地鐵車輛軸箱體的強度分析及模擬方式

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摘要：軸箱體結構形式多樣，強度校核分析尚無專門標準。參考標準BSEN13749：2011《鐵路應用.轉向架結構要求的規定方法》，對某型地鐵車輛軸箱體進行強度校核分析，并對約束及載荷的施加模擬方式進行探討。

關鍵詞：軸箱體；強度分析；有限元計算；模擬方式

軸箱是連接輪對與構架的活動關節，傳遞輪對與構架間的作用力，是機車車輛轉向架的重要承載部件。軸箱體是軸箱的骨架，兩端設有一系彈簧座。內外端蓋以螺栓預緊安裝在其兩側，軸承以間隙配合的方式安裝于其內部。本文參考BSEN13749：2011《鐵路應用.轉向架結構要求的規定方法》標準，對某型地鐵車輛軸箱體進行強度校核，并對約束及載荷的施加模擬方式進行探討。

一、軸箱體結構形式及受力分析

本文探討的某型地鐵車輛設計的軸箱無軸箱拉桿，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其的軸向約束和徑向約束。

二、軸箱體有限元計算模型

雖然是對軸箱體進行強度校核仿真分析，但考慮到一系簧芯軸剛度、端蓋剛度、及螺栓預緊力對軸箱體局部計算結果的影響，故把上述同屬一系懸掛裝置的部件全部建立在有限元計算模型中，部件之間采用接觸單元和螺栓預緊連接。有限元計算模型采用實體建模，利用CAD軟件建立三維實體模型，然后導入ANSYS有限元分析軟件，采用SOLID187四面體單元對實體模型進行離散，經過處理生成計算模型。

三、軸箱體計算載荷及計算工況

（一）計算載荷參考BSEN13749：2011《鐵路應用.轉向架結構要求的規定方法》標準，結合軸箱體實際工作情況，確定如表1所示計算載荷。式中，MV4為整車質量（AW4）；mt為簧下質量；nb為轉向架數量；na為每轉向架的輪對數量；（4）附加的制動載荷及（5）附加的牽引載荷計算公式中的1.3為超常載荷工況下的制動或牽引載荷系數，1.1為運營載荷工況下的制動或牽引載荷系數；Fbe為緊急制動時每轉向架受到的最大制動力；Fs為起動牽引時每轉向架的牽引力；Cps，z為一系橡膠彈簧垂向剛度；Sg1為10‰軌道扭曲對一系彈簧形成的垂向位移；Sg2為5‰軌道扭曲對一系彈簧形成的垂向位移。其中縱向載荷是指由簧下質量引起的慣性沖擊力。由于地鐵車輛頻繁起動與制動，故從使結果偏于安全的角度出發，持續牽引力按起動牽引力取值，常規制動力按最大制動力取值。（二）計算工況參考UIC615-4及BSEN13749：2011標準，結合實際運行情況，對軸箱體所受載荷進行組合為以下計算工況。1.超常載荷計算工況2.模擬運營載荷計算工況

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端蓋的軸承止擋面上，如圖2.8所示；負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，并施加相應等級螺栓的預緊力。

五、計算結果及分析

在超常載荷工況評價中采用第四強度理論導出的等效應力eσ（又稱VonMises應力）來評價，此等效應力不得超過相應計算工況的許用應力。通過對超常載荷工況計算后，各工況下軸箱體的最大應力均小于材料的許用應力，滿足靜強度要求。其中第7工況應力最大，其VonMises應力云圖如圖7所示。軸箱體疲勞強度考核采用Goodman疲勞極限圖，當軸箱體在各工況下的最小應力和最大應力均位于疲勞極限圖內，則疲勞強度滿足要求。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，HV<400鋼材的疲勞極限σ-1一般為拉伸極限強度的一半，同時取安全系數為1.5。可得如圖8所示B+級鋼的Goodman疲勞極限圖。對表3中定義的疲勞工況的計算結果進行處理，提取了軸箱體所有表面非中間節點的主應力及其方向余弦。利用ANSYSAPDL與Matlab聯合編程，完成了各節點σmax、σmin、σm及σa的計算。圖8給出了軸箱體在疲勞工況載荷作用下的Goodman圖疲勞強度評定情況。可見，所有節點的應力最大值和最小值均在材料Goodman疲勞極限圖的包絡范圍內，滿足疲勞強度校核要求。

六、結語

軸箱體根據機車車輛轉向架設計要求，結構形式多樣，強度校核分析尚無專門標準，需要參考借鑒轉向架構架的相關標準。參考BSEN13749：2011標準，對某型地鐵車輛軸箱體進行強度校核分析，驗證了該軸箱體滿足靜強度和疲勞強度要求。在約束及載荷施加模擬方式上，考慮了螺栓預緊和接觸分析，嘗試了一些簡化模擬措施，但軸箱工作環境相對構架更為復雜，如何能夠更恰當的對其工作狀態進行模擬，在后續研究中繼續探討。

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作者:鄭長國 桂安富 芮斌 李瑜 單位:中車大連機車車輛有限公司