牽引拉桿裝配桿體強度分析

史業釗，高耀東

（內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

牽引拉桿裝配是在軌道車輛轉向架上安裝的牽引裝置，能有效提高機車和轉向架之間牽引力和制動力的傳遞效率。拉桿裝配大部分使用橡膠關節耦合在一起，能有效減小牽引拉桿與構架或車體連接部位帶來的剛性沖擊力，增強車輛運行的平穩性[1]，保證其運動的自由度。為機車縱向牽引力和制動力提供足夠的傳遞力，在牽引拉桿裝配保證縱向剛度的同時，車體與轉向架連接的垂向、橫向及搖枕約束自由度要盡量釋放出來，從而來降低因振動等因素引起的共振[2]。因此桿體強度的校核十分必要，利用FEA分析技術對桿體極限拉壓工況進行模擬，根據分析數據，判斷桿體結構是否符合設計要求。

1 牽引拉桿裝配作用及組成

牽引拉桿裝配是軌道車輛上連接箱體與轉向架的重要部件之一，主要為車體與轉向架提供牽引力、制動力，同時緩沖機車行駛過程中因軌道不平和等其它客觀因素帶來的剛性沖擊[3]，提高車輛運行的舒適性及安全性。由于機車牽引載荷一般都較大，牽引拉桿裝配不但承載能力及抗沖擊能力要強，而且在承載方向上的垂向承載能力要近可能的大。牽引桿體裝配在車體和轉向架上起柔性連接作用，牽引橡膠關節在各方向（徑向、軸向、扭轉、偏轉）的變形能力也要達到機車運行要求[4]。

牽引拉桿裝配由牽引拉體與橡膠關節兩部分組成,結構如圖1所示。橡膠關節和牽引拉桿通過過盈裝配壓裝在一起。其中橡膠關節結構由外至內由外套、橡膠和芯軸構成，外套和芯軸都是金屬材料加工制造，再通過特殊的硫化工藝[5]和橡膠黏結在一起。其三維模型（簡化）如圖2所示。

圖1 牽引拉桿裝配二維圖

圖2 三維模型簡化

牽引拉桿桿體一般用材料35CrMo圓鋼鍛造加工成毛坯段再機加工制造而成，是車體與轉向架之間傳遞縱向牽引力和制動力的關鍵構件。因為桿體加工制造的時候是圓鋼經過高溫、高壓鍛打制造而成，所以牽引拉桿桿體品質大多受鍛造裂紋、氣孔等缺陷因素的影響[6]，因此對桿體強度的校核是非常有必要的。

圖3 牽引拉桿桿體示意圖

2 計算模型及計算數據

2.1 牽引拉桿裝配加載工況

在本分析中，固定拉桿一端球鉸芯軸，對另一端球鉸芯軸施加方向如圖4所示的載荷。邊界條件如圖4所示。

圖4 牽引拉桿裝配計算邊界條件示意圖

2.2 有限元網格劃分

牽引拉桿裝配的金屬部分用C3D8R單元模擬其線彈特性[7]，橡膠部分使用C3D8H單元模擬其超彈特性。運用ABAQUS軟件中的C3D4單元模擬桿體，C3D8R單元模擬球鉸芯軸和球鉸外套，C3D8H單元模擬球鉸的橡膠部分，如圖5所示。其中：桿體、球鉸芯軸、球鉸外套的網格數量分別為136 160、36 780和8726，橡膠部分網格數量為21 672，合計203 338個單元。

圖5 網格劃分

2.3 單位系統

本結構分析在ABAQUS軟件下進行，本文及分析中所采用的單位系統為SI（mm），即mm、N、MPa，本文中文字及圖片中出現的數字，如未特別注明，均采用此單位系統。

2.4 材料參數（如表1、表2）

表1 橡膠材料的性能參數采用Mooney—Rivlin本構模型進行模擬

表2 金屬材料的性能參數

3 牽引拉桿裝配強度校核

牽引拉桿裝配計算工況如表3所示。

表3 牽引拉桿裝配計算工況

3.1 極限牽引載荷（95 kN）工況

極限牽引載荷95 kN工況時，牽引拉桿部件的應力分布如圖6所示。吊桿桿體的最大應力位于外圓弧到桿體過渡處[9]，最大應力為38 MPa，遠低于材料屈服強度835 MPa。

圖6 牽引拉桿極限拉伸工況（95 kN）下應力云圖

3.2 3g沖擊載荷285 kN工況

在3g沖擊載荷285 kN時，牽引拉桿裝配桿體部件的應力分布如圖7所示。吊桿桿體的最大應力位于外圓弧到桿體過渡處，最大應力為109 MPa，低于材料屈服強度835 MPa。

圖7 牽引拉桿極限壓縮工況（285 kN）下應力云圖

通過表4可以看出，牽引拉桿在各種工況下金屬部件安全系數都大于1.5，滿足相關強度要求[9]。

表4 牽引拉桿裝配靜強度計算結果

4 結論

1）牽引拉桿在極限牽引載荷95 kN時，其最大應力為38 MPa，遠低于材料屈服強度835 MPa；2）牽引拉桿在3g沖擊載荷285 kN時，其最大應力為109 MPa，遠低于材料屈服強度835 MPa，安全系數均在5倍以上。牽引拉桿裝配承載時的應力，均在設計范圍內，對吊桿臺階處進行倒圓角處理，可有效降低應力集中。利用有限元模擬技術對牽引拉桿裝配進行分析，以預測產品剛度特性及結構強度，并提供相應的應力、應變參考數據結果，為產品結構的設計、優化提供幫助。