時(shí)速160公里客運(yùn)架懸轉(zhuǎn)向架電機(jī)懸掛長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

李建國

摘 要： 重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)向架電機(jī)懸掛長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)，不同工況的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程及優(yōu)化后的分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向架;長吊臂;連接座;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;分析

1 概述

時(shí)速160公里機(jī)車轉(zhuǎn)向架為公司新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架，電機(jī)懸掛方式為：3個(gè)橡膠關(guān)節(jié)與構(gòu)架形成彈性聯(lián)接，同時(shí)設(shè)計(jì)采用鋁合金承載式齒輪箱。作為電機(jī)懸掛的重要部分，長吊臂一端與電機(jī)通過螺栓聯(lián)接，一端為橡膠關(guān)節(jié)與構(gòu)架相連，另外長吊臂上還設(shè)有與齒輪箱的連接座，傳遞機(jī)車運(yùn)行中齒輪箱所產(chǎn)生的力。長吊臂及連接座屬于重要受力結(jié)構(gòu)，受力情況復(fù)雜，設(shè)計(jì)階段需要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析優(yōu)化。

2 分析前期的相關(guān)說明

2.1 分析軟件與相關(guān)資料

本次分析采用Ansys Workbench14.0，工況參考了《驅(qū)動(dòng)單元齒輪箱強(qiáng)度計(jì)算加載規(guī)范》 （2015.05.12，以下簡(jiǎn)稱《加載規(guī)范》），電機(jī)相關(guān)參數(shù)參考《4400HP客運(yùn)車配套CDJD113C牽引電機(jī)機(jī)械參數(shù)，20141205》。

材料方面：1，齒輪箱為鋁合金材質(zhì);2，長吊臂和連接座為鑄鋼結(jié)構(gòu)，擬采用B級(jí)鋼，屈服為260MPa，抗拉485MPa。

2.2 分析工況說明

本次分析工況主要參考了《加載規(guī)范》，包括規(guī)范超常載荷工況和常用載荷工況，在此基礎(chǔ)上增加了運(yùn)用超常載荷工況，具體為：整個(gè)裝置在承受垂向5 g、橫向3 g和縱向3 g的慣性力沖擊的同時(shí)還承受了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)扭矩作用所產(chǎn)生的力。上述3個(gè)工況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別為屈服極限、GoodMan圖、許用應(yīng)力。其中許用應(yīng)力=屈服極限/1.5=173MPa。

2.3 分析模型簡(jiǎn)化及邊界條件說明

根據(jù)分析工況，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)長吊臂強(qiáng)度分析無影響的結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)量點(diǎn)代替，例如主從動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪軸承等，最后僅針對(duì)主要分析對(duì)象（長吊臂和連接座）采用10mm的四面體劃分網(wǎng)格，得到有限元分析模型。

分析模型的邊界條件也進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置，坐標(biāo)系參考《加載規(guī)范》中的設(shè)定，3個(gè)橡膠關(guān)節(jié)在沿x軸，y軸，z軸三個(gè)方向上設(shè)置一定的剛度，同時(shí)釋放繞x軸，y軸，z軸的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。分析中載荷的加載按《加載規(guī)范》中的設(shè)定。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為更好的了解原結(jié)構(gòu)在受力工況下的應(yīng)力分布情況，首先選取一種工況對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，找出原結(jié)構(gòu)中相對(duì)應(yīng)力偏大區(qū)域，針對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后仍采用相同工況對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化的效果。

3.1 原方案分析

采用《加載規(guī)范》“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對(duì)原方案進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為長吊臂最大應(yīng)力為347.58MPa，在減重孔和連接座接口附近筋板處有應(yīng)力集中情況，連接座最大應(yīng)力為361.73MPa，過渡筋板處應(yīng)力普遍偏大，兩個(gè)零件上有多處已經(jīng)超過材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)以上的分析結(jié)果，在保證外部接口不變的條件下，對(duì)長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

其中長吊臂局部結(jié)構(gòu)共進(jìn)行了三部分的調(diào)整：

1，強(qiáng)化調(diào)整連接座接口附近結(jié)構(gòu)，提高該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)也兼顧了工藝方面的考慮。

2，在大圓弧處設(shè)置減重孔，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

3，優(yōu)化原結(jié)構(gòu)減重孔附近結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)該部分抗扭能力。

4，長吊臂與齒輪箱連接座的具體結(jié)構(gòu)也作了適當(dāng)調(diào)整，拉開定位孔z方向上的間距，采用大圓弧連接過渡，以達(dá)到降低應(yīng)力的目的。

3.3 優(yōu)化方案分析

同樣采用《加載規(guī)范》“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了分析，分析結(jié)果是長吊臂最大應(yīng)力為205.87MPa，連接座最大應(yīng)力為241.49MPa，比原方案有明顯的降低。長吊臂最大應(yīng)力變化率為40.77%，連接座最大應(yīng)力變化率為33.24%。

除了最大應(yīng)力有明顯的降低外，優(yōu)化方案整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，過渡更為平滑，在新增加的減重孔附近未有明顯的應(yīng)力集中情況，兩個(gè)零件的總重由原來的126.20kg減少到122.99kg，降低了2.54%，另外結(jié)合制造工藝方面的考慮，優(yōu)化方案是切實(shí)可行的。

4 工況分析

針對(duì)上述的優(yōu)化方案，根據(jù)2.2節(jié)中的工況進(jìn)行長吊臂和連接座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

4.1 超常載荷工況

4.1.1 規(guī)范超常載荷工況

根據(jù)《加載規(guī)范》4.1節(jié)中表5的描述，共8組工況進(jìn)行仿真分析，具體的分析結(jié)果顯示長吊臂和連接座上的最大應(yīng)力分別為227.52 MPa和249.49 MPa，低于材料的屈服極限，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

4.1.2 運(yùn)用超常載荷工況

具體工況如下表所示，具體的加載位置參考《加載規(guī)范》中的設(shè)定。

運(yùn)用超常載荷工況列表

分析結(jié)果顯示，長吊臂和連接座上的最大應(yīng)力分別為124.94MPa和130.35MPa，低于材料的許用應(yīng)力（173MPa），滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

4.2 常用載荷工況

根據(jù)《加載規(guī)范》4.1節(jié)中表10的描述，共8組工況進(jìn)行仿真分析，然后利用抗拉≥370N/mm2的鋼的Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

分析對(duì)象上的所有節(jié)點(diǎn)都在范圍內(nèi)，長吊臂和連接座的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

5總結(jié)

本次分析在原結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方案，并針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了超常載荷及常用載荷工況仿真分析，分析結(jié)果表明：

1，超常載荷工況下，整個(gè)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)要求，長吊臂及連接座滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2，常用載荷工況下，運(yùn)用Goodman圖進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，結(jié)果表明長吊臂及連接座滿足疲勞強(qiáng)度要求。

所以通過仿真分析，長吊臂及連接座的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。