考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计.pdf
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1、书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期:;修回日期:基金项目:年辽宁省教育厅基本科研项目()考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计焦柏儒,郭明达,王世阔,刘喜微,韩佳霖,秦睿贤(大连交通大学高速列车服役安全关键技术铁路行业重点实验室,辽宁大连;中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳动车段,辽宁沈阳)作者简介:焦柏儒,年月生,硕士研究生,电子邮箱:。主要从事研究方向:车辆结构优化设计。摘要:抱轴箱是机车转向架的重要组成部分,在支撑、固定驱动电机和保持运行平稳上起着重要作用,其轻量化设计可有效改善转向架的力学性能。本文建立了机车抱轴箱有限元模型,采用分析种超常工况下的结构强度,采用曲线对种运营工
2、况进行疲劳强度分析。随后,以体积分数、周向循环对称为约束条件,以加权柔度最小为优化目标,利用软件对其进行多工况拓扑优化设计,优化后的抱轴箱结构可消除多个应力集中点,并实现 的减重。关键词:;抱轴箱;拓扑优化文章编号:()中图分类号:文献标识码:,(,;,):,铁道技术标准,:,:;:():引言抱轴箱是机车转向架的重要组成部分,在保证车轴的支撑、固定驱动电机和保持运行平稳上起着重要作用。抱轴箱体为整体铸造结构,外表面为粗加工,内表面采用精加工方式。目前机车抱轴箱体存在重量较大的问题,不利于转向架的轻量化设计,需要对其进行优化。目前,国内学者对于转向架结构做了一些轻量化设计的研究。郭继祥等对速度
3、的转向架进行了内外置轴箱的性能差异对比,结果表面内置轴箱转向架结构合理,相对于外置轴箱重量减少了 ;何宇等对某型动车组动力转向架构架进行强度评价,针对构架相对薄弱的部位进行设计优化,增加了薄弱部位强度并且减少了构架整体的质量,达到了轻量化的目的;梁昊等对转向架构架结构应力集中区域进行局部焊接接头优化和局部形状优化,在满足疲劳强度的前提下,实现了构架轻量化与局部结构优化;王秋实等结合电机传动比、装配尺寸及位置计算了轴悬式抱轴箱的静强度和疲劳强度,并提出了改进方法;张委袖等对于机车抱轴箱运行中产生疲劳裂纹的现象,采用实测危险部位应力谱进行抱轴箱疲劳寿命的预测,并指出铸造工艺是影响抱轴箱疲劳寿命的主
4、要原因;姬芳芳等分析了轴箱吊耳是由于共振导致疲劳断裂,对吊耳进行了材料与结构两方面优化,优化后吊耳一阶弯曲频率提高,在运营过程中未发生共振;戴晓超等采用铝合金材料重新设计了高速列车轴箱体结构,通过静强度和疲劳强度分析,验证了铝合金轴箱体结构的安全可靠性;穆云飞等针对某工程车转向架新设计的轴箱进行了结构优化,并对优化后轴箱进行强度验证,优化后轴箱满足设计要求;高扬等以国内某型高速动车组齿轮箱体为研究对象,以提高箱体固有频率为目的进行拓扑优化设计,优化后降低了箱体共振的可能性;孔得旭根据齿轮箱体疲劳寿命的要求,计算出其允许承受的最大应力,以此最大应力为约束,对箱体结构进行了优化,优化后齿轮箱体在轻
5、量化的同时,寿命符合高耐久要求;姚竖等针对轴端发电机承受轮轨冲击大、可靠性要求高等问题,进行了结构优化设计,优化后轴端发电机壳体的质量降低了,且疲劳寿命、冲击强度均满足要求。在对转向架、轴箱等结构进行轻量化设计的同时,对抱轴箱进行轻量化设计较少,抱轴箱体仅对车轴起到保护作用,可对其进行拓扑优化减小质量。本文采用软件对机车抱轴箱进行前处理,在种超常工况和种运营工况下,分别对抱轴箱的结构强度、疲劳强度进行仿真分析。随后,以体积分数为约束条件,以加权柔度最小为优化目标,通过拔模方向约束和对称约束方式,利用软件对其进行多工况拓扑优化设计。本研究在满足刚度、强度等使用条件下,实现了抱轴箱体减重 的轻量化
6、设计。焦柏儒等:考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计机车抱轴箱结构及有限元建模机车抱轴箱主要由抱轴箱体、滚动轴承、轴承间隙调整垫、非传动端密封环及轴领等组成。机车牵引电动机悬挂方式采用轴悬式,牵引电机的一端通过螺栓与抱轴箱箱体连接,另一端通过吊耳悬挂在构架上,抱轴箱体为一体铸造件,两端通过滚动轴承连接到车轴、齿轮箱上。抱轴箱采用铸钢,屈服强度为,抗拉强度为,弹性模量 ,泊松比,抱轴箱质量为 ,抱轴箱体三维几何模型见图。图抱轴箱体三维几何模型本文有限元模型中,抱轴箱体及电机吊耳采用四面体实体单元建模,两侧轴承及轴承连接处采用六面体网格,共 个网格,电机悬挂装置质量为 ,以点形式放置于坐标(
7、,)处,电机一侧与抱轴箱处个螺栓孔内表面通过连接,另一侧与电机吊耳相连,均约束、方向平动自由度;抱轴箱体与滚动轴承通过接触关系连接;电机吊耳施加个自由度全约束,对轴承外表面施加纵向约束,内表面施加横向、垂向约束。坐标系轴为垂向,轴为横向,轴为纵向。模型中长度单位、力的单位、质量单位、应力单位。抱轴箱有限元模型见图。机车抱轴箱静强度分析依据标准 交流传动机车铸铝合金齿轮箱体暂行技术条件()中确定抱轴箱箱体强度的计算载荷及工况,本文中超常载荷加载工况见表。图抱轴箱有限元模型表超常载荷加载工况工况横向加速度纵向加速度垂向加速度 采用表中所提的种工况对抱轴箱有限元模型进行计算,经计算后评估其静强度,静
8、强度评估结果见表。表抱轴箱静强度评估工况最大应力 工况 工况 工况 工况 工况 静强度工况中工况最大应力位于抱轴箱体过度圆弧处,次大应力位于抱轴箱车轴段内表面处,应力次大值为;工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处,次大应力位于抱轴箱车轴段内表面处,次大应力值为;工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处,次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处,次大应力值为;工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处,次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处,次大应力值为;工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处,次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处,次大应力值为;种工况下最大应力均小于屈服极限,抱轴箱静强度符合要求,应力云图见图。铁道技术标准图抱轴
9、箱静强度应力云图机车抱轴箱疲劳强度分析本文中校核疲劳强度的运营载荷加载工况见表。表运营载荷工况表工况横向加速度纵向加速度垂向加速度 疲劳极限图是以屈服极限为界限,以提出的线性经验公式为基础,用直线替代实际疲劳极限应力线后得到的一种简化疲劳极限图,可分为图和图两种形式;图中位于轴上的试件,因平均应力等于抗拉极限强度,且应力幅为,应力比为,说明此时仅受到小于屈服强度的静载荷作用,此时试件为无限寿命;疲劳极限图优点在于概括了所有节点信息,可以直观地判断是否超过疲劳极限,缺点在于无法定量判断该点具体寿命。修正后的图是综合考虑疲劳应力幅、平均应力和材料机械性能限制的疲劳强度图,常用于铁道车辆结构部件疲劳
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