地铁车辆轴箱体的强度分析及模拟方式

摘要：轴箱体结构形式多样，强度校核分析尚无专门标准。参考标准BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》，对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核分析，并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。

关键词：轴箱体；强度分析；有限元计算；模拟方式

轴箱是连接轮对与构架的活动关节，传递轮对与构架间的作用力，是机车车辆转向架的重要承载部件。轴箱体是轴箱的骨架，两端设有一系弹簧座。内外端盖以螺栓预紧安装在其两侧，轴承以间隙配合的方式安装于其内部。本文参考BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准，对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核，并对约束及载荷的施加模拟方式进行探讨。

一、轴箱体结构形式及受力分析

本文探讨的某型地铁车辆设计的轴箱无轴箱拉杆，其一系簧采用橡胶弹簧，橡胶弹簧的芯轴由螺栓预紧安装在轴箱体簧座上。轴箱体在工作中承受的载荷为两组橡胶弹簧的垂向、横向和纵向载荷，其所受的约束为轴承对其的轴向约束和径向约束。

二、轴箱体有限元计算模型

虽然是对轴箱体进行强度校核仿真分析，但考虑到一系簧芯轴刚度、端盖刚度、及螺栓预紧力对轴箱体局部计算结果的影响，故把上述同属一系悬挂装置的部件全部建立在有限元计算模型中，部件之间采用接触单元和螺栓预紧连接。有限元计算模型采用实体建模，利用CAD软件建立三维实体模型，然后导入ANSYS有限元分析软件，采用SOLID187四面体单元对实体模型进行离散，经过处理生成计算模型。

三、轴箱体计算载荷及计算工况

（一）计算载荷参考BSEN13749：2011《铁路应用.转向架结构要求的规定方法》标准，结合轴箱体实际工作情况，确定如表1所示计算载荷。式中，MV4为整车质量（AW4）；mt为簧下质量；nb为转向架数量；na为每转向架的轮对数量；（4）附加的制动载荷及（5）附加的牵引载荷计算公式中的1.3为超常载荷工况下的制动或牵引载荷系数，1.1为运营载荷工况下的制动或牵引载荷系数；Fbe为紧急制动时每转向架受到的最大制动力；Fs为起动牵引时每转向架的牵引力；Cps，z为一系橡胶弹簧垂向刚度；Sg1为10‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移；Sg2为5‰轨道扭曲对一系弹簧形成的垂向位移。其中纵向载荷是指由簧下质量引起的惯性冲击力。由于地铁车辆频繁起动与制动，故从使结果偏于安全的角度出发，持续牵引力按起动牵引力取值，常规制动力按最大制动力取值。（二）计算工况参考UIC615-4及BSEN13749：2011标准，结合实际运行情况，对轴箱体所受载荷进行组合为以下计算工况。1.超常载荷计算工况2.模拟运营载荷计算工况

四、约束及载荷的施加模拟方式

由于轴箱体承受的弹簧传递的载荷和轴承传递的载荷是一组平衡力；并且两端橡胶弹簧和轴箱体中心距相同，因此，作如下简化约束及载荷施加模拟：（1）约束：在一系簧芯轴顶端面施加垂、横、纵三向固定约束.（2）径向载荷：轴上的垂向载荷（Z向）、纵向载荷（X向）均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上；附加载荷中的牵引载荷、制动载荷为X向载荷，扭曲载荷为Z向载荷，同样均以轴承载荷形式施加在轴承安装圆柱面上.（3）轴向载荷：轴上的正向横向载荷施加在轴箱内端盖的轴承止挡面上，如图2.8所示；负向横向载荷施加在轴箱外端盖的轴承止挡面上，如图5所示；（4）螺栓采用BEAM188单元模拟，并施加相应等级螺栓的预紧力。

五、计算结果及分析

在超常载荷工况评价中采用第四强度理论导出的等效应力eσ（又称VonMises应力）来评价，此等效应力不得超过相应计算工况的许用应力。通过对超常载荷工况计算后，各工况下轴箱体的最大应力均小于材料的许用应力，满足静强度要求。其中第7工况应力最大，其VonMises应力云图如图7所示。轴箱体疲劳强度考核采用Goodman疲劳极限图，当轴箱体在各工况下的最小应力和最大应力均位于疲劳极限图内，则疲劳强度满足要求。疲劳极限图参考UIC615-4：2003及ERRIB12/RP17钢材疲劳极限图的绘制方法。参考文献，HV<400钢材的疲劳极限σ-1一般为拉伸极限强度的一半，同时取安全系数为1.5。可得如图8所示B+级钢的Goodman疲劳极限图。对表3中定义的疲劳工况的计算结果进行处理，提取了轴箱体所有表面非中间节点的主应力及其方向余弦。利用ANSYSAPDL与Matlab联合编程，完成了各节点σmax、σmin、σm及σa的计算。图8给出了轴箱体在疲劳工况载荷作用下的Goodman图疲劳强度评定情况。可见，所有节点的应力最大值和最小值均在材料Goodman疲劳极限图的包络范围内，满足疲劳强度校核要求。

六、结语

轴箱体根据机车车辆转向架设计要求，结构形式多样，强度校核分析尚无专门标准，需要参考借鉴转向架构架的相关标准。参考BSEN13749：2011标准，对某型地铁车辆轴箱体进行强度校核分析，验证了该轴箱体满足静强度和疲劳强度要求。在约束及载荷施加模拟方式上，考虑了螺栓预紧和接触分析，尝试了一些简化模拟措施，但轴箱工作环境相对构架更为复杂，如何能够更恰当的对其工作状态进行模拟，在后续研究中继续探讨。

参考文献：

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作者:郑长国 桂安富 芮斌 李瑜 单位:中车大连机车车辆有限公司