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機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基本沿用了早期機車構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)，隨著近年來機車提速、牽引噸位的增加，在運用過程中個別機務段中修反映SS3B型機車構(gòu)架中間橫梁一、中間橫梁二與左右側(cè)梁對接處橫梁和側(cè)梁下蓋板存在著裂紋現(xiàn)象。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架其它零部件的安裝基礎(chǔ)，是機車安全運行的一個關(guān)鍵部件，為此公司迅速組織進行了構(gòu)架裂紋原因分析，并啟動了SS3B型機車構(gòu)架強度有限元分析與設(shè)計改進項目。
經(jīng)赴段現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)橫梁一下蓋板翼緣處表面粗糙，橫梁二與側(cè)梁對接處原橫梁下蓋板和側(cè)梁下蓋板對接焊縫焊趾未進行圓滑處理且焊縫質(zhì)量較差。對照原構(gòu)架設(shè)計圖紙和現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，初步分析橫梁一下蓋板翼緣處發(fā)生裂紋的可能原因為母材缺陷或加工粗糙；橫梁二與側(cè)梁對接處側(cè)梁下蓋板裂紋，可能原因為焊腳疲勞開裂導致裂紋逐步向母材內(nèi)部延伸形成。
為進一步分析裂紋原因，對老構(gòu)架進行了有限元分析。同時在現(xiàn)場處理方案基礎(chǔ)上，考慮構(gòu)架結(jié)構(gòu)空間要求對構(gòu)架進行一定的結(jié)構(gòu)改進：在橫梁一與側(cè)梁對接處增加梯形槽鋼，將橫梁一的下蓋板與側(cè)梁體的底板連接起來；將橫梁二的下蓋板翼板加寬。并對改進后的構(gòu)架使用ANSYS軟件進行了有限元分析，通過改進前后構(gòu)架的強度對比計算驗證設(shè)計改進的合理性。以下將改進設(shè)計構(gòu)架簡稱為新構(gòu)架。
構(gòu)架強度分析主要包括靜強度和疲勞強度的分析，計算載荷和載荷工況按UIC615-4和TB/T2368標準規(guī)定實施。按構(gòu)架設(shè)計圖紙建立有限元模型，將構(gòu)架主要板件離散成三維殼單元SHELL63；構(gòu)架上結(jié)構(gòu)復雜的拉桿座、圓彈簧拉桿座、牽引座、電機懸掛座、減振器上座等均按實體結(jié)構(gòu)建模，離散成三維實體單元SOLID45；一系簧座、拉桿座、圓彈簧拉桿座處根據(jù)構(gòu)架實際受力狀況分別建立縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14，以便較好地模擬實際支撐情況。
構(gòu)架主體材料Q235A的屈服強度σs=235MPa，抗拉強度σb=439MPa，彈性模量E=2.12×105MPa，密度ρ=7.86t/m3，泊松比μ=0.288。
按UIC615-4和TB/T2368標準分別計算出新構(gòu)架與老構(gòu)架的超常載荷、主要運營載荷以及特殊運營載荷。構(gòu)架結(jié)構(gòu)改進后質(zhì)量增加113kg，新老構(gòu)架超常載荷、主要運營載荷以及特殊運營載荷差別較小，但由于構(gòu)架質(zhì)量的增加，新構(gòu)架承受的轉(zhuǎn)向架3g沖擊載荷比老構(gòu)架有所增大。
根據(jù)基本載荷對構(gòu)架的計算工況進行組合，形成計算工況表。為了全面分析構(gòu)架受力情況，計算工況表綜合了UIC615-4和TB/T2368標準的要求，并將縱向載荷和電機作用于懸掛點的載荷考慮在內(nèi)，同時增加了工況14和工況15。其中工況荷作用，工況15考慮構(gòu)架承受轉(zhuǎn)向架3g沖擊載荷。實際加載時在工況2～工況14中均疊加考慮了制動力和減振器作用力，工況14縱向載荷Fxmax中疊加了由搖頭運動以及小半徑曲線通過時引起的縱向力。因此本文考慮的計算載荷比UIC615-4和TB/T2368標準更嚴格。
計算中垂向載荷、橫向載荷均以節(jié)點力形式施加于二系簧旁承座處；縱向載荷以節(jié)點力形式施加于牽引座處；垂向、橫向、縱向約束均以彈簧約束形式施加于一系簧座、拉桿座以及圓彈簧拉桿座處；電機載荷以節(jié)點力形式施加于電機懸掛座處；軌道扭曲載荷以位移方式施加于左側(cè)梁一系簧座處；制動器載荷以節(jié)點力形式施加于制動器安裝座處。計算模型的載荷及約束邊界條件簡圖見圖。
Top面的VonMises應力分布，如圖所示。圖中最大應力為84.834MPa，出現(xiàn)在中間橫梁一與右側(cè)梁對接時橫梁一下蓋板翼緣處；圖中最大應力為57.977MPa，出現(xiàn)在左側(cè)梁旁承定位座二系簧加載處，改進后下蓋板翼緣處應力為40.549MPa，應力顯著降低，側(cè)梁其它相同位置改進前后應力變化較小。圖中最大應力分別為99.335MPa和104.077MPa，均出現(xiàn)在電機懸掛座座體上，橫梁下蓋板與側(cè)梁下蓋板對接處應力由20.879MPa降到15.713MPa，應力有小幅降低，但焊縫位置已避開了梯形槽鋼與下蓋板焊接的焊縫影響區(qū)。上述對比計算結(jié)果表明：新構(gòu)架在對中間橫梁一、中間橫梁二處的結(jié)構(gòu)改進是非常有效的。
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