高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架萬(wàn)向軸防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉長(zhǎng)青，李本懷，滕萬(wàn)秀，陳秉智

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130062； 2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架萬(wàn)向軸防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉長(zhǎng)青1，李本懷1，滕萬(wàn)秀1，陳秉智2

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130062； 2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

根據(jù)萬(wàn)向軸防護(hù)結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，利用Hypermesh軟件建立了防護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元模型，借助PAM-CRASH和ANSYS軟件分別對(duì)其進(jìn)行了大變形分析和靜力分析. 建立兩種不同方案的萬(wàn)向軸防護(hù)結(jié)構(gòu)模型，使用大變形仿真分析軟件PAM-CRASH對(duì)兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了不同工況的動(dòng)態(tài)仿真，并基于動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果，使用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，根據(jù)防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估，驗(yàn)證了防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性.

防護(hù)結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；有限元

0 引言

隨著列車(chē)時(shí)速的不斷提升，車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題越來(lái)越突出，作為驅(qū)動(dòng)裝置之一的電機(jī)，其懸掛方式的不同對(duì)列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能的影響也越來(lái)越重要[1].牽引電機(jī)懸掛在車(chē)體的方式減小了轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,有利于提高整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能, 同時(shí)也提高了電機(jī)的可靠性和可維護(hù)性.常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)裝置懸掛的結(jié)構(gòu)形式有軸懸式、架懸式和體懸式.在高速動(dòng)車(chē)中最常用的是架懸式驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)[2- 3].萬(wàn)向軸驅(qū)動(dòng)裝置在內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組和高速電力機(jī)車(chē)和電動(dòng)車(chē)組上均有所應(yīng)用，是不可或缺的重要部件[4].CRH5型采用可伸縮十字萬(wàn)向軸聯(lián)軸器,萬(wàn)向軸作為5型車(chē)的動(dòng)力傳遞重要部件，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，冷揚(yáng)立等人研究了萬(wàn)向軸基本結(jié)構(gòu),對(duì)萬(wàn)向軸的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了理論計(jì)算[5], 張紅軍等人利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立包含傳動(dòng)系統(tǒng)的單節(jié)CRH5型動(dòng)車(chē)模型,討論了驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和惰行3種工況下萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,并對(duì)反作用桿桿端關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[6], 姚遠(yuǎn)等人對(duì)在萬(wàn)向軸波動(dòng)附加力矩作用下引起的傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行分析,并給出萬(wàn)向軸扭轉(zhuǎn)剛度合理的選用范圍[7].

在列車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有發(fā)生斷裂的可能性，為了避免萬(wàn)向軸斷裂造成其它危害，在萬(wàn)向軸附近安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)以進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù).本文采用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)計(jì)算相結(jié)合并通過(guò)不同的方案設(shè)計(jì)、不同工況對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)兩種方案得到的結(jié)果進(jìn)行分析以驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)是否可以保證行車(chē)安全.

1 理論基礎(chǔ)

Belytschko T最早采用殼單元與顯式中心差分算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛的碰撞過(guò)程仿真[8],目前的顯式動(dòng)力分析方法廣泛采用時(shí)間域離散的中心差分方法和空間域離散的有限元法相結(jié)合.

在碰撞沖擊計(jì)算過(guò)程中，結(jié)構(gòu)就運(yùn)動(dòng)和變形兩方面必須要滿足質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒方程和邊界條件的約束.

動(dòng)量方程：

(1)

質(zhì)量守恒方程：

(2)

式中,γ為相對(duì)體積；ρ為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρ0為初始質(zhì)量密度.

能量方程：

(3)

2 多方案防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)方案一防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

方案一中防護(hù)結(jié)構(gòu)主體由管件連接而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)四個(gè)吊掛點(diǎn)固定在車(chē)底，防護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為 30X3-09CuPCrNi-A，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 防護(hù)結(jié)構(gòu)主體材料參數(shù)

本次計(jì)算采用雙線性本構(gòu)模型，圖1為材料本構(gòu)模型應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，先進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，再進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，動(dòng)態(tài)沖擊力峰值作為靜態(tài)分析參考數(shù)據(jù).防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如下圖2所示：

圖1 計(jì)算用材料本構(gòu)關(guān)系

圖2 防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

實(shí)際情況中為萬(wàn)向軸齒輪箱端和電機(jī)端均有折斷可能，萬(wàn)向軸斷裂后一方面落向防護(hù)結(jié)構(gòu)，此外自身還帶有一定轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn).約束軸的未折斷端的三向平動(dòng)自由度，放開(kāi)三向轉(zhuǎn)動(dòng)，將萬(wàn)向軸視為車(chē)下附屬設(shè)備，載荷參考?xì)W洲EN12663標(biāo)準(zhǔn)[9].計(jì)算工況見(jiàn)表2.

表2 計(jì)算工況說(shuō)明

2.1.1 動(dòng)態(tài)計(jì)算

圖3和圖4分別給出了工況A1 、A2下萬(wàn)向軸和防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊力曲線.由于萬(wàn)向軸軸向與防護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在一定偏轉(zhuǎn)角度，斷裂后軸跌落對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多次沖擊，而且沖擊力度逐減，撞擊力曲線中出現(xiàn)了多次峰值，但是第一次沖擊峰值最為顯著，這也是提取第一次沖擊峰值后進(jìn)行二次靜態(tài)計(jì)算的原因.

(a)橫向撞擊力 (b)垂向撞擊力

圖3 A1工況萬(wàn)向軸和防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊力曲線圖

(a)橫向撞擊力 (b)垂向撞擊力

圖4 A2工況萬(wàn)向軸和防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊力曲線圖

三個(gè)方向中最?lèi)毫拥氖谴瓜驔_擊、橫向沖擊次之，由于在萬(wàn)向軸的工況設(shè)定為一端折斷，另一端仍然與主體結(jié)構(gòu)鉸接鏈接，相比橫向與垂向沖擊，縱向沖擊的影響是最小的.

提取防護(hù)結(jié)構(gòu)與萬(wàn)向軸第一次撞擊力的峰值，用于防護(hù)結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算.將工況A1和工況A2的撞擊力峰值統(tǒng)計(jì)如表3所示.

表3 萬(wàn)向軸與防護(hù)結(jié)構(gòu)第一次碰撞撞擊力峰值

2.1.2 靜態(tài)計(jì)算

工況B1：齒輪箱端斷裂垂向撞擊;

工況B2：齒輪箱端斷裂橫向撞擊;

工況B3：電機(jī)端斷裂垂向撞擊;

工況B4：電機(jī)端斷裂橫向撞擊.

將各個(gè)工況靜力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示.

表4 各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下

2.2 設(shè)計(jì)方案二防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

新方案結(jié)構(gòu)較前述方案改動(dòng)較大：防護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中使用了鋁合金板材，T型截面彎梁所用材料為6082-T6.表5給出了材料的力學(xué)參數(shù),圖5為新結(jié)構(gòu)的有限元模型.

表5 防護(hù)結(jié)構(gòu)主體材料6082-T6參數(shù)

圖5 防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2.1 動(dòng)態(tài)計(jì)算

方案二計(jì)算工況同方案一.工況A1、 A2中萬(wàn)向軸與防護(hù)結(jié)構(gòu)齒輪箱端的撞擊力曲線分別見(jiàn)圖6、圖7.

根據(jù)撞擊力曲線圖，方案二結(jié)構(gòu)在工況A1和工況A2中撞擊力峰值統(tǒng)計(jì)如表6所示.

(a)橫向撞擊力

(b)垂向撞擊力

(a)橫向撞擊力

(b)垂向撞擊力

工況垂向撞擊力/kN橫向撞擊力/kNA17.080.73A24.20.49

2.2.2 靜態(tài)計(jì)算

四種計(jì)算工況同方案一，表7給出了個(gè)各工況的計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)判斷.

表7 靜力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)兩個(gè)方案設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)向架萬(wàn)向軸防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了分析.

(1)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明：方案一的防護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度較大，橫向與垂向沖擊力值明顯大于方案二的防護(hù)結(jié)構(gòu);

(2)靜態(tài)分析結(jié)果表明：四種加載工況下，方案一結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平均高于方案二，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值均超過(guò)材料屈服極限，對(duì)于方案二結(jié)構(gòu)，部分工況下，結(jié)構(gòu)小部分會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，防護(hù)結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)仍在安全范圍以內(nèi)，不至發(fā)生斷裂.

通過(guò)兩種方案的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，方案二的防護(hù)結(jié)構(gòu)安全性更高一些.推薦采用方案二作為防護(hù)結(jié)構(gòu)的最終方案,建議對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈簧懸掛形式, 以更好地吸收沖擊能量, 降低沖擊載荷.

[1]張紅軍,姚遠(yuǎn),羅赟,等.CRH5型動(dòng)車(chē)萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特征分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2009,31(2):115- 119.

[2]孫勇捷.高速動(dòng)車(chē)彈性架懸式驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)力學(xué)性能研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[3]王伯銘.高速動(dòng)車(chē)組總體及轉(zhuǎn)向架[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2008.

[4]陸冠東.萬(wàn)向軸驅(qū)動(dòng)和高速列車(chē)[J].鐵道車(chē)輛,2007(5):7- 9,45.

[5]冷揚(yáng)立,李秋澤,李慶國(guó),等.CRH5型動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)及臨界轉(zhuǎn)速分析[J].鐵道車(chē)輛,2010(12):6- 11.

[6]張紅軍,姚遠(yuǎn),羅赟,等.CRH5型動(dòng)車(chē)萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特征分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2009(2):115- 119.

[7]姚遠(yuǎn),張紅軍,羅赟,等.CRH5型動(dòng)車(chē)萬(wàn)向軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2009(2):82- 86.

[8]BELYTSCHKO T,WELCH R E,BRUCE R W.Finite element analysis of automotive structures under crash loadings[C].Proceedings of IIT Research Institute,Chicago,1975:37- 46.

[9]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).BS EN 12663-1:2010 鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求(第一部分：機(jī)車(chē)和客運(yùn)車(chē)輛)[S].英國(guó)：BSI，2010.

Strength Analysis on Protection Structure for Universal Shaft of High-Speed Emu Power Bogie

LIU Changqing1,LI Benhuai1,TENG Wanxiu1,CHEN Bingzhi2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062,China; 2.School of Traffic &Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

According to the three-dimensional entity model of the universal shaft protection frame, the finite element model is established by using Hypermesh. The dynamic and static analysis are conducted in PAM-CRASH and ANSYS software. Establishing two different schemes of shaft protection frame model and simulate two different working conditions, static analysis is carried out by ANSYS based on the results of dynamic simulation, evaluating according to the strength calculation results, protecting the safety of the frame strength is validated.

protection;strength;finite element

1673- 9590(2017)03- 0036- 04

2017- 02- 28

劉長(zhǎng)青(1975-)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事鐵路客車(chē)設(shè)計(jì)的研究E-mail:liuchangqing@cccar.com.cn.

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