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地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式论文

时间:2022-10-09 07:56:41 论文范文 我要投稿
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地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式论文

  摘要:轴箱体结构形式多样,强度校核分析尚无专门标准。参考标准BSEN13749:2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》,对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核分析,并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。

地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式论文

  关键词:轴箱体;强度分析;有限元计算;模拟方式

  轴箱是连接轮对与构架的活动关节,传递轮对与构架间的作用力,是机车车辆转向架的重要承载部件。轴箱体是轴箱的骨架,两端设有一系弹簧座。内外端盖以螺栓预紧安装在其两侧,轴承以间隙配合的方式安装于其内部。本文参考BSEN13749:2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准,对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核,并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。

  一、轴箱体结构形式及受力分析

  本文探讨的某型地铁车辆设计的轴箱无轴箱拉杆,其一系簧采用橡胶弹簧,橡胶弹簧的芯轴由螺栓预紧安装在轴箱体簧座上。轴箱体在工作中承受的载荷为两组橡胶弹簧的垂向、横向和纵向载荷,其所受的约束为轴承对其的轴向约束和径向约束。

  二、轴箱体有限元计算模型

  虽然是对轴箱体进行强度校核仿真分析,但考虑到一系簧芯轴刚度、端盖刚度、及螺栓预紧力对轴箱体局部计算结果的影响,故把上述同属一系悬挂装置的部件全部建立在有限元计算模型中,部件之间采用接触单元和螺栓预紧连接。有限元计算模型采用实体建模,利用CAD软件建立三维实体模型,然后导入ANSYS有限元分析软件,采用SOLID187四面体单元对实体模型进行离散,经过处理生成计算模型。

  三、轴箱体计算载荷及计算工况

  (一)计算载荷参考BSEN13749:2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准,结合轴箱体实际工作情况,确定如表1所示计算载荷。式中,MV4为整车质量(AW4);mt为簧下质量;nb为转向架数量;na为每转向架的轮对数量;(4)附加的制动载荷及(5)附加的牵引载荷计算公式中的1.3为超常载荷工况下的制动或牵引载荷系数,1.1为运营载荷工况下的制动或牵引载荷系数;Fbe为紧急制动时每转向架受到的最大制动力;Fs为起动牵引时每转向架的牵引力;Cps,z为一系橡胶弹簧垂向刚度;Sg1为10‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移;Sg2为5‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移。其中纵向载荷是指由簧下质量引起的惯性冲击力。由于地铁车辆频繁起动与制动,故从使结果偏于安全的角度出发,持续牵引力按起动牵引力取值,常规制动力按最大制动力取值。(二)计算工况参考UIC615-4及BSEN13749:2011标准,结合实际运行情况,对轴箱体所受载荷进行组合为以下计算工况。1.超常载荷计算工况2.模拟运营载荷计算工况

  四、约束及载荷的施加模拟方式

  由于轴箱体承受的弹簧传递的载荷和轴承传递的载荷是一组平衡力;并且两端橡胶弹簧和轴箱体中心距相同,因此,作如下简化约束及载荷施加模拟:(1)约束:在一系簧芯轴顶端面施加垂、横、纵三向固定约束.(2)径向载荷:轴上的垂向载荷(Z向)、纵向载荷(X向)均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上;附加载荷中的牵引载荷、制动载荷为X向载荷,扭曲载荷为Z向载荷,同样均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上.(3)轴向载荷:轴上的正向横向载荷施加在轴箱内端盖的轴承止挡面上,如图2.8所示;负向横向载荷施加在轴箱外端盖的轴承止挡面上,如图5所示;(4)螺栓采用BEAM188单元模拟,并施加相应等级螺栓的预紧力。

  五、计算结果及分析

  在超常载荷工况评价中采用第四强度理论导出的等效应力eσ(又称VonMises应力)来评价,此等效应力不得超过相应计算工况的许用应力。通过对超常载荷工况计算后,各工况下轴箱体的最大应力均小于材料的许用应力,满足静强度要求。其中第7工况应力最大,其VonMises应力云图如图7所示。轴箱体疲劳强度考核采用Goodman疲劳极限图,当轴箱体在各工况下的最小应力和最大应力均位于疲劳极限图内,则疲劳强度满足要求。疲劳极限图参考UIC615-4:2003及ERRIB12/RP17钢材疲劳极限图的绘制方法。参考文献,HV<400钢材的疲劳极限σ-1一般为拉伸极限强度的一半,同时取安全系数为1.5。可得如图8所示B+级钢的Goodman疲劳极限图。对表3中定义的疲劳工况的计算结果进行处理,提取了轴箱体所有表面非中间节点的主应力及其方向余弦。利用ANSYSAPDL与Matlab联合编程,完成了各节点σmax、σmin、σm及σa的计算。图8给出了轴箱体在疲劳工况载荷作用下的Goodman图疲劳强度评定情况。可见,所有节点的应力最大值和最小值均在材料Goodman疲劳极限图的包络范围内,满足疲劳强度校核要求。

  六、结语

  轴箱体根据机车车辆转向架设计要求,结构形式多样,强度校核分析尚无专门标准,需要参考借鉴转向架构架的相关标准。参考BSEN13749:2011标准,对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核分析,验证了该轴箱体满足静强度和疲劳强度要求。在约束及载荷施加模拟方式上,考虑了螺栓预紧和接触分析,尝试了一些简化模拟措施,但轴箱工作环境相对构架更为复杂,如何能够更恰当的对其工作状态进行模拟,在后续研究中继续探讨。

  参考文献

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  [2]杨冰,肖守讷,高震天,朱涛.轴箱体强度分析中的拉杆模拟[J].铁道机车车辆,2013,33(3):1-4.

  [3]颜家森,朱龙泉,赵三星,宋世勇,王凤才.高速铁路轴箱轴承载荷分布分析[J].轴承,2012,10:12-16.

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