400 km/h高速列車軸箱體有限元仿真

2020-09-10 04:26:07戴曉超張英波王澤飛許東日王瑞卓韓光旭

電焊機 2020年1期

戴曉超　張英波　王澤飛　許東日　王瑞卓　韓光旭

摘要：高速列車用軸箱體主要采用球墨鑄鐵制造，結構較重。針對400 km/h高速列車的輕量化需求，基于鋁合金材料的成型特性重新設計了軸箱體結構，并采用CERO 3.0建立了鋁合金軸箱體的三維模型，依據EN13749-2005標準，采用ANSYS Workbench分析了鋁合金軸箱體在超常載荷工況和運營工況下的應力狀態和疲勞強度。通過靜強度和疲勞強度分析，驗證了鋁合金軸箱體結構的安全可靠性。

關鍵詞：軸箱體;鋁合金;靜強度;疲勞強度;Workbench

中圖分類號：TG457.14 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0097-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.18

0 前言

隨著列車運行速度的提高，機車車輛對制動系統的要求也越來越高，高速列車過重將增加制動距離，零件耗損和能源消耗也會隨之增加，由此可見減輕高速列車質量可以更好地控制列車的加速、減速和停車，減少事故的發生，提高列車運行的安全可靠性。目前輕量化的方向主要是采用先進結構、先進輕量化材料以及先進連接工藝。相比而言，輕量化材料的整車減重效果最好。在先進輕量化材料的研究和應用上，我國高速列車車體普遍采用鋁合金作為主體材料代替不銹鋼，減重效果非常顯著[1]。然而高速列車除車體外，很多部件采用鋼鐵材料制造，輕量化空間較大。如將高速列車轉向架軸箱體由球墨鑄鐵替換為鋁合金，可實現軸箱體40%以上的減重效果[2]。軸箱體作為轉向架的重要承載部件，其強度性能至關重要，一直是高速列車研究人員關注的重要問題。

本文以400 km/h高速列車轉臂式軸箱為研究對象，采用CREO 3.0構建轉向架鋁合金軸箱體的三維模型，利用ANSYS Workbench進行軸箱體在超常載荷工況和模擬運營載荷工況下的靜強度和疲勞強度分析，驗證高速400 km/h高速列車鋁合金軸箱體的安全可靠性。

1 軸箱體幾何模型及有限元模型

1.1 軸箱體幾何模型

采用CERO 3.0 構建的轉向架軸箱體的三維模型如圖1所示，由上箱體、下箱體和端蓋三部分組成[3]，如圖2所示。

軸箱體的上箱體、下箱體和端蓋的制造材料均為7050模鍛件，機械性能如表1所示。

1.2 軸箱體有限元模型

軸箱體結構強度分析在ANSYS Workbench 14.0有限元軟件平臺上進行，其結構的有限元模型如圖3所示。

為了真實模擬軸箱體之間的配合關系，在兩個軸箱間建立了一個假軸，通過接觸單元考慮各部件之間的相互影響。軸箱體的有限元網格采用六面體為主的單元進行劃分，最終軸箱體有限元模型獲得459 874個節點和584 208個實體單元。

1.3 載荷工況及邊界條件

400 km/h高速列車防脫線軸箱正常運營條件下靜強度和疲勞強度分析的載荷和載荷工況主要依據EN 13749-2005《鐵路應用-輪對和轉向架規定轉向架-構架結構要求的方法》[4]中對構架載荷計算的規定來確定。軸箱體主要承受垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、減震器垂向載荷。軸箱體有限元計算加載示意如圖4所示。通過對軸箱體承受載荷的疊加組合確定了4個超常載荷工況和12個模擬運營載荷工況，如表2、表3所示。

2 許用應力的確定

2.1 靜強度許用應力

根據UIC615-1標準，軸箱體結構在最大沖擊載荷作用下，其靜強度條件為：

（1）在拉應力區，結構的最大Von_Mises應力不大于制造材料的彈性極限，滿足關系式

σVon_Mises≤σd0.2（1）

（2）在壓應力區，結構的最大Von_Mises應力不大于制造材料的抗壓強度，滿足關系式

σVon_Mises≤σd（2）

另外，軸箱體結構在模擬運營載荷下最大Von_Mises應力不大于制造材料的許用應力，滿足關系式[5]

σmax=（3）

2.2 疲勞強度許用應力

（1）試棒的疲勞極限。

軸箱體制造材料7050模鍛件，對直徑10.6 mm、45°角R0.25 mm V型缺口試棒，旋轉彎曲疲勞試驗的1×107循環時的疲勞極限強度為115 MPa;對于直徑10.6 mm光滑試棒，旋轉彎曲疲勞試驗的1×107循環時的疲勞極限為275 MPa。

（2）結構的 Goodman 疲勞極限圖。

實際結構的幾何尺寸與形狀、表面粗糙度和質量等級與光滑試棒存在差異，其結構的疲勞極限與試棒的疲勞極限滿足關系式[6]

σ-1S≡εβCL=σ-1KεβCL（4）

式中 Kf為疲勞缺口系數;CL為載荷類型因子（CL =1.0）;ε為尺寸系數（ε=0.9）;β為表面狀態系數（β=0.8）;σ-1為光滑試棒的疲勞極限;σ-1K為缺口試棒的疲勞極限。

7050模鍛件制造結構疲勞極限σ-1S=82.8 MPa，其 Haigh 形式的Goodman疲勞曲線如圖5所示。

3 結果與分析

3.1 軸箱靜強度結果與分析

表4為軸箱箱體在所有靜強度下的計算結果。由表4可知，轉向架軸箱體在超常載荷作用下，其最大Von_mises應力為186.88 MPa，出現在超常載荷工況2，最大應力位置為軸箱轉臂右方根部區域。運營工況下最大Von_Mises應力為128.54 MPa，出現在運營載荷工況6，最大應力位置為軸箱轉臂右方根部附近。

由上述分析可知，軸箱體在超常載荷工況下最大應力并未超過軸箱在超常載荷作用下的許用應力421 MPa;在運營載荷工況下最大應力也未超過軸箱體在運營工況下的許用應力281 MPa。

因此軸箱體在各個載荷工況下安全系數大于1，即標準化動車組轉向架軸箱體結構靜強度滿足EN13749的要求。圖6和圖7分別為軸箱體在超常工況2和運營工況6的應力云圖。

3.2 軸箱疲勞強度結果與分析

在表3給出的載荷工況下，軸箱體節點的應力幅與許用應力幅的比較如圖8 所示。軸箱體安全系數小于1.4的各節點的最大/最小應力、平均應力和應力幅如表5所示。

由圖8、表5的計算結果可以看出，軸箱上箱體、下箱體和端蓋應力幅值均小于其對應許用應力幅，最小安全系數1.07出現在上箱體靠近轉臂定位座的圓弧過渡區域。因此，軸箱體上箱體、下箱體和端蓋的疲勞強度滿足設計要求[7]。

4 結論

根據400 km/h高速列車超常載荷和運營工況下軸箱體結構靜強度和疲勞強度分析可得到以下結論：

（1）靜強度載荷條件下，軸箱體超常工況最大應力為186.88 MPa，運營工況最大應力128.54 MPa，均小于材料的許用應力。

（2）根據Goodman曲線對軸箱體的疲勞評定結果表明，各運營工況組合下軸箱體疲勞強度具有一定余量，滿足疲勞強度的要求。

參考文獻：

[1] 王雷，李家衡，張英波. 400 km/h高速列車蓄電池箱體結構有限元仿真[J] .電焊機，2018，48（10）：89-93.

[2] 盛輝，李明，賀竹林，等. 高速動車組鋁合金軸箱體[J]. 鐵道車輛，2014，52（11）：13-14.