基于试验平台的动车组枕梁优化设计

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1、基于仿真试验平台的动车组枕梁裂纹原因分析及改进张相宁，孙晖东，高晓霞，米莉艳，高峰（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心唐山市丰润区厂前路3号邮编：063035）摘要：针对某动车组枕梁在进行疲劳试验时出现了裂纹的问题，从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析。借助ANSYS软件及探伤检查等方法，对枕梁进行了优化设计和工艺控制，优化后的枕梁顺利通过了疲劳试验。关键词：枕梁、裂纹、疲劳试验AnalysisandimprovementofEMUbolstercrackbasedon

2、simulationtestplatform(TangshanRailwayVehicleCo.,LTD,TangshanHebei063035,China)Abstract:ForcrackproblemsariseinthefatiguetestofaEMUbolster,causesareanalyzedfromtheaspectsofmaterial,design,production,testingeachoccurrenceofcracksonthebeam。WiththehelpofANS

3、YSsoftwareandexaminationmethods,thebolsterisoptimizedandprocesscontroled,theoptimizedbolstersmoothlypassedthefatiguetest.Keywords:bolster,crack,fatiguetest1.引言高速舒适的动车组给旅客带来方便、快捷的同时，也向各零部件提出了更高强度和寿命要求。枕梁是车体底架与转向架连接的重要部[1]件，受力较大，承担全车的重量，并通过心盘将重量传给走行部，若在列车运

4、行中出现裂纹以至断裂，将出现严重的后果。[2][3]为了保证枕梁的设计及制造质量，相关标准明确提出了在满足静强度试验要求的同时，要满足疲劳试验1000万次的要求。为适合城际和干线铁路低成本、制造简单的要求，某城际动车组采用了焊接结构的转向架枕梁。但在进行疲劳试验进行到711万次时，对枕梁进行磁粉探伤，在枕梁上盖板折弯区域距外边缘约110mm处出现了10mm长度左右的裂纹。图1枕梁裂纹2.裂纹原因分析2.1枕梁材料原因分析枕梁采用铸件与钢板组合焊接而成，枕梁两侧端部为铸件，所用材料为G20Mn5，机械性能

5、参考《EN10213-3-1996耐压铸钢件供货条件第三部：低温下使用的钢》；枕梁中部采用钢板焊接箱型结构，钢板材料为Q345E，机械性能参考《GB/T1591-2008低合金高强度结构钢》。枕梁试验结束后，切割了裂纹区域部分材料进行了材料力学性能、工艺性能检测和化学成分检测，发现铸钢件中S、P含量比标准中略高，对材料的焊接性能造成一定影响，另外由于未提前对枕梁进行射线探伤，不能确定深层材料中是否存在微裂纹。2.2仿真计算原因分析完成转向架枕梁三维设计之后，为了满足结构运行的安全性，采用有限元法，应用大

6、型通用工程仿真分析软件ANSYS-Workbench，对枕梁进行静强度分析，计算载荷及计算工况依据参考文献[3]。枕梁的刚度用其在刚度工况下枕梁的垂向变形值来校核，计算得到枕梁的变形最大值约为0.31mm，位置为枕梁端部。见图5-2。图2刚度工况下枕梁的变形云图枕梁各计算工况的最大当量应力出现部位及相应的许用应力如表1所示，图3、图4为超常载荷及运营载荷工况下转向架枕梁的应力云图。表1枕梁各载荷作用下的分析结果表（MPa）最大当量应力及出现部位载荷工况许用应力（MPa）最大应力（MPa）部位铸件钢板刚度

7、工况0.31mm枕梁端部超常工况1338480345枕梁中心筋板上（如图5-2a）1199297209铸件定位孔周（如图5-2b）运营工况2199297209铸件定位孔周（如图5-2c）3199297209铸件定位孔周（如图5-2d）计算结果表明，图3超常载荷工况1下枕梁的应力云图图4运营载荷工况1下枕梁的应力云图由表1和图2、3、4可看出，在各载荷工况作用下，枕梁上的最大当量应力值均小于材料的许用应力，虽满足强度标准要求，但最大应力仍较高，且上盖板与下盖板组成比较刚度不协调，造成上盖板折弯处变形较大，

8、适配座与中间箱型结构比较刚度不协调，造成上盖板拉应力较大。2.3工艺因素对材料进行了化学成分检测之后，对焊缝也进行了检测，焊缝存在微裂纹，焊缝也存有少量缺陷。2.4试验因素枕梁出现裂纹后对疲劳试验工装进行了检测，发现某螺栓有松动现象，在试验时易导致枕梁发生较大振动。3.枕梁优化方案设计3.1对枕梁料进行严格控制首先对新枕梁原材料进行了多项材料性能检测及射线探伤，对其化学成分进行了分析，均无问题后，开始进行加工。每项加工工艺完成后按标准进行超