3 5.69×10−4 1.55×10−4 1.67×10−3 6.50×10−4 9.44×10−5 3.67×10−1 0.725
    6 308816 4.08×10−1 9.59×10−4 2.14×10−5 1.75×10−7 1.48×10−5 9.07×10−5 1.84×10−3 2.14×10−5 1.27×10−7 4.12×10−1 0.753
    7 289225 7.98×10−1 2.29×10−3 2.76×10−11 3.05×10−2 1.55×10−2 1.85×10−3 1.54×10−4 1.00×10−4 4.83×10−3 8.53×10−1 0.850
    8 264498 9.61×10−2 2.71×10−4 3.31×10−12 5.77×10−6 2.27×10−3 2.14×10−3 6.45×10−3 1.11×10−4 1.96×10−4 1.08×10−1 0.490
    9 291921 7.93×10−1 1.54×10−3 2.70×10−6 1.06×10−2 1.75×10−3 3.01×10−5 5.53×10−3 3.36×10−5 1.48×10−3 8.14×10−1 0.936
    10 308718 3.13×10−1 8.07×10−4 1.85×10−8 1.78×10−3 6.22×10−4 4.31×10−5 1.01×10−6 1.18×10−6 1.20×10−4 3.16×10−1 0.692
    11 267421 3.38×10−1 9.05×10−4 5.02×10−9 2.52×10−3 2.19×10−3 9.69×10−4 6.65×10−6 2.50×10−5 6.56×10−4 3.45×10−1 0.712
    12 286937 1.32×10−2 3.54×10−5 1.62×10−10 2.22×10−3 1.20×10−2 1.82×10−2 2.24×10−3 3.52×10−5 2.50×10−3 5.05×10−2 0.385
    13 286588 1.90×10−3 5.30×10−6 1.80×10−9 7.63×10−4 4.43×10−5 4.05×10−2 7.81×10−7 1.19×10−5 3.35×10−4 4.36×10−2 0.367
    14 292299 5.81×10−2 9.94×10−5 4.44×10−7 1.28×10−4 1.79×10−4 7.60×10−5 1.61×10−3 6.87×10−7 2.36×10−4 6.04×10−2 0.407
    15 291900 5.20×10−2 4.31×10−5 3.21×10−7 1.61×10−5 4.89×10−5 1.69×10−5 2.40×10−3 1.67×10−5 8.21×10−5 5.46×10−2 0.394
    16 268275 5.30×10−1 1.38×10−3 2.16×10−8 1.09×10−2 2.77×10−3 1.01×10−3 1.19×10−4 2.20×10−5 7.02×10−4 5.46×10−1 0.824
    17 268561 4.60×10−1 1.21×10−3 3.84×10−9 1.24×10−2 3.82×10−3 1.60×10−3 4.35×10−6 1.05×10−7 1.05×10−3 4.80×10−1 0.791
    18 308855 6.20×10−1 1.16×10−3 2.69×10−6 9.36×10−2 1.37×10−3 2.90×10−7 5.21×10−2 2.52×10−3 1.57×10−3 7.72×10−1 0.921
    19 294382 1.38×10−1 2.89×10−4 2.37×10−7 3.26×10−4 1.67×10−5 1.95×10−6 8.62×10−4 1.97×10−6 4.23×10−5 1.39×10−1 0.532
    20 281187 8.17×10−1 2.08×10−3 7.17×10−8 1.11×10−3 9.70×10−4 7.11×10−5 1.77×10−5 1.43×10−6 1.63×10−4 8.21×10−1 0.939
    21 291059 1.74×10−1 4.09×10−4 7.77×10−8 1.02×10−7 3.81×10−5 1.97×10−9 1.60×10−7 3.95×10−10 1.51×10−6 1.75×10−1 0.572
    22 281207 5.87×10−1 1.50×10−3 4.62×10−8 3.39×10−3 8.78×10−4 8.14×10−5 5.83×10−4 2.45×10−8 1.28×10−4 5.93×10−1 0.846
    23 305943 1.82×10−8 3.74×10−8 5.36×10−8 2.27×10−2 1.11×10−4 9.96×10−5 1.02×10−3 1.23×10−4 2.49×10−1 2.73×10−1 0.660
    24 291754 5.10×10−12 1.27×10−7 1.29×10−7 7.15×10−3 7.44×10−3 4.24×10−10 9.87×10−2 1.59×10−7 8.33×10−3 1.22×10−1 0.510
    25 287803 7.10×10−3 1.86×10−5 2.69×10−10 8.90×10−2 1.06×10−7 8.04×10−7 1.79×10−6 4.95×10−8 2.91×10−7 9.61×10−2 0.473
    26 287863 4.49×10−4 1.12×10−6 5.17×10−11 7.73×10−2 3.56×10−8 1.54×10−8 3.33×10−6 6.26×10−7 3.50×10−9 7.77×10−2 0.442
    27 267672 4.16×10−1 9.18×10−4 4.18×10−7 3.45×10−3 9.48×10−5 4.63×10−5 2.46×10−5 1.22×10−7 8.84×10−5 4.20×10−1 0.758
    28 272122 2.49×10−1 7.03×10−4 9.16×10−12 3.42×10−4 1.13×10−5 5.87×10−8 9.91×10−6 6.43×10−6 3.39×10−6 2.50×10−1 0.642
    29 124686 6.15×10−3 1.77×10−5 2.52E-16 4.94×10−5 1.84×10−4 1.18×10−8 3.02×10−4 5.00×10−7 7.57×10−6 6.71×10−3 0.202
    30 285761 4.44×10−2 1.32×10−4 6.17×10−3 4.19×10−3 5.89×10−2 3.04×10−2 8.51×10−3 1.55×10−4 6.17×10−3 1.53×10−1 0.548
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-24
  • 修回日期:  2024-09-06
  • 网络出版日期:  2025-10-21

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