時速160公里客運架懸轉向架電機懸掛長吊臂及連接座結構優化分析

李建國

摘 要： 重點介紹了轉向架電機懸掛長吊臂及連接座結構，不同工況的分析結果，結構優化的過程及優化后的分析結果。

關鍵詞： 轉向架;長吊臂;連接座;結構優化;分析

1 概述

時速160公里機車轉向架為公司新設計轉向架，電機懸掛方式為：3個橡膠關節與構架形成彈性聯接，同時設計采用鋁合金承載式齒輪箱。作為電機懸掛的重要部分，長吊臂一端與電機通過螺栓聯接，一端為橡膠關節與構架相連，另外長吊臂上還設有與齒輪箱的連接座，傳遞機車運行中齒輪箱所產生的力。長吊臂及連接座屬于重要受力結構，受力情況復雜，設計階段需要對其結構強度進行分析優化。

2 分析前期的相關說明

2.1 分析軟件與相關資料

本次分析采用Ansys Workbench14.0，工況參考了《驅動單元齒輪箱強度計算加載規范》 （2015.05.12，以下簡稱《加載規范》），電機相關參數參考《4400HP客運車配套CDJD113C牽引電機機械參數，20141205》。

材料方面：1，齒輪箱為鋁合金材質;2，長吊臂和連接座為鑄鋼結構，擬采用B級鋼，屈服為260MPa，抗拉485MPa。

2.2 分析工況說明

本次分析工況主要參考了《加載規范》，包括規范超常載荷工況和常用載荷工況，在此基礎上增加了運用超常載荷工況，具體為：整個裝置在承受垂向5 g、橫向3 g和縱向3 g的慣性力沖擊的同時還承受了驅動系統持續扭矩作用所產生的力。上述3個工況的評價標準分別為屈服極限、GoodMan圖、許用應力。其中許用應力=屈服極限/1.5=173MPa。

2.3 分析模型簡化及邊界條件說明

根據分析工況，對模型進行簡化，對長吊臂強度分析無影響的結構，采用質量點代替，例如主從動齒輪，從動齒輪軸承等，最后僅針對主要分析對象（長吊臂和連接座）采用10mm的四面體劃分網格，得到有限元分析模型。

分析模型的邊界條件也進行了相關設置，坐標系參考《加載規范》中的設定，3個橡膠關節在沿x軸，y軸，z軸三個方向上設置一定的剛度，同時釋放繞x軸，y軸，z軸的三個旋轉自由度。分析中載荷的加載按《加載規范》中的設定。

3 結構優化

為更好的了解原結構在受力工況下的應力分布情況，首先選取一種工況對原結構進行仿真分析，找出原結構中相對應力偏大區域，針對這些區域進行結構優化，然后仍采用相同工況對優化后的結構進行分析，驗證優化的效果。

3.1 原方案分析

采用《加載規范》“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對原方案進行了分析，分析結果為長吊臂最大應力為347.58MPa，在減重孔和連接座接口附近筋板處有應力集中情況，連接座最大應力為361.73MPa，過渡筋板處應力普遍偏大，兩個零件上有多處已經超過材料的屈服極限，結構需要進行優化調整。

3.2結構優化分析

根據以上的分析結果，在保證外部接口不變的條件下，對長吊臂及連接座結構作了相應的優化調整，整體結構的調整。

其中長吊臂局部結構共進行了三部分的調整：

1，強化調整連接座接口附近結構，提高該處結構強度，同時也兼顧了工藝方面的考慮。

2，在大圓弧處設置減重孔，在保證結構強度的前提下，適當的進行減重設計。

3，優化原結構減重孔附近結構，加強該部分抗扭能力。

4，長吊臂與齒輪箱連接座的具體結構也作了適當調整，拉開定位孔z方向上的間距，采用大圓弧連接過渡，以達到降低應力的目的。

3.3 優化方案分析

同樣采用《加載規范》“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對優化方案進行了分析，分析結果是長吊臂最大應力為205.87MPa，連接座最大應力為241.49MPa，比原方案有明顯的降低。長吊臂最大應力變化率為40.77%，連接座最大應力變化率為33.24%。

除了最大應力有明顯的降低外，優化方案整體結構的應力分布更加均勻，過渡更為平滑，在新增加的減重孔附近未有明顯的應力集中情況，兩個零件的總重由原來的126.20kg減少到122.99kg，降低了2.54%，另外結合制造工藝方面的考慮，優化方案是切實可行的。

4 工況分析

針對上述的優化方案，根據2.2節中的工況進行長吊臂和連接座的結構強度分析。

4.1 超常載荷工況

4.1.1 規范超常載荷工況

根據《加載規范》4.1節中表5的描述，共8組工況進行仿真分析，具體的分析結果顯示長吊臂和連接座上的最大應力分別為227.52 MPa和249.49 MPa，低于材料的屈服極限，滿足結構強度的要求。

4.1.2 運用超常載荷工況

具體工況如下表所示，具體的加載位置參考《加載規范》中的設定。

運用超常載荷工況列表

分析結果顯示，長吊臂和連接座上的最大應力分別為124.94MPa和130.35MPa，低于材料的許用應力（173MPa），滿足結構強度的要求。

4.2 常用載荷工況

根據《加載規范》4.1節中表10的描述，共8組工況進行仿真分析，然后利用抗拉≥370N/mm2的鋼的Goodman圖進行疲勞強度評價。

分析對象上的所有節點都在范圍內，長吊臂和連接座的疲勞強度滿足要求。

5總結

本次分析在原結構仿真計算的基礎上提出了優化方案，并針對優化方案進行了超常載荷及常用載荷工況仿真分析，分析結果表明：

1，超常載荷工況下，整個結構分析結果符合評判標準要求，長吊臂及連接座滿足結構強度要求。

2，常用載荷工況下，運用Goodman圖進行疲勞強度分析，結果表明長吊臂及連接座滿足疲勞強度要求。

所以通過仿真分析，長吊臂及連接座的結構滿足強度要求。