30 t轴重抗风沙铁路货车
赵增闯
（江苏瑞铁轨道装备股份有限公司，江苏苏州 215600）
摘要：介绍了一种30 t轴重抗风沙铁路货车转向架设计方案，根据实际应用工况确定了货车转向架的主要性能参数和三维模型。采用大型有限元分析软件NX-NASTRAN依据美国铁路协会AAR M-202及AAR M-203标准要求对转向架主要零部件摇枕和侧架进行了有限元仿真分析，主要计算了转向架的静强度、疲劳强度及刚度。分析表明摇枕和侧架的性能符合标准要求，具有可靠的强度和疲劳寿命，该30t轴重铁路货车转向架方案是可行的。 关键词：30 t轴重；铁路货车转向架；摇枕；侧架；有限元分析
中图分类号：O242.21 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2019.01.006 文章编号：1006－0316 (2019) 01－0027－05
Finite Element Analysis of Bolster and Side framefor 30t Axle-load
Sand-resisting Freight Car Bogie
ZHAO Zengchuang
( Jiangsu Railteco Equipment Co., Ltd., Suzhou 215600, China )
Abstract：This paper introduces a design scheme of a 30t axle-load sand-resisting railway freight car bogie, and determines the main performance parameters and three-dimensional model of the railway freight car bogie according to the actual application conditions. Large-scale finite element analysis software NX-NASTRAN was used to perform finite element simulation analysis on the bolster and side frame of the main components of the bogie according to the requirements of the AAR M-202 and AAR M-203 standards, andmainly calculated the static strength、fatigue strength and stiffness of the bogie. The analysis shows that the performance of the bolster and side frame meets the requirements of the standard and has reliable strength and fatigue life. The 30 t axle-load railway freight car bogie scheme is feasible.
Key words：30 t axle-load；freight car bogie；bolster；side frame；finite element analysis
随着“一带一路”及“中国铁路走出去”发展战略的需要，我国的轨道装备产品及服务将陆续进入越来越多
的国家和地区。本文根据非洲沙漠地区国家铁路货运的需要，提出了一种30 t轴重抗风沙铁路货车转向架设计方案，并重点介绍了摇枕、侧架的有限元分析情况。该转向架采用铸钢三大件式结构，主要由轮对组成、摇枕组成、侧架组成、基础制动装置、中央弹簧装置、斜楔、承载鞍、挡键、橡胶密封圈等组成[1]。
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1 主要性能参数
30 t轴重抗风沙铁路货车转向架三维效果
图如图1所示，主要性能参数如表1所示。
表1 30 t轴重抗风沙铁路货车转向架
主要性能参数
参数名参数值
轴重G/t 30
轨距/mm 1435
轴承型号 AAR
F级
自重m/t 约5.2
最高运营速度/（km·h-1） 70
限速通过最小曲线半径/m200
基础制动倍率 5
制动杠杆倾角/° 0 结构强度符合AAR标准M－202、M－203
有关摇枕、侧架实验要求。
图1 30 t轴重抗风沙铁路货车转向架三维模型
2 主要结构
2.1 轮对组成及轴承
该转向架采用AAR F型轮轴系统，轴承、承载鞍、车轮及车轴均可与用户既有的转向架
互换使用；车轴采用符合AAR标准F级钢；车
轮采用直径为1000 mm的整体铸钢轮或辗钢轮。采用符合AAR标准的F级双列圆锥滚子轴承；采用适应F级轴承的承载鞍。
2.2 侧架、摇枕组成
2.2.1 侧架组成
侧架材质为B+级铸钢，弹簧承台结构适应
9组弹簧的组装要求，强度设计满足30 t轴重运用要求。侧架滑槽内镶装卡入式磨耗板；侧架立柱上安装加宽式立柱磨耗板立柱磨耗板与侧架立柱采用折头螺栓连接；侧架导框加装导框顶面磨耗板[2]。
2.2.2 摇枕组成
采用下心盘一体式铸造结构；下心盘内侧安装不锈钢心盘磨耗环和心盘磨耗垫，改善上、下心盘的磨
耗；下心盘外缘加工有凹槽，用来安装防风沙橡胶密封圈；摇枕斜楔槽安装斜面磨耗板；旁承采用间隙旁承，焊接在摇枕旁承座上。
2.3 抗风沙密封结构
抗风沙密封结构包括上心盘、下心盘及橡胶密封圈等。下心盘外缘加工有凹槽，用来安装防风沙橡胶密封圈，橡胶密封圈位于凹槽与上心盘之间，具有预压挠度，使上、下心盘之间形成一个封闭空间，防止在多风沙地区车辆上、下心盘之间侵入过多沙粒等异物影响车辆正常运行。抗风沙密封结构示意图见图2。
1.下心盘
2.上心盘
3.橡胶密封圈
4.心盘磨耗环
5.心盘磨耗垫
6.中心销
图2 抗风沙密封结构示意图
2.4 中央弹簧悬挂装置
中央弹簧悬挂装置由9组两级刚度弹簧组成，其中摇枕弹簧7组，减振弹簧2组。摇枕外圆弹簧自由高比摇枕内圆弹簧自由高高23 mm，以实现空重车的二级刚度悬挂。弹簧材质均为60Si2CrVAT优质弹簧钢[3]。
2.5 基础制动装置
基础制动装置采用下拉杆单侧闸瓦制动方式，采用组合式锻造制动梁。基础制动装置包
括左、右组合式制动梁、制动梁安全链、游动杠杆、固定杠杆、下拉杆、固定杠杆支点、闸瓦托、闸瓦、滑块磨耗套等组成。
3 有限元分析
按照AAR标准M－202《铸钢转向架摇枕设计和实验》和AAR标准M－203《铸钢转向架侧架设计和实验》中的静强度和疲劳试验载荷条件要求，采用有限元软件NX NASTRAN 对30t轴重转向架的摇枕、侧架进行静强度、疲劳强度评价与疲劳寿命预测[4-5]。 3.1 摇枕有限元分析
根据AAR M-202标准，得：
(2)
P G m g
=−
式中：P为下心盘上的垂直静载荷，kN。
计算得P＝537。
3.1.1 有限元离散模型
取摇枕结构进行有限元建模分析，采用四面体四节点实体单元对结构进行离散，单元尺寸8 mm，共离散单元数1821703，如图3所示。在摇枕两端侧弹簧支撑处施加垂向弹性约束，摇枕八字面上施加横向约束、纵向约束，以模拟其支撑情况；垂向载荷作用在心盘面上或旁承面上；横向载荷作用在心盘侧面圆弧面上和心盘面下方127 mm处区域，上下各承载二分之一的横向载荷。
图3 摇枕结构离散网格模型
3.1.2 静强度计算结果及评价
根据标准，摇枕静强度考核工况有两个，分别为心盘垂向载荷工况和心盘垂向载荷与横向载荷组合工况，各工况下的强度通过结构最大von_Mises应力评定，在各载荷作用下摇枕上任一点von Mises应力均不得超过评定标准值[6]。摇枕静强度计算结果及评价见表2。计算结果表明摇枕静强度满足设计要求。摇枕应力云图见图4。 图4 垂向和横向组合载荷下的摇枕应力云图
表2 最大应力及静强度评定
载荷工况载荷值/kN 最大应力/MPa部位评定标准/MPa 心盘垂向载荷 1.0P 108.8
中间腹板孔边缘≤117
心盘垂向载荷和横向组合载荷垂向1.0P＋横向0.25P146.8 外侧腹板孔边缘≤151.5
3.1.3 疲劳强度评定
采用有限寿命设计理论中的应力－寿命法，以疲劳试验载荷工况下的摇枕应力计算结果为依据，使用B+级钢脉动疲劳S－N曲线和最大主应力准则评价拉应力区及压应力区大应力点的疲劳强度，采用线性累积损伤法则进行寿命计算，根据线性累积损伤法则，每当摇枕承受的循环应力大于其疲劳损伤极
限时，则引起疲劳损伤，当损伤之和等于1时，即出现疲劳破坏。如用n i表示某级载荷下时的循环数（共有n级），N i表示在该载荷级下将导致破坏的
循环数，则有累计损伤
1
n
i
i
r516i
n
N
=
∑
。
146.8 MPa
根据设计经验及应力计算结果4个最薄弱位置进行疲劳强度校核，区域分别为A 部弯角处（即弹簧承底面过渡圆弧处）、底部落砂孔边处水孔边处以及中央腹板孔边处。4个
表3 疲劳试
疲劳工况 载荷/kN 实验次数心盘浮沉 0.33P ～2.35P 37.5心盘边缘浮沉 0.33P ～2.35P 37.5旁承侧滚 0～1.07P 25
累积损伤∑（n i /N i ）计算结果 3.1.4 刚度计算结果及评价
刚度考核工况共3个，分别为况、旁承垂向载荷工况和心盘垂向载主要考核摇枕在各工况下摇枕中心面中心之间的挠度变化量，摇枕挠度计定见表4，计算结果表明摇枕刚度能要求。心盘垂直载荷下的摇枕挠度云表4 最大挠度及评定载荷工况
载荷/kN
最大挠度计算结果/mm 横向载荷 0.95P 2.30 旁承垂直载荷 1.43P 0.80 心盘垂直载荷 1.43P 1.49
图5 心盘垂直载荷1.43P 下的3.2 侧架有限元分析
根据AAR M-203标准，得：
12()2C g G m =−÷垃圾热解
式中：C 为轴载，kN ；m 1为该转向轴箱重，m 1＝1596 kg 。
计算得278.35C =。
，选取摇枕4个最薄弱台面到摇枕处、底部漏个位置在各工况下的疲劳损伤计算结果如表
表明，在正常铸造质量水平下，根M －202的规定，100万次的疲劳枕各部位的累积疲劳损伤均小于枕能通过疲劳试验。
试验载荷下大应力点疲劳损伤计算结果（一）
数/万次 最大疲劳应力及疲劳损伤（n i /N i ）计算结果
A 部弯角 底部落砂孔边底部漏水孔边 中间应力/MPa 损伤应力/MPa 损伤应力/MPa 损伤 应力/5 180.9 0 213.8 0 236 0.093 -265 203.2 0 237.5 0.096232.1 0.075 -30 143.7 0 112.3 0 107.4 0 -220 0.096 0.168沟槽式管接头
横向载荷工载荷工况。面到八字面计算结果及评能够满足设计云图见图5。
定检测卡
果评定标准
/mm
≤2.54 ≤1.60 ≤2.31 的挠度
架每轮对及 3.2.1 有限元离散模型
由于侧架为对称结构，采用
实体单元对半个侧架结构进行离8 mm ，共离散单元数415013，如架对称平面处采用对称约束，侧加横向约束和垂向约束，模拟实载荷作用在弹簧承台上，横向载侧架挡上，每一侧架挡承担二分用在重车状态下斜楔与侧架接触算由滑槽侧加载与非滑槽侧加载
图6 侧架结构离散网格3.2.2 静强度计算结果及评价
侧架静强度有2个考核工况载荷和横向载荷，侧架静强度载根据计算结果：侧架滑槽侧加载135.7 MPa ，非滑槽侧加载时最MPa ，计算结果表明侧架静强度满垂向和横向组合载荷工况下的侧图7所示。
表3所示。结果根据AAR 标准劳试验造成的摇于1，因此该摇间腹板孔边
/MPa 损伤
4.1 0 2.6 0.081 1.3 0
0.081
用四面体四节点离散，单元尺寸如图6所示。侧侧架导框中心施实际工况。垂直载荷作用在侧架分之一，载荷作触区域，分别计载工况。
格模型
况，分别为垂向载荷工况见表5。载时最大应力为最大应力143.6 满足设计要求。侧架应力云图如
表5 静强度载荷工况
载荷工况 垂向载荷/kN 横向载荷/kN 垂向和横向组合载荷 1.5C 0.4C
图7 垂向和横向组合载荷工况下的侧3.2.3 疲劳强度评定
采用有限寿命设计理论中的应法，根据疲劳试验载荷工况下的侧架结果，使用B+级钢脉动循环及对称S -N 曲线和最大主应力准则评价拉应应力区大应力点的疲劳强度，采用线表6 疲劳试验
疲劳工况 载荷/kN 实验次数/万次垂向 0～2.38C 12.5 横向 ±0.31C 12.5 扭转 ±0.20C 6.25 累积损伤∑（n i /N i ）计算结果 表7 最大挠度及评定
载荷工况
载荷值 /kN 最大挠度计算结果/mm 横向载荷 0.57C 1.07 垂直载荷 2.14C 1.09
预付费智能电表
图8 垂向载荷2.14C 下的挠度4 结束语
本文提出的30 t 轴重抗风沙铁143.9 MPa
评定标准/MPa ≤151.5
侧架应力云图
应力－寿命架应力计算称循环疲劳应力区及压线性累积损
伤法则进行侧架寿命计算。
根据设计经验及应力计算结
3个最薄弱位置进行疲劳强度校框下拐角处、立柱下拐角处以及边处，各位置的疲劳损伤计算见明，在正常铸造质量水平下，根M-203的规定，31.25万次的疲劳架各部位的累积疲劳损伤均小于架能通过疲劳试验。 3.2.4 刚度计算结果及评价
侧架刚度考核工况为横向荷，考核指标为侧架对称面到导化量，各载荷下侧架挠度计算结7。计算结果表明侧架刚度能够满垂向载荷下的侧架挠度云图见图验载荷下大应力点疲劳损伤计算结果（二）
次 最大疲劳应力及疲劳损伤（n i /N i ）计算结果
导框下拐角处立柱下拐角处 上弦梁应力/MPa 损伤 应力/MPa 损伤 应力/MPa 231.3 0.164 76.4 0 -141 48.6 0 72.5 0 42.4 35.40 62.9 0 20 0.164 0
果评定标准
/mm小区停车收费系统
≤2.69 ≤1.35
度云图
路货车转向
架设计方案充分吸收了国内近年的研究成果，转向架摇枕、侧架度、刚度及疲劳寿命，该方案具性，满足了有关地区的实际使用它大轴重铁路货车转向架设计提考价值。
参考文献：
[1]严隽耄，傅茂海. 车辆工程[M]. 北京：中[2]曹玉峰，王伟，徐世锋. 新型32.5t 轴重货
铁道车辆，2015，53（5）：15-17.
[3]包海涛，兆文忠，于明. 32.5t 轴重低动力探讨[J]. 铁道车辆，2011，49（4）：8-11.
[4]AAR M-202，铸钢转向架摇枕设计和实验
[5]AAR M-203，铸钢转向架侧架设计和实验[6]刘斌，张开林，王秋实，等. 复荷载单边评估[J]. 机械，2016（7）：1-2，68.
结果，选取侧架校核，分别为导及上弦梁减重孔见表6。结果表根据AAR 标准劳试验造成的侧于1，因此该侧载荷和垂向载导框中心挠度变结果及评定见表满足设计要求。图8。
梁减重孔边
损伤
0 0 0 0
年来货车转向架架具有可靠的强具有较强的可行用需求，也为其提供了有益的参国铁道出版社，2009. 货车转向架的研制[J].货车转向架设计方案验[S]. 2009. 验[S]. 2005.
止挡轴箱的结构强度
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