1 概述
轴箱装置是铁路机车车辆转向架的重要零部件之一, 是轮对和构架联接环节, 承受车辆的重量, 传递各个方向的作用力。在实际运用中, 轴箱结构同时受到静载荷和动载荷的作用。若其在工作中强度不够, 就会影响转向架的正常运行, 甚至引发严重事故, 危及行车安全。对于新设计的轴箱结构, 必须确保其在运用载荷作用下具有足够的承载能力, 保证其在使用期间内的安全性和可靠性。
本文涉及的轴箱为某一大轴重机车设计, 采用单拉杆结构, 属首次研发。在结构设计初期, 考虑到轴箱不仅要充分发挥其结构的整体承载力, 还要考虑结构紧凑性, 轻量化。例如, 轴箱结构中的端盖不仅起横向止挡作用, 而且承担着起吊作用。因此, 对轴箱的强度性能进行分析是十分有必要的, 尤其是这些铸件的腹板, 加强筋及受力较大的部位。利用ANSYS Workbench分析软件对轴箱结构进行有限元分析, 获取轴箱各个主要受力部位的应力分布情况, 分析其结构强度是否满足材料的设计要求。
2 轴箱强度分析
2.1 轴箱模型
为保证计算结果准确性, 应采用整体结构建模, 将整体三维模型从Creo导入ANSYS时, 除某些小的倒圆角可忽略外, 其余尺寸均应与原设计保持一致。有限元模型 (见图1) 采用四面体单元网格。对拉杆座连接面, 弹簧座上下面, 端盖起吊位置等受力较大位置进行网格细化和网格映射。网格生成后, 共有节点数654989个, 单元数387850个。
2.2 轴箱材料及力学性能
轴箱主要分析对象为轴箱体与端盖, 其材料为AS2074/L1A, 主要力学性能见表1。
2.3 载荷工况
2.3.1 起吊工况
这部分分析的目的是验证轴箱在起吊载荷作用下没有永久变形的危险。
起吊工况条件下, 每个一系弹簧作用于轴箱体弹簧座面的复原力F′=31.1k N, 拉力F0作用于轴箱起吊钩耳上, 大小为轴箱承受簧下重量产生的载荷与弹簧复原力之和, F0=88.17k N。
2.3.2 超常载荷工况
这部分分析的目的是验证轴箱在超常载荷作用下没有永久变形的危险。
超常垂向载荷FZ以满轴重载荷计算, 即当轮对一侧出现垂向载荷为零, 全部载荷作用在一个轴箱上, FZ=294k N。超常垂向载荷除轴箱弹簧产生的复原力外, 其余均作用于轴箱垂向止挡上, 其中每个一系弹簧产生的复原力FZ1=76.78k N, 作用于轴箱垂向止挡上的载荷FZ2=140.4k N。作用于每轴箱的超常横向载荷FY=10+1/3×P0×g=108k N, 其中P0为轴重。超常横向载荷除一系弹簧传递的载荷外, 其余均作用于轴箱端盖的横向止挡上, 其中, 每个一系弹簧传递的载荷横向FY1=1.79k N, 作用于轴箱端盖横向止挡的载荷FY2=104.4k N。每轴箱的超常纵向载荷FX以5倍的纵向冲击计算, FX=129.8k N。
2.3.3 模拟运营载荷工况
模拟运营载荷工况 (工况组合参照TB/T 3407加载) 用于对轴箱疲劳强度初步评估, 每一处所评估的应力方向必须相同, 分析结果不应超出材料的疲劳极限。通过有限元计算得到轴箱各危险部位在每一工况下的应力值, 选取最大、最小应力值, 通过σm= (σmax+σmin) /2和σa= (σmax-σmin) /2算得平均应力及应力幅, 并将这些值在Goodman曲线图中描点, 再与应力限值进行比较。
以上应力计算以轴箱轴承安装孔约束, 端盖与轴箱体之间通过螺栓连接。
2.4 计算结果
2.4.1 静强度计算结果
(1) 在起吊工况载荷下, 最大应力主要集中在起吊钩耳部位, 最大应力为147MPa, 未超出屈服极限。图2、图3为起吊工况下轴箱应力云图。
(2) 在超常工况载荷下, 最大应力主要集中在一系弹簧安装孔筋板、弹簧座处圆弧及端盖横向止挡面圆弧过渡部位, 最大应力为276.3MPa (图4最大应力311.2MPa只有几个点, 可忽略不计) , 均未超出屈服极限。图4、图5为超常工况下轴箱应力云图。
2.4.2 疲劳强度计算结果
对2.4.1中几个应力较大的危险部位进行疲劳强度校核。根据静强度分析结果, 从ANSYS中导出应力最大、最小值, 对数据进行处理, 并在抗拉强度≥520N/mm2的Goodman曲线图中描点 (见图6) , 由图可以看出, 危险部位所有节点应力的最大值和最小值均落在包络线内, 满足材料疲劳极限要求。
3 结语
通过ANSYS有限元分析方法, 得出不同工况下轴箱最大应力值及应力值的发生部位, 结果表明轴箱结构静强度满足要求;结合Goodman曲线图对轴箱危险点进行疲劳校核, 校核结果表明疲劳载荷作用点均位于包络线内, 轴箱疲劳强度满足要求。
摘要：利用ANSYS有限元软件作为仿真平台, 对轴箱铸件进行强度计算, 并对轴箱静强度及疲劳强度进行评估。结果表明, 该轴箱结构安全可靠, 能满足设计要求。
关键词：轴箱,有限元,强度分析
参考文献
[1] 孙竹生, 鲍维千.内燃机车总体与走行部[M].北京:中国铁出版, 1995.
[2] 刘万选等, Y25型新型转向架轴箱强度性能分析, 兰州交通大学学报, 2010年第29卷第4期.