基于workbench 分析的軸箱體局部結構優化設計

周 莉

(1.同濟大學，上海201804;2.株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

軸箱裝置的作用是，將輪對和側架或構架聯系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉化為車體沿線路的平動;承受車輛的重量，傳遞各方向的作用力;通過固定在軸箱體上的軸箱外端蓋固定如傳感器、接地裝置等各種附屬裝置。馬來西亞安邦線軸箱體三維模型如圖1 所示。參照以往的土耳其伊茲密爾項目軸箱體，為了降低軸箱體所受的應力，在軸箱體底板與軸承安裝孔之間設置了加強筋，增設加強筋雖有利于改善軸箱體關鍵區域的應力狀態，但也帶來了鑄造困難與增加軸箱體重量等一些問題。因此，有必要通過有限元分析來評估加強筋對軸箱體關鍵受力區域的影響，進而決定在實際生產過程中是否應在軸箱體中部增設加強筋。

圖1 馬來西亞安邦線軸箱體三維模型

1 計算模型建立

利用ANSYS workbench 對軸箱體進行有限元分析，在本次仿真分析中，根據本軸箱體安裝使用的特點，在軸箱軸承安裝孔內以軸承載荷的形式施加垂向載荷和縱向載荷。其中垂向載荷沿w 軸正向，大小經計算為88 396 N，縱向載荷沿x 軸正向方向，大小經計算為49 980 N;在軸承安裝孔側面施加橫向載荷，橫向載荷沿v 軸負向方向，大小經計算為49 200 N;在軸箱體的一系簧安裝座表面施加垂向彈簧支撐，一系簧安裝孔內施加縱向和橫向彈簧支撐，具體如圖1 所示。軸箱體有限元模型采用四面體進行修復網格劃分，共有約300 000 個網格單元、450 000個節點，如圖2 所示。

2 計算結果

通過ANSYS workbench 計算軸箱體的 von-mises 應力，計算結果如圖3 所示。圖3(a)為增設加強筋后的軸箱體應力分布云圖，從圖中可以看出，軸箱體所受最大von-mises 應力為159.48 MPa;圖3(b)為不設加強筋的軸箱體應力分布云圖，從圖中可以看出，軸箱體所受最大von-mises 應力為172.22 MPa;取消加強筋使軸箱體的最大應力增大了12.74 MPa。在本項目中，增設加強筋將使軸箱體的重量增加約1.3 kg。

圖2 軸箱體網格劃分結果

圖3 軸箱體應力計算云圖

將計算后軸箱體進行相應處理可以看到加強筋的應力分布狀態，從圖4 可以看出，加強筋的大部分區域所受的應力均較小，在17.762 MPa 以下，由此可見，此加強筋發揮的效用較為有限。

圖4 加強筋應力分布云圖

3 結果分析

(1)取消加強筋后，軸箱體的最大應力從159.48 MPa 增大為 172.22 MPa。

(2)軸箱體的材料為C 級鋼，C 級鋼的抗拉強度 σb=620 MPa，在超常載荷作用下，取安全系數S =2，則許用應力［σp］=310 MPa。由此可見，軸箱體在未使用加強筋的條件下也滿足許用強度條件。

(3)增設加強筋將使軸箱增重約1.3 kg，此外，增設加強筋也增加了制造成本，對鑄造工藝也提出了更高的要求;未設加強筋的軸箱體最大應力小于C 級鋼許用應力，因此在設計時可取消此加強筋。

［1］嚴雋耄.車輛工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］李志君，許留旺.材料力學簡明教程［M］.成都:西南交通大學出版社，1998.