螺栓连接模型对宽轮距跨座式单轨转向架构架疲劳分析的影响及优化

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跨座式单轨列车和地铁相比,具有爬坡能力强,转弯半径小,造价低等特点。转向架作为列车重要部件,对其研究非常重要。传统转向架,走行轮肩并肩、无差速。造成轮胎磨耗严重,需要经常换胎。这种模式走行轮拆装困难,维修不方便。我们所在研究团队和青岛四方联合开发了宽轮距跨座式单轨转向架,与传统跨座式单轨转向架相比,宽轮距跨座式单轨转向架的优点是省去了稳定轮支腿那一部分长度,降低了车体与轨面之间的距离,走行轮胎拆装方便,维修效率高。同时宽轮距跨座式单轨转向架结构特点和现行转向架很大不同是表现在基于螺栓连接的构架结构,要想保证宽轮距跨座式单轨转向架的可靠性安全,必须要很好的预测宽轮距跨座式单轨转向架的疲劳寿命。因此,为了提高宽轮距转向架构架疲劳寿命分析质量,本文分别对不同螺栓建模方式的宽轮距跨座式单轨转向架构架进行了静强度分析、模态分析、疲劳强度分析以及综合进行了对比,同时也对螺栓和焊缝进行了疲劳优化分析。本论文主要研究内容及成果如下:(1)详细地介绍了疲劳寿命分析基本理论,为后面宽轮距转向架构架疲劳寿命分析和螺栓疲劳寿命分析及优化奠定了基础。(2)用不同螺栓建模方式对宽轮距跨座式单轨转向架构架结构进行有限元建模,并根据相关标准制订载荷工况和边界条件,分别对不同螺栓建模方法的宽轮距转向架构架进行了静强度分析,计算结果表明不同螺栓建模的宽轮距转向架构架各工况下的最大应力值均小于材料屈服极限,其中都在堵转工况应力值最大,静强度都满足要求。并对不同螺栓建模方式的宽轮距转向架静强度分析结果进行了分析研究。(3)分别对不同螺栓建模方式的宽轮距转向架进行两种工况下的模态分析,分析结果表明转向架本身的动态特性都合理,不同螺栓建模方式的转向架构架一阶约束模态频率都远离了激励频率,避免了转向架构架与轨道梁之间发生共振。并对不同螺栓建模方式的宽轮距转向架模态分析结果进行了分析研究。(4)介绍了载荷谱的获取方法,并通过多体动力学仿真获得宽轮距跨座式单轨转向架构架导向轮、走行轮和空气弹簧载荷时间历程,根据计算需要,分析和提取疲劳分析用载荷谱进行疲劳寿命分析。基于线性累积损伤的基本理论分别对不同螺栓建模方式的转向架构架进行了疲劳寿命仿真预测,分析结果显示不同螺栓建模方式的宽轮距转向架构架寿命都满足要求。并对不同螺栓建模方式的宽轮距转向架构架疲劳分析结果进行了分析研究。(5)通过不同的焊缝结构对宽轮距转向架构架疲劳强度最薄弱的焊缝位置进行重新定义,研究了不同的焊缝结构对宽轮距转向架构架焊缝疲劳寿命分析的影响。(6)针对宽轮距转向架构架的螺栓疲劳优化,分别以改善螺栓制造工艺和改变螺栓预紧力两种方法展开了研究,对螺栓进行了疲劳优化。其中螺栓制造工艺方法通过表面喷丸处理,在零构件表面引人残余压应力,以此来提高螺栓疲劳寿命。通过Hyperstudy计算得到最佳预紧力范围,并计算该预紧力下对应的螺栓疲劳寿命。同时计算不同预紧力下对应的螺栓疲劳寿命,来验证该预紧力的合理性。
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