動車組齒輪箱吊桿有限元分析及試驗驗證

孟永帥+王起梁+宮峰+馬玉強+張再利

摘要：以某動車組齒輪箱吊桿為研究對象，依據ASME V&V標準對建立的吊桿有限元模型進行網格精度校核，并在此基礎上對吊桿在極限載荷下的靜強度進行計算分析。通過分析結果與試驗結果的對比，驗證齒輪箱吊桿有限元模型的可靠性。

關鍵詞：動車組；齒輪箱；吊桿；套筒；校核；靜強度；ASME V&V；有限元

中圖分類號：U260.332 文獻標志碼：B

0引言

齒輪箱吊桿是動車組轉向架傳動系統的關鍵零部件，其結構的合理性直接影響整個傳動系統工作的可靠性，因此，在齒輪箱吊桿設計階段，需要對其結構強度進行校核。

近年來，隨著計算機技術和有限元軟件的飛速發展，計算機仿真技術在設計過程中得到越來越多的應用，產品開發周期大大縮短。由于齒輪箱吊桿的實際結構復雜，連接邊界條件多樣，若結構簡化或連接處理不當則會影響有限元分析結果的準確性，因此有必要對其有限元分析模型及結果進行校核和驗證。

1齒輪箱吊桿結構

某動車組齒輪箱傳動系統主要包含齒輪箱吊桿總成、齒輪箱總成、聯軸節和接地裝置等，見圖1。吊桿總成是傳動系統的主要部件，由吊桿體、套筒、橡膠塊、橡膠墊、帶槽螺母、墊片等零件組成，見圖2。吊桿一端與轉向架構架連接，另一端與齒輪箱吊掛座連接。電機載荷通過聯軸節傳遞到齒輪箱上，經由齒輪傳遞到車輪上，從而驅動動車組列車前進。

2齒輪箱吊桿有限元模型建立

齒輪箱受力分析見圖3。由分析可知，齒輪箱吊桿受力為二力桿結構。假如小齒輪端由電機轉動施加扭矩M_d，那么由大、小齒輪的嚙合關系可知，大齒端扭矩為M_di（i為齒輪箱大小齒輪傳動比）。

由力矩平衡方程可得吊桿受到的載荷為

根據齒輪箱受力分析，當輸入扭矩方向不同時，齒輪箱吊桿分別承受拉載荷和壓載荷。齒輪箱吊桿簡圖見圖4。在工作中，吊桿體只承受拉載荷，而套筒只承受壓載荷，因此在進行吊桿強度有限元計算時，需要對吊桿體和套筒分別進行計算。

在Pro/E中對吊桿三維模型進行簡化，將簡化后的模型通過Step中間格式導人到有限元軟件中，采用六面體單元對吊桿模型進行網格劃分，分別建立吊桿在拉載荷和壓載荷下的有限元分析模型，見圖5。

吊桿材料為45號鋼，密度為7 800 kg/m³，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。根據吊桿的受力狀況，在吊桿分析模型一端施加全約束條件，在另一端施加受力載荷。

3齒輪箱吊桿有限元模型校核

有限元計算模型建立后，需要對模型進行校核，只有通過校核的模型，才能用于后續的預測分析。

為校核模型網格精度是否滿足要求，即排除網格大小對有限元計算結果的影響，依據ASME V&V標準對模型進行校核。在建立的吊桿拉、壓計算模型中分別施加10 kN的軸向拉、壓載荷，并選取圖6中的位置節點作為校核對象。endprint