某工程車軸箱結(jié)構優(yōu)化及強度分析

穆云飛， 黃志輝， 朱世昌

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.寶雞中車時代工程機械有限公司 技術研發(fā)中心，陜西 寶雞 721003)

0 引言

為了適應鐵路發(fā)展的需求，工程車最高運行速度要達到160 km/h，設計了一種適用于大軸重、高速度鐵路運用的工程車轉(zhuǎn)向架。作為工程車轉(zhuǎn)向架重要的承載、連接部件，軸箱負責將輪對和構架聯(lián)系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向架及車體沿線路的平動，同時還承受車輛的質(zhì)量，傳遞各方向的作用力[1]。因此，為滿足大軸重、高速度工程車的運行要求，新設計了一種工程車軸箱。通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)向架軸箱存在質(zhì)量較大、軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處存在應力集中、長時間工作易出現(xiàn)疲勞損傷等諸多理論設計缺陷。為保證大軸重、高速度工程車安全平穩(wěn)運行，需對新設計的工程車軸箱進行結(jié)構優(yōu)化。利用CATIA軟件對結(jié)構優(yōu)化后的工程車軸箱進行實體建模，再分別使用HyperMesh軟件和ANSYS軟件對模型進行有限元網(wǎng)格劃分和計算，繪制出軸箱Goodman-Smith疲勞極限圖[2]。以強度計算結(jié)果和Goodman-Smith疲勞極限圖為依據(jù)，校核軸箱是否滿足強度及疲勞要求[3]。

1 新設計的工程車軸箱介紹

新設計的工程車軸箱采用的是軸箱體與轉(zhuǎn)臂一體式結(jié)構，為轉(zhuǎn)臂式定位。其中，軸箱體一側(cè)與轉(zhuǎn)臂固連，另一側(cè)設計有垂向減振器安裝座、輪對起吊座，新設計的工程車軸箱實體模型如圖1所示。在三維建模軟件測得新設計的工程車軸箱質(zhì)量為207.8 kg，相比于其他工程車軸箱質(zhì)量較大。此外在軸向載荷作用下，軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處存在應力集中的現(xiàn)象，圖2是該工況下新設計的工程車軸箱應力云圖。在日常運營過程中，由于轉(zhuǎn)向架的蛇形運動，軸箱受到周期性軸向交變載荷作用，軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處應力變化較大，長時間工作易出現(xiàn)疲勞損傷，不利于工程車的運行安全[4]。為解決上述問題，需對新設計的工程車軸箱進行結(jié)構優(yōu)化。

圖1 新設計的工程車軸箱實體模型

圖2 新設計的工程車軸箱應力云圖(單位：MPa)

2 結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱介紹

圖3 結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱實體模型

針對新設計的工程車軸箱質(zhì)量較大的問題，對其應力較小但質(zhì)量較大的部分做減重處理。將軸箱體做成筒狀結(jié)構，既可以保證軸箱有足夠的強度，還可以減輕質(zhì)量。針對新設計的工程車軸箱的軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處存在應力集中、長時間工作易出現(xiàn)疲勞損傷的問題，增加軸箱體與轉(zhuǎn)臂的固連面積，分散軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處的應力，避免出現(xiàn)應力集中的情況。同時將垂向減振器安裝座優(yōu)化成和轉(zhuǎn)臂連為一體的結(jié)構，增加垂向減振器安裝座根部的結(jié)構強度。結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱質(zhì)量為115.3 kg，其實體模型如圖3所示。

結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱定位轉(zhuǎn)臂通過其安裝孔內(nèi)的橡膠彈性節(jié)點與構架的轉(zhuǎn)臂定位座相連；垂向減振器安裝座通過垂向減振器與構架相應的減振器座相接。輪對起吊座與構架相應的起吊裝置配合，不僅可以保證輪對在整車起吊的過程中不脫離轉(zhuǎn)向架，還可以在車輛運行中充當一系橫向止擋，既減少了轉(zhuǎn)向架零部件的數(shù)量，結(jié)構緊湊，又降低了轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)成本。

3 結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱強度及疲勞評定標準

EN 13749：2005《鐵路應用轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構要求的規(guī)定方法》(以下簡稱EN 13749)適用范圍較廣，包含的試驗載荷類型多樣，載荷工況組合方式明確[5]。因此，EN 13749標準在鐵路行業(yè)內(nèi)應用廣泛，得到了業(yè)內(nèi)人士的普遍認可，本文同樣采用EN 13749標準對結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱進行強度和疲勞性能校核。

4 結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱載荷計算

根據(jù)EN 13749標準，軸箱所受載荷分為兩類，一類是超常工況載荷，另一類是運營工況載荷。其中，超常工況載荷用于軸箱強度計算分析，運營工況載荷用于軸箱疲勞強度計算分析[6]。考慮到軸箱實際應用情況，加入了起吊工況的載荷和強度計算，以校核結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱輪對起吊座是否滿足起吊工況的強度要求。

4.1 軸箱載荷計算所需參數(shù)

由于此軸箱應用于大軸重、高速度鐵路運用工程車，為保證強度計算結(jié)果有足夠的安全余量，計算軸箱載荷時均采用極限質(zhì)量作為質(zhì)量參數(shù)。工程車共有2個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架有2組輪對，其軸箱超常工況、運營工況及起吊工況所受載荷計算所需參數(shù)如表1所示。

表1 軸箱載荷計算所需參數(shù)

4.2 超常工況載荷計算

(4)垂向減振器最大載荷Fd max。Fd max=1.5Fd=22.5 kN。

4.3 運營工況載荷計算

(4)垂向減振器載荷Fd。Fd=15 kN。

4.4 起吊工況載荷計算

根據(jù)EN 13749標準和結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱的結(jié)構特征，超常工況載荷共包含6種加載工況，如表2所示；運營工況載荷共包含12種加載工況，如表3所示；起吊工況載荷包含1種加載工況。

表2 超常載荷加載工況

表3 運營載荷加載工況[5]

5 結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱的有限元計算

5.1 軸箱有限元模型約束及載荷施加

圖4 軸箱有限元模型

將軸箱實體模型以SOLID186四面體單元離散。軸箱網(wǎng)格大小以20 mm為主，離散出的有限元模型如圖4所示。軸箱有限元模型共有13 487個單元，26 675個節(jié)點。結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱由ZG270鋼鑄造而成[8]，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.27，密度為7.85×103kg/m3，拉伸極限強度為500 MPa，屈服極限強度為270 MPa，疲勞極限強度為253 MPa，軸箱的疲勞極限強度為147.20 MPa[9]。

圖5 軸箱有限元模型載荷施加示意圖

超常工況和運營工況時，在軸承安裝孔上方120°施加徑向約束；根據(jù)橫向載荷方向，分別在軸箱與前、后端蓋連接的螺栓孔施加橫向約束；在轉(zhuǎn)臂安裝孔的位置添加垂向彈簧單元，并約束彈簧單元的垂向自由度。起吊工況時，在輪對起吊座下方與構架相應的起吊裝置接觸的位置施加固定約束；在轉(zhuǎn)臂安裝孔的位置添加垂向彈簧單元，并約束彈簧單元的垂向自由度。

超常工況和運營工況時，軸箱垂向載荷施加在軸箱一系簧座處、垂向減振器載荷施加在垂向減振器安裝座處、橫向載荷施加在轉(zhuǎn)臂安裝孔與橡膠彈性節(jié)點接觸的位置及一系簧座處、縱向載荷以壓力載荷的形式施加在轉(zhuǎn)臂安裝孔左/右部120°范圍內(nèi)[5]。起吊工況時，作用在軸箱的載荷以壓力載荷的形式施加在軸承安裝孔下方120°范圍內(nèi)。軸箱有限元模型施加的載荷如圖5所示。

5.2 軸箱有限元模型計算結(jié)果

將軸箱有限元模型導入ANSYS軟件，求解各節(jié)點應力，并利用后處理功能查看計算結(jié)果。超常工況時，軸箱有限元計算結(jié)果如表4所示。圖6是超常載荷第3工況軸箱應力云圖，圖7是起吊工況時軸箱應力云圖。

表4 超常工況軸箱有限元計算結(jié)果

圖6 超常載荷第3工況軸箱應力云圖(單位：MPa)

圖7 起吊工況時軸箱應力云圖(單位：MPa)

由有限元計算結(jié)果可知，軸箱在超常工況時最大應力值出現(xiàn)在第3工況，應力值為149.22 MPa，最大應力點在轉(zhuǎn)臂上部圓弧過渡區(qū)，小于此工況ZG270鋼的許用應力270 MPa，安全系數(shù)為1.81，滿足超常工況的強度要求；軸箱在起吊工況時最大應力值為211.60 MPa，在輪對起吊座下部圓弧過渡區(qū)，小于此工況ZG270鋼的許用應力270 MPa，安全系數(shù)為1.28，滿足起吊工況的強度要求。

運營工況時，軸箱的最大應力值出現(xiàn)在第3工況，應力值為98.94 MPa，最大應力點在轉(zhuǎn)臂上部圓弧過渡區(qū)，小于此工況軸箱的疲勞極限147.20 MPa，安全系數(shù)為1.49，滿足運營工況的強度要求，圖8是運營載荷第3工況軸箱應力云圖。在軸向載荷作用下，軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處無應力集中，長時間工作不易出現(xiàn)疲勞損傷，圖9是該工況下軸箱應力云圖。

圖8 運營載荷第3工況軸箱應力云圖(單位：MPa)

圖9 軸向載荷作用下軸箱應力云圖(單位：MPa)

圖10 軸箱疲勞校核結(jié)果

由有限元計算結(jié)果可知，軸箱在運營工況時應力較大的位置在轉(zhuǎn)臂上部圓弧過渡區(qū)、轉(zhuǎn)臂下部圓弧過渡區(qū)、垂向減振器安裝座圓弧處、軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處。根據(jù)ORE B12/RP17投影法計算出軸箱上述位置節(jié)點的平均應力σm和應力幅σa[7]。

根據(jù)軸箱材料屬性繪制出Goodman-Smith疲勞極限圖，并將上述節(jié)點的平均應力σm和應力幅σa作為數(shù)據(jù)點置于Goodman-Smith疲勞極限圖中[10]。最終得到的軸箱疲勞校核結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，軸箱應力較大位置節(jié)點的計算結(jié)果全部在Goodman-Smith疲勞極限包絡線內(nèi)，軸箱疲勞強度滿足設計要求[11]。

6 結(jié)論

結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱質(zhì)量為115.3 kg，較新設計的工程車軸箱減重44.5%。在軸向載荷作用下，軸箱體與轉(zhuǎn)臂固連處無應力集中，長時間工作不易出現(xiàn)疲勞損傷。結(jié)構優(yōu)化后工程車軸箱滿足超常工況、運營工況及起吊工況的強度要求，且疲勞強度滿足設計要求。