姚風(fēng)龍，李冠霖，周春梅，高靖添

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

中央牽引銷是牽引裝置的一部分，通過(guò)螺栓與車體枕梁連接。在車輛運(yùn)行時(shí)，牽引銷起傳遞轉(zhuǎn)向架牽引力和制動(dòng)力的作用，在垂向不承擔(dān)支撐車體的任務(wù)。車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的回轉(zhuǎn)是通過(guò)中央牽引銷的扭轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1 所示。

圖1 中央牽引銷的位置

中央牽引銷作為轉(zhuǎn)向架的一部分，其靜態(tài)受力主要包括：橫向載荷、縱向沖擊載荷、起吊載荷。受力示意如圖2 所示。

圖2 實(shí)施靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)所施加的作用力

1 有限元離散模型

中央牽引銷為整體鑄造結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體單元（Solid92）建立有限元模型，共離散為75 081 個(gè)單元，132 375 個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元離散模型如圖3 所示。

圖3 中央牽引銷有限元模型

2 計(jì)算載荷與邊界條件

計(jì)算載荷和強(qiáng)度評(píng)估方法依據(jù)“UIC 615-4”標(biāo)準(zhǔn)［1］和“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)［2］進(jìn)行確定。

2.1 超常載荷

作用在中央牽引銷上的載荷分別為：

（1）縱向沖擊載荷

根據(jù)“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定5g沖擊加速度下，不允許產(chǎn)生任何失效，可以產(chǎn)生永久變形，因此動(dòng)車轉(zhuǎn)向架沖擊加速度取5g，中央牽引銷沖擊力為式（1）：

式中：m為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，7 800 kg。

（2）每個(gè)轉(zhuǎn)向架橫向載荷

每個(gè)轉(zhuǎn)向架橫向載荷為式（2）：

式中：Mv+C1（kg）為超員車輛總質(zhì)量；nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)目；ne為每個(gè)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)數(shù)量。取滿軸重17 t，nb=2，ne=2。

（3）起吊載荷

考慮轉(zhuǎn)向架垂向振動(dòng)加速度為2g產(chǎn)生的載荷為式（3）：

2.2 超常載荷組合工況

將縱向載荷和橫向超常載荷疊加，得到中央牽引銷上的超常載荷組合工況。

2.3 運(yùn)營(yíng)載荷

作用在中央牽引銷上的運(yùn)營(yíng)載荷有2 種，分別為：

（1）縱向載荷

牽引/制動(dòng)：當(dāng)全載（滿軸重）時(shí)車輛以其最大牽引力加速或減速及以緊急制動(dòng)率減速時(shí)施加在轉(zhuǎn)向架上的載荷為式（4）：

這里，以滿軸重17.0 t 計(jì)算，最大制動(dòng)減速度amax取1.4 m/s2，nb=2。

（2）橫向載荷

橫向載荷為式（5）：

2.4 運(yùn)營(yíng)載荷組合工況

將上述2 種運(yùn)營(yíng)載荷疊加，得到中央牽引銷上的運(yùn)營(yíng)載荷組合工況。

2.5 約束條件

在中央牽引銷安裝螺栓孔位置施加垂向約束，即Uz=0；在中央牽引銷中心圓孔區(qū)施加縱向和橫向約束，即Ux=Uy=0。載荷和約束施加位置如圖4 所示。

圖4 中央牽引銷載荷和約束施加位置圖

2.6 材料參數(shù)

轉(zhuǎn)向架中央牽引銷用材A4（BS3100）的機(jī)械性能及其用于靜、動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估的許用應(yīng)力，見(jiàn)表1。

表1 中央牽引銷用材的基本力學(xué)性能

3 中央牽引銷強(qiáng)度評(píng)估與應(yīng)力分析

中央牽引銷強(qiáng)度評(píng)估分為靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度評(píng)估2 種方法。

靜強(qiáng)度評(píng)估方法是在超常載荷5g加速度載荷作用下及各單獨(dú)載荷及組合載荷工況下，結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)力均應(yīng)小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法是在模擬運(yùn)營(yíng)載荷作用下，各工況交變載荷的組合所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值應(yīng)小于材料的許用疲勞極限，中央牽引銷需同時(shí)滿足靜強(qiáng)度要求與疲勞強(qiáng)度要求才能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 超常載荷下應(yīng)力計(jì)算分析

在中央牽引銷模型上施加超常載荷，計(jì)算各載荷及其組合工況下的中央牽引銷結(jié)構(gòu)應(yīng)力，Von-Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖5～圖8 所示，各單獨(dú)工況和組合工況下的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位見(jiàn)表2。在組合載荷作用下，中央牽引銷上在蓋板下部圓弧邊緣部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，應(yīng)力值為305.1 MPa，小于中央牽引銷用材A4（BS3100）的超常載荷屈服許用應(yīng)力320 MPa，因此該中央牽引銷的靜強(qiáng)度滿足要求。

圖5 超常載荷—縱向載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖6 超常載荷—橫向載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖7 超常載荷—起吊載荷：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖8 超常載荷—組合載荷：中央牽引銷整體動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

表2 超常載荷單獨(dú)及其組合工況下中央牽引銷的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位 單位：MPa

3.2 模擬運(yùn)營(yíng)載荷應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)模型上分別施加縱向載荷和橫向載荷，即可得到整個(gè)中央牽引銷的動(dòng)應(yīng)力幅值，如圖9～圖11 所示。各單獨(dú)工況和組合工況下的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位，見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，在運(yùn)營(yíng)載荷組合工況下，中央牽引銷上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在蓋板上部圓弧邊緣部位，幅值為52.4 MPa。該應(yīng)力值小于中央牽引銷用材A4（BS3100）的許用疲勞極限75 MPa，因此，中央牽引銷的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

表3 運(yùn)營(yíng)載荷單獨(dú)及其組合工況下中央牽引銷的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位 單位：MPa

圖9 運(yùn)營(yíng)載荷—縱向載荷工況：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

圖11 運(yùn)營(yíng)載荷—組合載荷工況：中央牽引銷整體動(dòng)應(yīng)力幅值云圖

無(wú)論在超常載荷下還是在模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況下，中央牽引銷與枕梁連接板的過(guò)渡圓弧位置均為傳遞牽引力的主要受力部位，容易在此圓弧處出現(xiàn)最大應(yīng)力與疲勞。

圖10 運(yùn)營(yíng)載荷—橫向載荷工況：中央牽引銷整體應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

中央牽引銷在超常載荷5g加速度載荷作用下及各單獨(dú)載荷及組合載荷工況下滿足靜強(qiáng)度計(jì)算要求，在模擬運(yùn)營(yíng)載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生位置為中央牽引銷與枕梁連接板的過(guò)渡圓弧位置，并且各工況交變載荷的組合作用下滿足疲勞強(qiáng)度要求。滿足“UIC 615-4”標(biāo)準(zhǔn)和“EN 13749”標(biāo)準(zhǔn)要求，表明此結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行下一步的裝車驗(yàn)證。