孫志明　李小燕　喻佳文　晉軍輝

【摘要】本文介紹了南非22E電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架電機(jī)懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)主要零部件進(jìn)行了說(shuō)明和有限元分析計(jì)算，介紹了電機(jī)防脫落裝置的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為電力機(jī)車電機(jī)懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】電力機(jī)車；電機(jī)懸掛；結(jié)構(gòu)；有限元分析

引言

南非22E電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架是中車株洲電力機(jī)車有限公司為南非鐵路提供的貨運(yùn)電力機(jī)車，該機(jī)車轉(zhuǎn)向架電機(jī)懸掛裝置與我公司其他機(jī)車轉(zhuǎn)向架的電機(jī)懸掛裝置有所不同，電機(jī)吊桿由構(gòu)架中間橫梁中間穿過(guò)通過(guò)吊桿銷懸掛于橫梁上，并且采用了新型的防脫落裝置。

1、電機(jī)懸掛裝置結(jié)構(gòu)

電機(jī)懸掛裝置主要由吊桿、支座、吊桿銷、襯套、防脫落裝置、墊板、關(guān)節(jié)軸承、橡膠墊等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)懸掛的結(jié)構(gòu)是將電機(jī)和支座通過(guò)橡膠墊、墊板彈性連接在電機(jī)吊桿上，電機(jī)吊桿穿過(guò)構(gòu)架中間橫梁通過(guò)吊桿銷等部件固定在橫梁上。

2、主要零部件

2.1支座。電機(jī)懸掛支座是電機(jī)懸掛吊桿與牽引電機(jī)的之間的連接件，它的強(qiáng)度關(guān)系電機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，它承受電機(jī)產(chǎn)生的各種沖擊。南非22E電機(jī)懸掛支座采用C級(jí)鋼鑄造而成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖2，在支座上新設(shè)計(jì)了排水孔，防止雨水長(zhǎng)時(shí)間積聚發(fā)生銹蝕，影響支座及其他部件的使用。

2.2吊桿。電機(jī)吊桿下端通過(guò)橡膠墊、墊板與支座相連，上下兩塊橡膠墊能夠有效緩沖車輛運(yùn)行時(shí)電機(jī)的垂向振動(dòng)沖擊。電機(jī)吊桿上端通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與吊桿銷配合安裝于構(gòu)架橫梁上，關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)使電機(jī)吊桿具有一定的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)自由度，以適應(yīng)電機(jī)的水平振動(dòng)沖擊。電機(jī)吊桿屬于對(duì)安全性有重要作用的結(jié)構(gòu)件，其質(zhì)量保證及使用壽命有嚴(yán)格的要求，吊桿采用高強(qiáng)度合金鋼鍛造，成品加工后應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其機(jī)械性能見(jiàn)表1。

吊桿熱處理后應(yīng)進(jìn)行硬度和機(jī)械性能檢測(cè)，硬度在同一產(chǎn)品上測(cè)量三點(diǎn)以上，要求在241HB～311HB的范圍之內(nèi)。熱處理后產(chǎn)生的彎曲、翹曲變形超出公差范圍時(shí)，應(yīng)由熱處理廠進(jìn)行矯正。在冷態(tài)或熱態(tài)下矯正后，鍛件應(yīng)進(jìn)行回火，以消除應(yīng)力，矯正或回火后的鍛件必須保證其機(jī)械性能的要求。

2.3吊桿銷及襯套。吊桿銷、襯套安裝在電機(jī)吊桿和構(gòu)架橫梁內(nèi)，用來(lái)傳遞電機(jī)吊掛載荷、承受電機(jī)與構(gòu)架之間的沖擊，同時(shí)吊桿銷與襯套之間還存在滾動(dòng)、滑動(dòng)摩擦。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中襯套二與構(gòu)架之間屬于間隙配合，襯套一與構(gòu)架之間屬于過(guò)盈配合。吊桿銷的基體采用高質(zhì)量合金鋼制造。襯套采用符合GB/T 699的45#鋼制造。吊桿銷調(diào)質(zhì)處理后外圓柱表面深度0.5mm處硬度為56HRC～62HRC，并進(jìn)行了具有抗銹蝕能力的熔涂層；襯套內(nèi)孔表面淬火后，內(nèi)孔深度0.8mm處硬度為45HRC～55HRC，表面進(jìn)行非晶態(tài)鎳磷合金化學(xué)鍍。吊桿銷的1/2半徑處的機(jī)械性能應(yīng)不低于表2給出的數(shù)值。

2.4防脫落裝置。全新設(shè)計(jì)的防脫落裝置具有很好的靈活性，尤其能適應(yīng)較小的空間布置，為轉(zhuǎn)向架的總體設(shè)計(jì)布局提供了極大的便利。結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖4。

新型防脫落裝置有兩塊防脫板，分別為凹字形的防脫板一和一字形的防脫板二。防脫板一的凹字形結(jié)構(gòu)可確保防脫板與構(gòu)架縱向配合緊密，起到縱向自鎖功能。且凹字形的結(jié)構(gòu)可以靈活適應(yīng)電機(jī)吊耳位置，能確保防脫板布置于電機(jī)吊耳的正下方。防脫板一和防脫板二之間通過(guò)斜面配合，安裝時(shí)先裝入防脫板一，后裝入防脫板二，并用小錘子輕敲防脫板二以確保斜面緊密配合。防脫板二上的螺栓孔為腰孔，防脫板二腰孔及斜面配合的結(jié)構(gòu)可以很好的適應(yīng)構(gòu)架焊接帶來(lái)的橫向尺寸公差，確保防脫落板與構(gòu)架橫向緊密配合，橫向位置固定。新型牽引電機(jī)防脫落裝置安裝與拆卸均在構(gòu)架橫梁一側(cè)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)不需要架車便可拆卸牽引電機(jī)的要求，安裝拆卸方便，維護(hù)成本低。

3、電機(jī)懸掛裝置強(qiáng)度分析

電機(jī)吊桿和電機(jī)支座是懸掛電機(jī)的關(guān)鍵受力部件，承受電機(jī)產(chǎn)生的垂向和水平振動(dòng)沖擊，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接關(guān)系轉(zhuǎn)向架的安全運(yùn)行。本文對(duì)電機(jī)懸掛裝置裝配結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行就有限元計(jì)算，并對(duì)電機(jī)吊桿和支座進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。

3.1工況分析。主要考慮以下三種工況見(jiàn)下表3。

3.2材料性能。電機(jī)支座采用C級(jí)鋼鑄造，根據(jù)TB/T 2942-1999《鐵道用鑄鋼件采購(gòu)與驗(yàn)收技術(shù)條件》，C級(jí)鋼的機(jī)械性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

電機(jī)吊桿采用高強(qiáng)度合金鋼鍛造，根據(jù)《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》，機(jī)械性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

3.3評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。工況1計(jì)算出的電機(jī)懸掛裝置的最大應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)材料的疲勞極限，工況2計(jì)算出的電機(jī)懸掛裝置最大應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)材料的屈服極限，工況3計(jì)算出的電機(jī)懸掛裝置最大應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)材料的強(qiáng)度極限。

3.4有限元分析計(jì)算。電機(jī)支座、電機(jī)吊桿、吊桿銷、襯套等均采用UG三維建模。電機(jī)懸掛裝置采用ANSYS有限元分析，并采用SOLID45、SOLID92進(jìn)行單元離散。金屬材料的楊氏模量2.09e5MPa，泊松比0.3，密度為7.89e-6kg/mm3。在吊桿銷與襯套接觸面、吊桿銷與關(guān)節(jié)軸承接觸面、以及關(guān)節(jié)軸承與吊桿內(nèi)孔接觸面分別建立接觸對(duì)單元。電機(jī)懸掛裝置中的橡膠墊采用ANSYS中的彈簧單元進(jìn)行模擬，通過(guò)設(shè)置彈簧單元的預(yù)壓縮狀態(tài)實(shí)現(xiàn)橡膠墊的實(shí)際的預(yù)壓縮量。3.4.1電機(jī)懸掛裝置邊界條件。加載時(shí)對(duì)電機(jī)支座與電機(jī)安裝面施加全約束，在構(gòu)架安裝座頂面施加節(jié)點(diǎn)力載荷，電機(jī)懸掛裝置邊界條件見(jiàn)圖5。3.4.2電機(jī)支座計(jì)算結(jié)果。電機(jī)支座計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，其在工況3下的Von-Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。

3.4.3電機(jī)吊桿計(jì)算結(jié)果。電機(jī)吊桿計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，其在工況3下的Von-Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

3.4.4電機(jī)懸掛裝置強(qiáng)度計(jì)算結(jié)論。根據(jù)上述強(qiáng)度計(jì)算評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)支座、電機(jī)吊桿在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，且設(shè)計(jì)安全裕量充足。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)南非22E電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架電機(jī)懸掛裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并闡述了帶有創(chuàng)新性的防脫落裝置；通過(guò)有限元分析計(jì)算電機(jī)懸掛裝置的強(qiáng)度在三種工況下均滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒文輝，陳喜紅，李冠軍，等.南非窄軌貨運(yùn)電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的研制[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2015（1）.

[2]張又孔，鄒文輝，李冠軍，等.南非窄軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2015（3）.

[3]李冠軍，沈龍江，喻佳文，等.一種機(jī)車牽引電機(jī)防脫落裝置[P].中國(guó)發(fā)明專利.B61C9/50（2006.01）Ⅰ.2016-03-02.