動(dòng)車組齒輪箱吊桿有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

孟永帥+王起梁+宮峰+馬玉強(qiáng)+張?jiān)倮?/p>

摘要：以某動(dòng)車組齒輪箱吊桿為研究對(duì)象，依據(jù)ASME V&V標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建立的吊桿有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格精度校核，并在此基礎(chǔ)上對(duì)吊桿在極限載荷下的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。通過分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證齒輪箱吊桿有限元模型的可靠性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；齒輪箱；吊桿；套筒；校核；靜強(qiáng)度；ASME V&V；有限元

中圖分類號(hào)：U260.332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

齒輪箱吊桿是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)工作的可靠性，因此，在齒輪箱吊桿設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元軟件的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中得到越來越多的應(yīng)用，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短。由于齒輪箱吊桿的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接邊界條件多樣，若結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化或連接處理不當(dāng)則會(huì)影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此有必要對(duì)其有限元分析模型及結(jié)果進(jìn)行校核和驗(yàn)證。

1齒輪箱吊桿結(jié)構(gòu)

某動(dòng)車組齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)主要包含齒輪箱吊桿總成、齒輪箱總成、聯(lián)軸節(jié)和接地裝置等，見圖1。吊桿總成是傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，由吊桿體、套筒、橡膠塊、橡膠墊、帶槽螺母、墊片等零件組成，見圖2。吊桿一端與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接，另一端與齒輪箱吊掛座連接。電機(jī)載荷通過聯(lián)軸節(jié)傳遞到齒輪箱上，經(jīng)由齒輪傳遞到車輪上，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)車組列車前進(jìn)。

2齒輪箱吊桿有限元模型建立

齒輪箱受力分析見圖3。由分析可知，齒輪箱吊桿受力為二力桿結(jié)構(gòu)。假如小齒輪端由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)施加扭矩M_d，那么由大、小齒輪的嚙合關(guān)系可知，大齒端扭矩為M_di（i為齒輪箱大小齒輪傳動(dòng)比）。

由力矩平衡方程可得吊桿受到的載荷為

根據(jù)齒輪箱受力分析，當(dāng)輸入扭矩方向不同時(shí)，齒輪箱吊桿分別承受拉載荷和壓載荷。齒輪箱吊桿簡(jiǎn)圖見圖4。在工作中，吊桿體只承受拉載荷，而套筒只承受壓載荷，因此在進(jìn)行吊桿強(qiáng)度有限元計(jì)算時(shí)，需要對(duì)吊桿體和套筒分別進(jìn)行計(jì)算。

在Pro/E中對(duì)吊桿三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將簡(jiǎn)化后的模型通過Step中間格式導(dǎo)人到有限元軟件中，采用六面體單元對(duì)吊桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別建立吊桿在拉載荷和壓載荷下的有限元分析模型，見圖5。

吊桿材料為45號(hào)鋼，密度為7 800 kg/m³，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。根據(jù)吊桿的受力狀況，在吊桿分析模型一端施加全約束條件，在另一端施加受力載荷。

3齒輪箱吊桿有限元模型校核

有限元計(jì)算模型建立后，需要對(duì)模型進(jìn)行校核，只有通過校核的模型，才能用于后續(xù)的預(yù)測(cè)分析。

為校核模型網(wǎng)格精度是否滿足要求，即排除網(wǎng)格大小對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的影響，依據(jù)ASME V&V標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型進(jìn)行校核。在建立的吊桿拉、壓計(jì)算模型中分別施加10 kN的軸向拉、壓載荷，并選取圖6中的位置節(jié)點(diǎn)作為校核對(duì)象。endprint