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為了適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求，鐵路客運(yùn)已經(jīng)6次提速。客車提速后，迫切需要提高貨物列車的運(yùn)行速度，并改善車輛運(yùn)行品質(zhì)。當(dāng)前，我國主型貨車轉(zhuǎn)向架是由2個(gè)側(cè)架和1個(gè)搖枕組成，又稱3大件式轉(zhuǎn)向架。這種轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單，檢修方便，但簧下質(zhì)量大，抗變形剛度小，其較大的輪軌動力作用和蛇形失穩(wěn)問題制約貨物列車的運(yùn)行速度進(jìn)一步提高。
為提高貨物列車的運(yùn)行速與改善運(yùn)行品質(zhì)，焊接H型整體構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架也是目前世界上較為成熟、應(yīng)用較多的一種快速貨車轉(zhuǎn)向架。某貨車廠開發(fā)設(shè)計(jì)4D軸焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架用于載重120 t長大平車的運(yùn)輸。轉(zhuǎn)向架軸重為采用變摩擦減振器，軸箱彈簧為二級剛度。同時(shí)，采用常接觸雙作用彈性旁承，增大轉(zhuǎn)向架與車體之間的回轉(zhuǎn)阻尼，抑制轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動。本文采用國際鐵路聯(lián)盟UIC510-3規(guī)程和熱點(diǎn)應(yīng)力評價(jià)方法，并實(shí)測動應(yīng)力譜，對新型4D軸貨車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行了分析和評價(jià)。
構(gòu)架用材為Q345E鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。取整體構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析建模，各軸箱導(dǎo)框采用4節(jié)點(diǎn)4面體單元Solid45離散，剩余部分采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63離散。整個(gè)構(gòu)架模型共離散為166650個(gè)單元、163204個(gè)節(jié)點(diǎn)。
在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，主要考慮垂向、橫向和斜對稱3種載荷。其中，斜對稱載荷是將車輪上的扭轉(zhuǎn)按5‰軌道扭曲量進(jìn)行考慮。運(yùn)營載荷工況組合，其中Fz為垂向靜載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，α=0.23為橫向動荷系數(shù)，β=0.3為垂向動荷系數(shù)。
構(gòu)架通過軸箱導(dǎo)框和軸箱彈簧與軸箱相連，因此在構(gòu)架軸箱導(dǎo)框彈簧支撐處施加三向彈性位移約束。
在材料的疲勞極限用應(yīng)力幅值表示時(shí)，疲勞極限隨應(yīng)力比的改變而改變。因此，可以根據(jù)不同的應(yīng)力比得到的疲勞極限，在相同的壽命上畫出疲勞極限圖。Goodman疲勞極限圖是進(jìn)行強(qiáng)度評估時(shí)應(yīng)用最為廣泛的等壽命曲線。
計(jì)算結(jié)果在構(gòu)架結(jié)構(gòu)模型上分別施加表1中所列的7個(gè)模擬運(yùn)營載荷工況，計(jì)算各工況下構(gòu)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，然后再計(jì)算這7個(gè)工況中任意2個(gè)工況下的應(yīng)力差值和平均應(yīng)力(兩者代數(shù)和之半)，即可得到整個(gè)構(gòu)架的動應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。表2給出第2和第7、第4和第7、第3和第4組合工況下大應(yīng)力部位的動應(yīng)力幅值及平均應(yīng)力，這3種組合工況易導(dǎo)致構(gòu)架出現(xiàn)較大動應(yīng)力。動應(yīng)力較大的部位為側(cè)梁下蓋板與導(dǎo)框連接區(qū)，枕梁上下蓋板與側(cè)梁連接區(qū)。其中，側(cè)梁下蓋板與導(dǎo)框連接區(qū)為E級焊縫，而枕梁上下蓋板與側(cè)梁連接區(qū)為D級焊縫。將表中列出的構(gòu)架大應(yīng)力區(qū)域的動應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力，點(diǎn)入Q345E鋼焊接接頭的Goodman圖中�？梢钥闯�，整個(gè)構(gòu)架的疲勞薄弱部位為側(cè)梁下蓋板與軸箱導(dǎo)框的焊縫連接區(qū)，發(fā)生在工況4和7及3和4的組合作用下。
側(cè)梁下蓋板與導(dǎo)框連接區(qū)枕梁上蓋板與側(cè)梁連接區(qū)枕梁下蓋板與側(cè)梁連接區(qū)熱點(diǎn)應(yīng)力法熱點(diǎn)應(yīng)力指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或“結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上的點(diǎn)應(yīng)力”。焊接結(jié)構(gòu)中熱點(diǎn)一般選焊趾處，因?yàn)榇瞬课蛔钊菀桩a(chǎn)生疲勞裂紋。國際焊接學(xué)會建議對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞損傷進(jìn)行評定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力分析，采用最可能發(fā)生疲勞破壞部位處的應(yīng)力幅值作為疲勞設(shè)計(jì)依據(jù)。
熱點(diǎn)應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩部分組成，是構(gòu)件表面熱點(diǎn)處膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和的最大值，不包括焊趾處局部缺口引起的非線性應(yīng)力峰值，這也是熱點(diǎn)應(yīng)力和缺口應(yīng)力的區(qū)別。熱點(diǎn)應(yīng)力呈線性分布，一般用外推的方法得到。為避開非線性應(yīng)力峰值的影響，外推測量點(diǎn)應(yīng)該距離焊趾足夠的距離，一般在距離焊趾0.4t(t為板的厚度)處。因?yàn)榇颂幏蔷�性應(yīng)力峰值基本消失，外推點(diǎn)應(yīng)該從這個(gè)位置開始，國際焊接學(xué)會推薦的外推方法為在距離焊趾。
由于構(gòu)架受載復(fù)雜，因此需要研究將復(fù)合應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單向等效應(yīng)力的方法，以便得出沿焊縫垂直方向的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。
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