CRH3動車組轉臂定位座的有限元分析

摘 要：機車車輛的軸箱拉桿座在機車車輛運行時，受牽引力、制動力等縱向力的作用，以及在彎道運行時而產生的橫向沖擊力的作用，其中縱向力的作用成為影響其結構強度的主要因素之一。根據太原電力機務段統計，在機車長拉桿座處的裂紋率達76.5%，短拉桿座處的裂紋率達6.1%。由于CRH3動車組轉臂定位座與機車車輛軸箱拉桿座具有相似的作用，另外從現場了解：石家莊動車所某一動車轉臂定位座出現裂紋導致整臺構架報廢。本文根據以上資料的啟發，應用ANSYS有限元分析軟件，對CRH3轉臂定位座僅從受縱向力的角度進行簡單的定性分析。結果表明：該轉臂定位座在超常載荷及5g加速度沖擊載荷的作用下均符合使用要求。

關鍵詞：轉臂定位座;有限元分析;橫向沖擊力

1 問題描述

在轉臂定位座的結構靜力分析時，本文主要考慮以下三種受力情況：超常工況下的縱向載荷、5g加速度沖擊作用下的縱向載荷、以及兩車追尾時頭車和尾車所受的縱向載荷。以上載荷的具體確定情況描述如下：

確定超常工況下的縱向載荷：由公式FX=0.1*（2.8Mb-0.4mb ），計算的單個軸箱上承受的縱向力為23.25KN。其中，FX為單個軸箱的縱向力，Mb 為轉向架質量，mb為車軸質量。由于轉臂定位座成對焊接的側梁上，故單個轉臂座處的縱向力為0.5 FX，即得到單個轉臂座處的縱向力為：11.625KN，轉換為接觸面上的壓力為：4.95MPa。

確定5g加速度沖擊作用的縱向載荷 ：由公式FX=Mb*5g ，計算得到5g加速度沖擊作用下每臺轉向架所受的縱向載荷FX=369KN。其中，Mb為轉向架質量 。進而得到單個轉臂座處的縱向力為：46.25KN， 轉換為接觸面上的壓力為：19.64Ma。

確定兩車追尾時頭車和尾車所受的縱向載荷：兩車追尾（車速均為160KM/h）時尾車所受沖擊載荷為1570KN、頭車是所受沖擊5627KN，不考慮車鉤緩沖裝置及縱向彈性原件的緩沖作用，把動態問題轉化為靜態問題進行定性分析，則得到尾車單個轉臂座處的縱向力為：98.125KN，轉換為接觸面上的壓力為：41.67MPa;頭車單個轉臂座處的縱向力為：351.69KN，轉換為接觸面上的壓力為：149.3MPa。

由于轉臂定位座焊接在轉向架構架的測量上，所以在添加約束是應在轉臂座與側梁焊接處添加固定約束。

2 模型建立

依據現有圖紙，應用SOLIDWORKS軟件，通過繪制草圖、局部拉伸、添加倒角、圓角等方式，建立了轉臂定位座的三維實體模型。

定義單元類型為：solid185單元;定義材料屬性為：EX=2.06e+5、PRXY=0.28;網格劃分采用自由劃分方式，控制精度等級為1。

3 有限元分析結論

（1）在超常工況時，縱向載荷作用下，計算得到最大應力為δ1max=18.8363MPa ，由δ1max< [δ] 可知，該工況下轉臂定位座符合使用要求。

（2）在5g加速度沖擊作用縱向載荷下的等效應力分布如圖1所示，計算得到最大應力為δ1max= 73.828MPa ，由δ1max< [δ] 可知，該工況下轉臂定位座符合使用要求。

（3）兩車追尾時轉臂座在沖擊作用下的等效應力分布 。計算得到尾車轉臂座最大應力為：δ1max=154.99MP ，對其結果定性分析：δ1max< [δ]=355MPa，另外在施加載荷時忽略的車鉤緩沖裝置的作用，由此可知兩車追尾時尾車轉臂座符合使用要求。計算得到頭車轉臂座最大應力為：δ1max=551.97MPa，該應力遠遠大于材料的屈服強度 ，即使考慮到車鉤緩沖裝置的緩沖作用，在頭車轉臂定位座處有可能會發生變形甚至斷裂。

作者簡介：朱占國（1989-），男，助教，主要研究方向：鐵道機車檢修與維護。