孫 濤，吳正雨

(北京南口軌道交通機(jī)械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

250 km高速動(dòng)車(chē)組齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫 濤，吳正雨

(北京南口軌道交通機(jī)械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

高速動(dòng)車(chē)齒輪箱的懸掛結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)裝置的重要承載部件，其不但能承受齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)箱體的反作用力，還能承受動(dòng)車(chē)高速運(yùn)行時(shí)各方向的振動(dòng)沖擊；因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，并且滿足結(jié)構(gòu)的減重要求。本文根據(jù)齒輪箱承載方式及相關(guān)接口尺寸，利用三維設(shè)計(jì)軟件及有限元分析軟件，對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次優(yōu)化與強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)果表明，最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高了23%，質(zhì)量減小了12%。對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好。

C型支架；輕量化；有限元；應(yīng)力測(cè)試

目前，我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組的驅(qū)動(dòng)齒輪箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的連接方式大多采用C型支架結(jié)構(gòu)。該C型支架一邊固定在構(gòu)架上，另一邊通過(guò)上、下2個(gè)疊層橡膠彈簧與齒輪箱連接。相對(duì)于機(jī)車(chē)和地鐵常用的吊桿結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，C型支架結(jié)構(gòu)的受力方式在一定程度上得到了分散，具有更高的可靠性。C型支架是懸掛系統(tǒng)中最重要的承載結(jié)構(gòu)，它承受著由轉(zhuǎn)矩傳遞所產(chǎn)生的全部反作用力，因此要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；但隨著列車(chē)速度的不斷提高，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要要求[1]。

本文采用有限元分析軟件，對(duì)C型支架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析計(jì)算。通過(guò)多次優(yōu)化，得到一個(gè)比較合理的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 C型支架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

根據(jù)C型支架安裝接口(見(jiàn)圖1)，齒輪箱、橡膠彈簧邊界尺寸以及齒輪箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的限位尺寸等條件，初步設(shè)計(jì)C型支架結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)主要從結(jié)構(gòu)安裝要求來(lái)考慮，根據(jù)鐵道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支架材料初步選擇鑄鋼材料，同時(shí)考慮鑄件的相關(guān)設(shè)計(jì)工藝等要求，初步設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)部分暫不考慮，支架的質(zhì)量為47.8 kg。

圖1 C型支架安裝接口圖

2 C型支架的強(qiáng)度計(jì)算

2.1 C型支架受力分析

2.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算載荷

電動(dòng)機(jī)最大工作轉(zhuǎn)矩為1 968 N·m，電動(dòng)機(jī)短路轉(zhuǎn)矩為9 840 N·m，齒輪傳動(dòng)比為3.44，中心距為380 mm，支架中心到車(chē)軸距離為390 mm。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)最大沖擊加速度為：垂向10 g，橫向5 g，縱向3 g。齒輪箱輸入端總質(zhì)量為63.5 kg。

2.1.2 受力分析

C型支架在工作情況下受力復(fù)雜，既承受齒輪箱傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)箱體的反作用力，又承受動(dòng)車(chē)高速運(yùn)行時(shí)各方向的振動(dòng)沖擊。在進(jìn)行支架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，但要抓住問(wèn)題的主要因素，對(duì)計(jì)算影響較小的次要因素可暫不考慮(如結(jié)構(gòu)自重等)。

1)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩對(duì)C型支架的作用力分析。牽引電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)車(chē)軸旋轉(zhuǎn)，在齒輪副之間產(chǎn)生作用力，輸入軸小齒輪所受圓周力又作用到軸承座上，而這個(gè)力需C型支架的反作用力予以平衡。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不同時(shí)，C型支架分別為上部或下部受力。以車(chē)軸中心為支點(diǎn)，利用力矩平衡方程可得：

(1)

式中，F(xiàn)是C型支架對(duì)齒輪箱的支承力；L是支架中心到輸出軸的距離；Ft是圓周力；d1是主動(dòng)齒輪分度圓直徑；d2是從動(dòng)齒輪分度圓直徑。

(2)

式中，T是電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩；i是齒輪傳動(dòng)比。

2)C型支架承受齒輪箱因振動(dòng)沖擊引起的慣性力分析。輸入端總質(zhì)量約為63.5 kg，振動(dòng)引起的慣性力的計(jì)算是質(zhì)量乘以相應(yīng)的加速度。由于齒輪箱的約束條件和自身剛度以及橡膠塊的作用，支架承受箱體的橫向和縱向的慣性力相對(duì)于其他載荷很小，這里予以忽略。而由于齒輪箱可以繞車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入端垂向方向完全靠支架來(lái)支承，因此，垂向振動(dòng)作用力不能忽略。

C型支架靜強(qiáng)度的計(jì)算取支架受力最惡劣的載荷工況，即在電動(dòng)機(jī)發(fā)生短路，同時(shí)承受垂向振動(dòng)沖擊時(shí)支架受力最大。根據(jù)上述分析，C型支架承受作用力為118 kN。

2.2 C型支架的有限元計(jì)算

由于C型支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強(qiáng)度計(jì)算采用有限元方法，計(jì)算軟件用通用有限元分析軟件ANSYS。計(jì)算載荷為電動(dòng)機(jī)短路時(shí)支架承受作用力118 kN，作用點(diǎn)在支架與橡膠彈簧配合的工作面上。約束條件為在支架與構(gòu)架連接面施加位移約束。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 初步方案應(yīng)力(作用力向下)

從計(jì)算結(jié)果可知，支架各部的應(yīng)力分布不太均勻，局部應(yīng)力過(guò)大，最大應(yīng)力為375.85 MPa；因此應(yīng)對(duì)支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 C型支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是針對(duì)C型支架初步設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)應(yīng)力較大的部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)應(yīng)力較小的部位進(jìn)行去材等措施，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，力求結(jié)構(gòu)的輕量化。為了得到較好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次改進(jìn)設(shè)計(jì)與計(jì)算，最終確定的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為42 kg，最大應(yīng)力為287 MPa，相對(duì)于初始設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高了23%，質(zhì)量減小了12%。最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 作用力向下時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 作用力向上時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 C型支架的應(yīng)力測(cè)試

根據(jù)動(dòng)車(chē)齒輪箱設(shè)計(jì)規(guī)范要求以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性，對(duì)C型支架進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試設(shè)備選用靜態(tài)應(yīng)變采集設(shè)備，測(cè)試工裝采用專門(mén)設(shè)計(jì)的工裝。應(yīng)力采集點(diǎn)根據(jù)有限元結(jié)果選擇幾個(gè)應(yīng)力比較大的位置。加載用液壓千斤頂分別對(duì)支架的上、下端進(jìn)行加載，最大加載為短路轉(zhuǎn)矩及最大沖擊時(shí)支架承受的反作用力118 kN。應(yīng)力測(cè)試方案所規(guī)定的采集點(diǎn)如圖5所示，測(cè)試的工裝圖如圖6所示，應(yīng)變片貼片局部放大圖如圖7所示。

圖5 采集點(diǎn)

圖6 測(cè)試工裝

圖7 應(yīng)變片貼片局部放大圖

測(cè)試中對(duì)支架受向上和向下2種加載情況的應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1和表2；同時(shí)，表中列出了對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的有限元計(jì)算結(jié)果。從表中可知，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果接近。(實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置與模擬取點(diǎn)位置有出入，引起一定誤差)。

表1 向下加載時(shí)的應(yīng)力值

表2 向上加載時(shí)的應(yīng)力值

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)時(shí)速250 km動(dòng)車(chē)組用C型支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要介紹，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、有限元計(jì)算以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的測(cè)試。結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好，說(shuō)明采用的計(jì)算方法正確、合理。該方法可用于今后更高速度等級(jí)動(dòng)車(chē)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1] Holzapfel M，Bassmann T，韓才元. 牽引齒輪箱的最新發(fā)展趨勢(shì)——350km/h動(dòng)車(chē)的大功率牽引齒輪箱[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2006(4)：29-33.

責(zé)任編輯馬彤

StructureDesignof250kmHigh-speedEMUGearboxSuspendedDevice

SUN Tao, WU Zhengyu

(Technical Development Center, Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Beijing 102202, China)

The suspended device of high-speed EMU gearbox is the important load-bearing components of driving device, which can not only withstand the reaction of gearbox when the gear transmitting torque, but also can withstand the vibration and shock for each direction of the CRH train running at a high speed. So it should guarantee structure with enough strength and satisfy the requirement of the structure weight reduction when designing. According to the load mode of gearbox and the related interfaces size, optimized the suspended structure and calculated the strength many times with the 3D design software and the finite element analysis software, the results showed that comparing with the initial designed structure, the strength of final designed structure increased 23%, the weight decreased 12%. Meanwhile, did the stress tests for the actual structure，the calculation results were close to the test results.

C type bracket，lightweight，finite element，stress test

TH 131.9

：A

孫濤(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算等方面的研究。

2014-09-15