史業(yè)釗，高耀東

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

牽引拉桿裝配是在軌道車輛轉(zhuǎn)向架上安裝的牽引裝置，能有效提高機(jī)車和轉(zhuǎn)向架之間牽引力和制動(dòng)力的傳遞效率。拉桿裝配大部分使用橡膠關(guān)節(jié)耦合在一起，能有效減小牽引拉桿與構(gòu)架或車體連接部位帶來(lái)的剛性沖擊力，增強(qiáng)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性[1]，保證其運(yùn)動(dòng)的自由度。為機(jī)車縱向牽引力和制動(dòng)力提供足夠的傳遞力，在牽引拉桿裝配保證縱向剛度的同時(shí)，車體與轉(zhuǎn)向架連接的垂向、橫向及搖枕約束自由度要盡量釋放出來(lái)，從而來(lái)降低因振動(dòng)等因素引起的共振[2]。因此桿體強(qiáng)度的校核十分必要，利用FEA分析技術(shù)對(duì)桿體極限拉壓工況進(jìn)行模擬，根據(jù)分析數(shù)據(jù)，判斷桿體結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)要求。

1 牽引拉桿裝配作用及組成

牽引拉桿裝配是軌道車輛上連接箱體與轉(zhuǎn)向架的重要部件之一，主要為車體與轉(zhuǎn)向架提供牽引力、制動(dòng)力，同時(shí)緩沖機(jī)車行駛過(guò)程中因軌道不平和等其它客觀因素帶來(lái)的剛性沖擊[3]，提高車輛運(yùn)行的舒適性及安全性。由于機(jī)車牽引載荷一般都較大，牽引拉桿裝配不但承載能力及抗沖擊能力要強(qiáng)，而且在承載方向上的垂向承載能力要近可能的大。牽引桿體裝配在車體和轉(zhuǎn)向架上起柔性連接作用，牽引橡膠關(guān)節(jié)在各方向（徑向、軸向、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)）的變形能力也要達(dá)到機(jī)車運(yùn)行要求[4]。

牽引拉桿裝配由牽引拉體與橡膠關(guān)節(jié)兩部分組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。橡膠關(guān)節(jié)和牽引拉桿通過(guò)過(guò)盈裝配壓裝在一起。其中橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)由外套、橡膠和芯軸構(gòu)成，外套和芯軸都是金屬材料加工制造，再通過(guò)特殊的硫化工藝[5]和橡膠黏結(jié)在一起。其三維模型（簡(jiǎn)化）如圖2所示。

圖1 牽引拉桿裝配二維圖

圖2 三維模型簡(jiǎn)化

牽引拉桿桿體一般用材料35CrMo圓鋼鍛造加工成毛坯段再機(jī)加工制造而成，是車體與轉(zhuǎn)向架之間傳遞縱向牽引力和制動(dòng)力的關(guān)鍵構(gòu)件。因?yàn)闂U體加工制造的時(shí)候是圓鋼經(jīng)過(guò)高溫、高壓鍛打制造而成，所以牽引拉桿桿體品質(zhì)大多受鍛造裂紋、氣孔等缺陷因素的影響[6]，因此對(duì)桿體強(qiáng)度的校核是非常有必要的。

圖3 牽引拉桿桿體示意圖

2 計(jì)算模型及計(jì)算數(shù)據(jù)

2.1 牽引拉桿裝配加載工況

在本分析中，固定拉桿一端球鉸芯軸，對(duì)另一端球鉸芯軸施加方向如圖4所示的載荷。邊界條件如圖4所示。

圖4 牽引拉桿裝配計(jì)算邊界條件示意圖

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

牽引拉桿裝配的金屬部分用C3D8R單元模擬其線彈特性[7]，橡膠部分使用C3D8H單元模擬其超彈特性。運(yùn)用ABAQUS軟件中的C3D4單元模擬桿體，C3D8R單元模擬球鉸芯軸和球鉸外套，C3D8H單元模擬球鉸的橡膠部分，如圖5所示。其中：桿體、球鉸芯軸、球鉸外套的網(wǎng)格數(shù)量分別為136 160、36 780和8726，橡膠部分網(wǎng)格數(shù)量為21 672，合計(jì)203 338個(gè)單元。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.3 單位系統(tǒng)

本結(jié)構(gòu)分析在ABAQUS軟件下進(jìn)行，本文及分析中所采用的單位系統(tǒng)為SI（mm），即mm、N、MPa，本文中文字及圖片中出現(xiàn)的數(shù)字，如未特別注明，均采用此單位系統(tǒng)。

2.4 材料參數(shù)（如表1、表2）

表1 橡膠材料的性能參數(shù)采用Mooney—Rivlin本構(gòu)模型進(jìn)行模擬

表2 金屬材料的性能參數(shù)

3 牽引拉桿裝配強(qiáng)度校核

牽引拉桿裝配計(jì)算工況如表3所示。

表3 牽引拉桿裝配計(jì)算工況

3.1 極限牽引載荷（95 kN）工況

極限牽引載荷95 kN工況時(shí)，牽引拉桿部件的應(yīng)力分布如圖6所示。吊桿桿體的最大應(yīng)力位于外圓弧到桿體過(guò)渡處[9]，最大應(yīng)力為38 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度835 MPa。

圖6 牽引拉桿極限拉伸工況（95 kN）下應(yīng)力云圖

3.2 3g沖擊載荷285 kN工況

在3g沖擊載荷285 kN時(shí)，牽引拉桿裝配桿體部件的應(yīng)力分布如圖7所示。吊桿桿體的最大應(yīng)力位于外圓弧到桿體過(guò)渡處，最大應(yīng)力為109 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度835 MPa。

圖7 牽引拉桿極限壓縮工況（285 kN）下應(yīng)力云圖

通過(guò)表4可以看出，牽引拉桿在各種工況下金屬部件安全系數(shù)都大于1.5，滿足相關(guān)強(qiáng)度要求[9]。

表4 牽引拉桿裝配靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1）牽引拉桿在極限牽引載荷95 kN時(shí)，其最大應(yīng)力為38 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度835 MPa；2）牽引拉桿在3g沖擊載荷285 kN時(shí)，其最大應(yīng)力為109 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度835 MPa，安全系數(shù)均在5倍以上。牽引拉桿裝配承載時(shí)的應(yīng)力，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，對(duì)吊桿臺(tái)階處進(jìn)行倒圓角處理，可有效降低應(yīng)力集中。利用有限元模擬技術(shù)對(duì)牽引拉桿裝配進(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品剛度特性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并提供相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變參考數(shù)據(jù)結(jié)果，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供幫助。