30t大軸重機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸箱體的設(shè)計(jì)

王寒煜， 朱向陽(yáng)， 周新鵬

（南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

0 引言

軸箱體是軸箱組裝裝置的關(guān)鍵部件，也是眾多零部件的裝配主體，起著至關(guān)重要的作用。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的軸箱體是車輛安全運(yùn)行的保證。

軸箱體的作用是將輪對(duì)和構(gòu)架通過一系懸掛聯(lián)系在一起，使輪對(duì)沿鋼軌的滾動(dòng)轉(zhuǎn)化為車體沿線路的平動(dòng)；承受車輛的重量，傳遞各方向的作用力；通過軸箱附屬裝置來檢測(cè)車輛速度、軸箱溫度及軸箱軸承狀態(tài)等。

本文介紹了軸箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并用UG軟件對(duì)軸箱體進(jìn)行了三維實(shí)體建模，利用ANSYS Workbench模塊對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，得到了軸箱應(yīng)力分布云圖，用Goodman圖［1］校核了疲勞強(qiáng)度，研究結(jié)果為軸箱體的強(qiáng)度性能評(píng)定提供了依據(jù)。

1 軸箱體的設(shè)計(jì)

1.1 選材

考慮到軸箱體的結(jié)構(gòu)型式、承載方式等因素，軸箱體的材料選用機(jī)械性能和鑄造性能良好的C級(jí)鋼［2］，其性能參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度 σb≥620 MPa，屈服強(qiáng)度 σs≥415 MPa。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在軸箱體的設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮了鑄造工藝性、加工工藝性。軸箱體壁厚均勻且為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鑄造工藝性好，從而降低了軸箱體的加工工藝難度，還極大地降低了軸箱體的重量。軸箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸箱體三維模型

軸箱拉桿一端通過2個(gè)球關(guān)節(jié)與構(gòu)架鉸接，另一端通過銷軸與軸箱體鉸接，拉桿為三角形，本文中軸箱體拉桿座上容置銷軸和拉桿體連接部的凹槽形狀為“U”字型，如圖1所示。這種軸箱拉桿轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用三角形結(jié)構(gòu)件自身的特點(diǎn)，可為轉(zhuǎn)向架一系定位提供足夠的橫向定位剛度；在彈簧座上設(shè)置有圓柱體形狀的限位部件7，安裝過程中將一系懸掛彈簧套裝在限位部件上，限制了一系懸掛彈簧的徑向位移；本文介紹的軸箱體上還具有與軸承配合孔連通的軸承檢測(cè)裝置安裝孔5，技術(shù)人員可以通過孔5與監(jiān)測(cè)軸箱軸承的狀態(tài)。

2 軸箱體有限元分析

2.1 計(jì)算載荷、有限元模型及邊界條件

為了從理論上論證軸箱體的強(qiáng)度是否滿足要求，本文分析了軸箱體在機(jī)車車輛各種運(yùn)行工況下的受力狀態(tài)，利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬加載、運(yùn)算，完成對(duì)軸箱體靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的評(píng)估。

1）靜強(qiáng)度評(píng)估時(shí)單個(gè)軸箱體上的載荷［3］。

在超常載荷作用下，取安全系數(shù) S=1［4］，依據(jù)UIC615-4為載荷標(biāo)準(zhǔn)，分兩種工況計(jì)算，超常載荷結(jié)果如表1。

表1 超常載荷結(jié)果

2）疲勞強(qiáng)度評(píng)估時(shí)單個(gè)軸箱體上載荷［3］。

在運(yùn)用載荷作用下，取安全系數(shù)S=1.3［4］，疲勞強(qiáng)度載荷結(jié)果如表2。

表2 疲勞強(qiáng)度載荷結(jié)果

3）軸箱體有限元模型及邊界條件。

在本次仿真分析中，根據(jù)本軸箱體安裝使用的特點(diǎn)，在軸箱體的一系簧安裝座表面施加垂向彈簧支撐；一系簧限位座施加徑向彈簧支撐；拉桿座處施加徑向彈簧支撐；在軸箱軸承安裝孔內(nèi)以軸承載荷的形式施加垂向載荷和縱向載荷；在軸承安裝孔側(cè)面施加橫向載荷。軸箱體有限元模型采用四面體進(jìn)行修復(fù)網(wǎng)格劃分，共有790385個(gè)網(wǎng)格單元、1213667個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體如圖2所示。

圖2 軸箱體有限元網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

1）軸箱體的靜強(qiáng)度評(píng)估。

通過ANSYS Workbench計(jì)算軸箱體的Von-Mises應(yīng)力，在超常載荷作用下，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，軸箱體所受最大Von-Mises應(yīng)力為362.2 MPa，位于三角拉桿座的凹槽上部，該應(yīng)力小于軸箱體材料的許用應(yīng)力［σp］=415 MPa，因此該軸箱體的靜強(qiáng)度滿足要求。

圖3 軸箱體應(yīng)力計(jì)算云圖

2）軸箱體疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

計(jì)算軸箱體在疲勞交變載荷作用下的Von-Mises應(yīng)力分布。將各個(gè)點(diǎn)的平均應(yīng)力σm和最大應(yīng)力、最小應(yīng)力輸入材料的Goodman疲勞曲線圖（見圖4），可見該軸箱體的動(dòng)應(yīng)力范圍均在材料的Goodman疲勞曲線界限之內(nèi)，因此軸箱體的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

圖4 疲勞強(qiáng)度極限圖

3 結(jié)語(yǔ)

1）軸箱體壁厚均勻且為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鑄造及加工工藝性好；設(shè)計(jì)有軸承實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸箱軸承的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)了三角拉桿座，可為轉(zhuǎn)向架一系定位提供足夠的橫向定位剛度，優(yōu)化了機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能。

2）軸箱體在超常載荷下產(chǎn)生的最大Von-Mises應(yīng)力為362.2 MPa，該應(yīng)力小于軸箱體材料的許用應(yīng)力［σp］=415 MPa，軸箱體在疲勞交變載荷作用下各個(gè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力均在材料的Goodman疲勞曲線界限之內(nèi)，因此軸箱體的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

［1］ 項(xiàng)彬，史建平，郭靈彥，等.鐵路常用材料Goodman疲勞極限圖的繪制與應(yīng)用［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23（4）：72-76.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2942-1999鐵道用鑄鋼件采購(gòu)與驗(yàn)收技術(shù)條件［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［3］ 國(guó)際鐵路聯(lián)盟.UIC615－4：1995動(dòng)力元件-轉(zhuǎn)向架和走行部-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［4］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.200km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定［S］.北京：鐵道部科技教育司，2001.