地鐵車輛軸箱體的強(qiáng)度分析及模擬方式

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摘要：軸箱體結(jié)構(gòu)形式多樣，強(qiáng)度校核分析尚無(wú)專門標(biāo)準(zhǔn)。參考標(biāo)準(zhǔn)BSEN13749：2011《鐵路應(yīng)用.轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》，對(duì)某型地鐵車輛軸箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，并對(duì)約束及載荷的施加模擬方式進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：軸箱體；強(qiáng)度分析；有限元計(jì)算；模擬方式

軸箱是連接輪對(duì)與構(gòu)架的活動(dòng)關(guān)節(jié)，傳遞輪對(duì)與構(gòu)架間的作用力，是機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的重要承載部件。軸箱體是軸箱的骨架，兩端設(shè)有一系彈簧座。內(nèi)外端蓋以螺栓預(yù)緊安裝在其兩側(cè)，軸承以間隙配合的方式安裝于其內(nèi)部。本文參考BSEN13749：2011《鐵路應(yīng)用.轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型地鐵車輛軸箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核，并對(duì)約束及載荷的施加模擬方式進(jìn)行探討。

一、軸箱體結(jié)構(gòu)形式及受力分析

本文探討的某型地鐵車輛設(shè)計(jì)的軸箱無(wú)軸箱拉桿，其一系簧采用橡膠彈簧，橡膠彈簧的芯軸由螺栓預(yù)緊安裝在軸箱體簧座上。軸箱體在工作中承受的載荷為兩組橡膠彈簧的垂向、橫向和縱向載荷，其所受的約束為軸承對(duì)其的軸向約束和徑向約束。

二、軸箱體有限元計(jì)算模型

雖然是對(duì)軸箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核仿真分析，但考慮到一系簧芯軸剛度、端蓋剛度、及螺栓預(yù)緊力對(duì)軸箱體局部計(jì)算結(jié)果的影響，故把上述同屬一系懸掛裝置的部件全部建立在有限元計(jì)算模型中，部件之間采用接觸單元和螺栓預(yù)緊連接。有限元計(jì)算模型采用實(shí)體建模，利用CAD軟件建立三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，采用SOLID187四面體單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行離散，經(jīng)過(guò)處理生成計(jì)算模型。

三、軸箱體計(jì)算載荷及計(jì)算工況

（一）計(jì)算載荷參考BSEN13749：2011《鐵路應(yīng)用.轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合軸箱體實(shí)際工作情況，確定如表1所示計(jì)算載荷。式中，MV4為整車質(zhì)量（AW4）；mt為簧下質(zhì)量；nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)量；na為每轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)數(shù)量；（4）附加的制動(dòng)載荷及（5）附加的牽引載荷計(jì)算公式中的1.3為超常載荷工況下的制動(dòng)或牽引載荷系數(shù)，1.1為運(yùn)營(yíng)載荷工況下的制動(dòng)或牽引載荷系數(shù)；Fbe為緊急制動(dòng)時(shí)每轉(zhuǎn)向架受到的最大制動(dòng)力；Fs為起動(dòng)牽引時(shí)每轉(zhuǎn)向架的牽引力；Cps，z為一系橡膠彈簧垂向剛度；Sg1為10‰軌道扭曲對(duì)一系彈簧形成的垂向位移；Sg2為5‰軌道扭曲對(duì)一系彈簧形成的垂向位移。其中縱向載荷是指由簧下質(zhì)量引起的慣性沖擊力。由于地鐵車輛頻繁起動(dòng)與制動(dòng)，故從使結(jié)果偏于安全的角度出發(fā)，持續(xù)牽引力按起動(dòng)牽引力取值，常規(guī)制動(dòng)力按最大制動(dòng)力取值。（二）計(jì)算工況參考UIC615-4及BSEN13749：2011標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)軸箱體所受載荷進(jìn)行組合為以下計(jì)算工況。1.超常載荷計(jì)算工況2.模擬運(yùn)營(yíng)載荷計(jì)算工況

四、約束及載荷的施加模擬方式

由于軸箱體承受的彈簧傳遞的載荷和軸承傳遞的載荷是一組平衡力；并且兩端橡膠彈簧和軸箱體中心距相同，因此，作如下簡(jiǎn)化約束及載荷施加模擬：（1）約束：在一系簧芯軸頂端面施加垂、橫、縱三向固定約束.（2）徑向載荷：軸上的垂向載荷（Z向）、縱向載荷（X向）均以軸承載荷形式施加在軸承安裝圓柱面上；附加載荷中的牽引載荷、制動(dòng)載荷為X向載荷，扭曲載荷為Z向載荷，同樣均以軸承載荷形式施加在軸承安裝圓柱面上.（3）軸向載荷：軸上的正向橫向載荷施加在軸箱內(nèi)端蓋的軸承止擋面上，如圖2.8所示；負(fù)向橫向載荷施加在軸箱外端蓋的軸承止擋面上，如圖5所示；（4）螺栓采用BEAM188單元模擬，并施加相應(yīng)等級(jí)螺栓的預(yù)緊力。

五、計(jì)算結(jié)果及分析

在超常載荷工況評(píng)價(jià)中采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力eσ（又稱VonMises應(yīng)力）來(lái)評(píng)價(jià)，此等效應(yīng)力不得超過(guò)相應(yīng)計(jì)算工況的許用應(yīng)力。通過(guò)對(duì)超常載荷工況計(jì)算后，各工況下軸箱體的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度要求。其中第7工況應(yīng)力最大，其VonMises應(yīng)力云圖如圖7所示。軸箱體疲勞強(qiáng)度考核采用Goodman疲勞極限圖，當(dāng)軸箱體在各工況下的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力均位于疲勞極限圖內(nèi)，則疲勞強(qiáng)度滿足要求。疲勞極限圖參考UIC615-4：2003及ERRIB12/RP17鋼材疲勞極限圖的繪制方法。參考文獻(xiàn)，HV<400鋼材的疲勞極限σ-1一般為拉伸極限強(qiáng)度的一半，同時(shí)取安全系數(shù)為1.5?？傻萌鐖D8所示B+級(jí)鋼的Goodman疲勞極限圖。對(duì)表3中定義的疲勞工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，提取了軸箱體所有表面非中間節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力及其方向余弦。利用ANSYSAPDL與Matlab聯(lián)合編程，完成了各節(jié)點(diǎn)σmax、σmin、σm及σa的計(jì)算。圖8給出了軸箱體在疲勞工況載荷作用下的Goodman圖疲勞強(qiáng)度評(píng)定情況。可見，所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大值和最小值均在材料Goodman疲勞極限圖的包絡(luò)范圍內(nèi)，滿足疲勞強(qiáng)度校核要求。

六、結(jié)語(yǔ)

軸箱體根據(jù)機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)形式多樣，強(qiáng)度校核分析尚無(wú)專門標(biāo)準(zhǔn)，需要參考借鑒轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。參考BSEN13749：2011標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型地鐵車輛軸箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，驗(yàn)證了該軸箱體滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。在約束及載荷施加模擬方式上，考慮了螺栓預(yù)緊和接觸分析，嘗試了一些簡(jiǎn)化模擬措施，但軸箱工作環(huán)境相對(duì)構(gòu)架更為復(fù)雜，如何能夠更恰當(dāng)?shù)膶?duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，在后續(xù)研究中繼續(xù)探討。

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作者:鄭長(zhǎng)國(guó) 桂安富 芮斌 李瑜 單位:中車大連機(jī)車車輛有限公司