250 km高速動車組齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫 濤，吳正雨

(北京南口軌道交通機械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

250 km高速動車組齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫 濤，吳正雨

(北京南口軌道交通機械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

高速動車齒輪箱的懸掛結(jié)構(gòu)是驅(qū)動裝置的重要承載部件，其不但能承受齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時箱體的反作用力，還能承受動車高速運行時各方向的振動沖擊；因此，在設(shè)計時應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，并且滿足結(jié)構(gòu)的減重要求。本文根據(jù)齒輪箱承載方式及相關(guān)接口尺寸，利用三維設(shè)計軟件及有限元分析軟件，對懸掛結(jié)構(gòu)進行多次優(yōu)化與強度計算。結(jié)果表明，最終設(shè)計結(jié)構(gòu)較初始設(shè)計結(jié)構(gòu)強度提高了23%，質(zhì)量減小了12%。對實際結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力測試，計算結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好。

C型支架；輕量化；有限元；應(yīng)力測試

目前，我國高速動車組的驅(qū)動齒輪箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的連接方式大多采用C型支架結(jié)構(gòu)。該C型支架一邊固定在構(gòu)架上，另一邊通過上、下2個疊層橡膠彈簧與齒輪箱連接。相對于機車和地鐵常用的吊桿結(jié)構(gòu)來說，C型支架結(jié)構(gòu)的受力方式在一定程度上得到了分散，具有更高的可靠性。C型支架是懸掛系統(tǒng)中最重要的承載結(jié)構(gòu)，它承受著由轉(zhuǎn)矩傳遞所產(chǎn)生的全部反作用力，因此要求有足夠的機械強度；但隨著列車速度的不斷提高，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計也是一個重要要求[1]。

本文采用有限元分析軟件，對C型支架的強度和剛度進行了分析計算。通過多次優(yōu)化，得到一個比較合理的結(jié)構(gòu)，并通過實際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試對設(shè)計進行了驗證。

1 C型支架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

根據(jù)C型支架安裝接口(見圖1)，齒輪箱、橡膠彈簧邊界尺寸以及齒輪箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的限位尺寸等條件，初步設(shè)計C型支架結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)安裝要求來考慮，根據(jù)鐵道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支架材料初步選擇鑄鋼材料，同時考慮鑄件的相關(guān)設(shè)計工藝等要求，初步設(shè)計對結(jié)構(gòu)的細節(jié)部分暫不考慮，支架的質(zhì)量為47.8 kg。

圖1 C型支架安裝接口圖

2 C型支架的強度計算

2.1 C型支架受力分析

2.1.1 設(shè)計計算載荷

電動機最大工作轉(zhuǎn)矩為1 968 N·m，電動機短路轉(zhuǎn)矩為9 840 N·m，齒輪傳動比為3.44，中心距為380 mm，支架中心到車軸距離為390 mm。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)最大沖擊加速度為：垂向10 g，橫向5 g，縱向3 g。齒輪箱輸入端總質(zhì)量為63.5 kg。

2.1.2 受力分析

C型支架在工作情況下受力復(fù)雜，既承受齒輪箱傳遞轉(zhuǎn)矩時箱體的反作用力，又承受動車高速運行時各方向的振動沖擊。在進行支架設(shè)計計算時，應(yīng)充分考慮各種因素對結(jié)構(gòu)的影響，但要抓住問題的主要因素，對計算影響較小的次要因素可暫不考慮(如結(jié)構(gòu)自重等)。

1)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩對C型支架的作用力分析。牽引電動機輸入轉(zhuǎn)矩通過齒輪傳動帶動車軸旋轉(zhuǎn)，在齒輪副之間產(chǎn)生作用力，輸入軸小齒輪所受圓周力又作用到軸承座上，而這個力需C型支架的反作用力予以平衡。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)向不同時，C型支架分別為上部或下部受力。以車軸中心為支點，利用力矩平衡方程可得：

(1)

式中，F(xiàn)是C型支架對齒輪箱的支承力；L是支架中心到輸出軸的距離；Ft是圓周力；d1是主動齒輪分度圓直徑；d2是從動齒輪分度圓直徑。

(2)

式中，T是電動機輸入轉(zhuǎn)矩；i是齒輪傳動比。

2)C型支架承受齒輪箱因振動沖擊引起的慣性力分析。輸入端總質(zhì)量約為63.5 kg，振動引起的慣性力的計算是質(zhì)量乘以相應(yīng)的加速度。由于齒輪箱的約束條件和自身剛度以及橡膠塊的作用，支架承受箱體的橫向和縱向的慣性力相對于其他載荷很小，這里予以忽略。而由于齒輪箱可以繞車軸轉(zhuǎn)動，輸入端垂向方向完全靠支架來支承，因此，垂向振動作用力不能忽略。

C型支架靜強度的計算取支架受力最惡劣的載荷工況，即在電動機發(fā)生短路，同時承受垂向振動沖擊時支架受力最大。根據(jù)上述分析，C型支架承受作用力為118 kN。

2.2 C型支架的有限元計算

由于C型支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強度計算采用有限元方法，計算軟件用通用有限元分析軟件ANSYS。計算載荷為電動機短路時支架承受作用力118 kN，作用點在支架與橡膠彈簧配合的工作面上。約束條件為在支架與構(gòu)架連接面施加位移約束。計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 初步方案應(yīng)力(作用力向下)

從計算結(jié)果可知，支架各部的應(yīng)力分布不太均勻，局部應(yīng)力過大，最大應(yīng)力為375.85 MPa；因此應(yīng)對支架的結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。

3 C型支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是針對C型支架初步設(shè)計的計算結(jié)果，通過對應(yīng)力較大的部位進行補強，對應(yīng)力較小的部位進行去材等措施，在保證結(jié)構(gòu)強度的條件下，力求結(jié)構(gòu)的輕量化。為了得到較好的設(shè)計結(jié)構(gòu)，對支架結(jié)構(gòu)進行了多次改進設(shè)計與計算，最終確定的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為42 kg，最大應(yīng)力為287 MPa，相對于初始設(shè)計強度提高了23%，質(zhì)量減小了12%。最終設(shè)計結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 作用力向下時的應(yīng)力計算結(jié)果

圖4 作用力向上時的應(yīng)力計算結(jié)果

4 C型支架的應(yīng)力測試

根據(jù)動車齒輪箱設(shè)計規(guī)范要求以及驗證設(shè)計計算的合理性，對C型支架進行了應(yīng)力測試。測試設(shè)備選用靜態(tài)應(yīng)變采集設(shè)備，測試工裝采用專門設(shè)計的工裝。應(yīng)力采集點根據(jù)有限元結(jié)果選擇幾個應(yīng)力比較大的位置。加載用液壓千斤頂分別對支架的上、下端進行加載，最大加載為短路轉(zhuǎn)矩及最大沖擊時支架承受的反作用力118 kN。應(yīng)力測試方案所規(guī)定的采集點如圖5所示，測試的工裝圖如圖6所示，應(yīng)變片貼片局部放大圖如圖7所示。

圖5 采集點

圖6 測試工裝

圖7 應(yīng)變片貼片局部放大圖

測試中對支架受向上和向下2種加載情況的應(yīng)力值進行統(tǒng)計，見表1和表2；同時，表中列出了對應(yīng)測點的有限元計算結(jié)果。從表中可知，計算結(jié)果與測試結(jié)果接近。(實際測點位置與模擬取點位置有出入，引起一定誤差)。

表1 向下加載時的應(yīng)力值

表2 向上加載時的應(yīng)力值

5 結(jié)語

本文對時速250 km動車組用C型支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了簡要介紹，進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、有限元計算以及對計算結(jié)果的測試。結(jié)果表明，計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果吻合較好，說明采用的計算方法正確、合理。該方法可用于今后更高速度等級動車組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1] Holzapfel M，Bassmann T，韓才元. 牽引齒輪箱的最新發(fā)展趨勢——350km/h動車的大功率牽引齒輪箱[J].國外內(nèi)燃機車，2006(4)：29-33.

責(zé)任編輯馬彤

StructureDesignof250kmHigh-speedEMUGearboxSuspendedDevice

SUN Tao, WU Zhengyu

(Technical Development Center, Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Beijing 102202, China)

The suspended device of high-speed EMU gearbox is the important load-bearing components of driving device, which can not only withstand the reaction of gearbox when the gear transmitting torque, but also can withstand the vibration and shock for each direction of the CRH train running at a high speed. So it should guarantee structure with enough strength and satisfy the requirement of the structure weight reduction when designing. According to the load mode of gearbox and the related interfaces size, optimized the suspended structure and calculated the strength many times with the 3D design software and the finite element analysis software, the results showed that comparing with the initial designed structure, the strength of final designed structure increased 23%, the weight decreased 12%. Meanwhile, did the stress tests for the actual structure，the calculation results were close to the test results.

C type bracket，lightweight，finite element，stress test

TH 131.9

：A

孫濤(1971-)，男，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算等方面的研究。

2014-09-15