王寒煜， 朱向陽， 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)簡單、安全可靠的軸箱體是車輛安全運行的保證。

軸箱體的作用是將輪對和構(gòu)架通過一系懸掛聯(lián)系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)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；通過軸箱附屬裝置來檢測車輛速度、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，并用UG軟件對軸箱體進(jìn)行了三維實體建模，利用ANSYS Workbench模塊對其進(jìn)行了有限元分析，得到了軸箱應(yīng)力分布云圖，用Goodman圖［1］校核了疲勞強度，研究結(jié)果為軸箱體的強度性能評定提供了依據(jù)。

1 軸箱體的設(shè)計

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級鋼［2］，其性能參數(shù)為：抗拉強度 σb≥620 MPa，屈服強度 σs≥415 MPa。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在軸箱體的設(shè)計過程中，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)簡單，利用三角形結(jié)構(gòu)件自身的特點，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裝置安裝孔5，技術(shù)人員可以通過孔5與監(jiān)測軸箱軸承的狀態(tài)。

2 軸箱體有限元分析

2.1 計算載荷、有限元模型及邊界條件

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

1）靜強度評估時單個軸箱體上的載荷［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)，分兩種工況計算，超常載荷結(jié)果如表1。

表1 超常載荷結(jié)果

2）疲勞強度評估時單個軸箱體上載荷［3］。

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

表2 疲勞強度載荷結(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，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個網(wǎng)格單元、1213667個節(jié)點，具體如圖2所示。

圖2 軸箱體有限元網(wǎng)格模型

2.2 計算結(jié)果

1）軸箱體的靜強度評估。

通過ANSYS Workbench計算軸箱體的Von-Mises應(yīng)力，在超常載荷作用下，計算結(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度滿足要求。

圖3 軸箱體應(yīng)力計算云圖

2）軸箱體疲勞強度評估。

計算軸箱體在疲勞交變載荷作用下的Von-Mises應(yīng)力分布。將各個點的平均應(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度滿足要求。

圖4 疲勞強度極限圖

3 結(jié)語

1）軸箱體壁厚均勻且為軸對稱結(jié)構(gòu)，鑄造及加工工藝性好；設(shè)計有軸承實時檢測裝置接口，可實現(xiàn)對軸箱軸承的實時狀態(tài)監(jiān)測；設(shè)計了三角拉桿座，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點的動應(yīng)力均在材料的Goodman疲勞曲線界限之內(nèi)，因此軸箱體的靜強度及疲勞強度均滿足要求。

［1］ 項彬，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］.中國鐵道科學(xué)，2002，23（4）：72-76.

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

［3］ 國際鐵路聯(lián)盟.UIC615－4：1995動力元件-轉(zhuǎn)向架和走行部-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度測試［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

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