某型动车组齿轮箱悬挂C型支架有限元分析

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摘 要：为考察某型动车组C型支架强度是否满足使用要求，首先对其各工况下受力情况进行了分析，考虑了橡胶弹簧的影响。然后采用Hypermesh软件建立了C型支架的有限元模型，使用有限元软件ANSYS Workbench对其进行静强度分析。经分析，该C型支架在各工况下的Von-Misese应力均小于许用应力，满足使用要求。

关键词：动车组；齿轮箱悬挂C型支架；橡胶弹簧；静强度；疲劳强度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.193

0 引 言

目前新的高速动车组齿轮传动装置与转向架的连接装置多为C型支架结构形式[1，2]，根据其结构特点及安装位置，确定其主要受到齿轮箱传递来的垂向力，由于传动装置工作条件恶劣，而传统的齿轮箱吊座加吊杆结构的吊座处往往是转向架上最容易发生疲劳裂纹的地方。众所周知，列车运行过程中齿轮箱吊座发生断裂会使传动失效，甚至导致传动装置脱落至轨道上，严重威胁行车安全。C型支架作为新的关键件，其重要程度与传统的吊座吊杆结构相当，因此有必要对其进行强度分析。

1 载荷计算

C型支架能承受齿轮箱运转过程中出现的各种负荷，其中主要包括各工况下齿轮箱转矩力、齿轮箱惯性力及转矩振动。由于列车运行状况十分复杂，要精确测量振动载荷比较困难，本文主要考虑了齿轮箱惯性力及转矩力两部分。图1所示为齿轮箱传动装置结构图，设C支架对齿轮箱的支撑力为 F。根据文献[3]，将C支架载荷分为3个工况：起动（制动）工况、运行工况和超常工况， 由于电机工作时有正反转两种情况，C支架受载情况也会发生改变，此处设电机正转（顺时针转动）时C支架上部承受主要载荷，电机反转时C支架下部受主要载荷。

C型支架的支撑作用中心如图1所示。其中齿轮传动装置中心距L1=380mm，吊挂中心到车轴中心距离为L2=390mm，齿轮箱重心距车轴中心距离为L3=92mm。

根据C型支架上下两端的支反力，可求得C支架上下部载荷分担情况。

2 C型支架有限元分析

2.1 建立有限元模型

C型支架几何模型，C型支架材料为E级铸钢，弹性模量为1.85×105MPa，泊松比为0.3。为得到更好的有限元模型，采用Hypermesh软件进行网格划分，对模型中部分圆角及孔特征进行了简化处理。单元类型为Solid186，共离散为148218个单元，175797个节点，有限元模型。

2.2 边界条件

根据C型支架特点及受力状况， 在C型支架背面与构架连接处施加无摩擦约束， 四个圆孔处施加圆周约束，设置轴向及切向自由度为Free。三种工况根据表1的C支架受载情况分别进行载荷施加。

2.3 计算结果

通过软件计算，得出各工况下的最大应力值。图3所示为超常工况下电机正转时的Von-Misese应力图及最大位移图。

3 结论

C型支架材料为E级铸钢， 强度极限σb=830 MPa，屈服极限σs=690MPa，疲劳极限σ-1=313MPa。

起动（制动）工况及運行工况下， 由材料屈服强度来校核，取安全系数为1.5，则C型支架许用应力为460MPa； 超常工况下， 根据材料强度极限来校核，此时取C型支架许用应力为553MPa[4]。比较可知， 最大 Von-Misese应力均小于许用应力，C型支架满足静强度要求。

参考文献：

[1]王文静，金新灿，韩同样.动车组转向架[M].北京：北京交通大学出版社，2012.

[2]M.Holzapfel等（德）.350km/h大功率齿轮传动装置—轮对齿轮传动装置的最新发展趋势[J].交流技术与电机牵引，2006（03）：52-55.

[3]吴云文，顾力强，周俊龙.上海地铁列车动力车齿轮箱吊座力学建模与研究[J].地下工程与隧道，2003（03）：35-38.

[4]行太卫，李晓春，朱向阳.SS4改型机车电机悬挂吊杆的有限元分析[J].电力机车与城轨车辆，2006，29（03）：78-79.

[5]吴成攀，孟永帅，李枫.高速动车组用C型支架的结构设计[J].机车车辆工艺，2012（01）：7-8.

[6]刘光伟，王立华，刘栋玉，万鹏程.动力稳定车金属橡胶弹簧非线性动刚度特性研究[J].机械与电子，2011（02）：38-40.

[7]任茂文，周长峰.采用ANSYS的橡胶弹簧的有限元建模与仿真[J].现代制造工程，2008（05）：59-62.

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