基于有限元法的動車組軸箱強度分析

1、 基于有限元法的動車組軸箱強度分析 摘要：動車組軸箱軸承是動車組走行部的重要部件，是保障動車組安全運行的關(guān)鍵。目前我國各動車組高級修檢修基地普遍不具有動車組軸箱軸承的檢修能力，很多單位一直委托外方進行檢修，這不僅增大了檢修成本、檢修周期，更制約我國動車組檢修能力的提升。本文對動車組用軸箱軸承的檢修方案進行了分析，對我國動車組軸箱軸承的檢修能力提升提供技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：動車組列車；軸箱體；有限元法引言軸箱軸承是鐵路車輛中最為關(guān)鍵的零部件之一，它起著支撐整個車輛和保證車輛正常運行的重要作用。高速動車組上每個軸承均安裝了溫度傳感器以實時監(jiān)測軸承溫度，若溫度異常將依據(jù)軸承溫升報警邏輯進行報警，同時根據(jù)

2、不同溫度執(zhí)行相應(yīng)的處置措施，來確保動車組的運行安全。雖然軸承溫升并未給高速動車組運營帶來嚴重影響，但按照運營管理辦法，只要達到一級報警，車輛則需回庫退卸輪對，對軸承進行檢查，如此勢必影響車輛的正常運營秩序，若車輛限速運行則會造成晚點等更加嚴重的影響。1研究背景隨著高速鐵路的快速發(fā)展，動車組列車安全性和可靠性的分析成為重要的研究問題。轉(zhuǎn)向架作為車輛上重要的部件之一，除支撐整個車體的質(zhì)量外，更重要的作用是承受和傳遞每個方向上的力，影響著車輛的舒適度、穩(wěn)定性和安全性。而力的傳遞都要經(jīng)由軸箱定位裝置。輪對和轉(zhuǎn)向架通過軸箱連接成一個整體，軸箱安裝在車軸軸頸上，并具備良好的潤滑和密封性能。因此軸箱定位裝置

3、是影響車輛動力學性能的主要因素之一，設(shè)計出可靠性足夠的軸箱裝置也至關(guān)重要。為了更好地對動車組列車運行情況進行仿真，通過計算機simpack仿真軟件建立車輛系統(tǒng)動力學模型對crh2型動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部位的載荷譜進行疲勞壽命評估。為保證軸箱體滿足高速動車組關(guān)鍵部位的強度要求，必須對其進行強度校核。本文基于有限元分析和強度理論的方法，研究crh2動車組軸箱強度問題，驗證其是否滿足實際運營工況。根據(jù)uic6154標準規(guī)定的計算載荷和工況，利用應(yīng)力云圖法對高速動車組軸箱進行強度分析。通過材料的疲勞極限圖驗證軸箱疲勞強度滿足設(shè)計要求。2軸箱體有限元模型及載荷計算2.1軸箱體有限元模型本文所分析的軸箱體為轉(zhuǎn)

4、臂與軸箱一體式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臂通過彈性節(jié)點與構(gòu)架上的定位轉(zhuǎn)臂座相連，軸箱端通過滾動軸承安裝于車軸軸頸處。軸箱彈簧安裝于軸箱體頂部與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架彈簧座之間，垂向減振器安裝于軸箱體前端的垂向減振器安裝座與構(gòu)架的側(cè)梁之間。基于軸箱體的結(jié)構(gòu)特點，將其離散成實體類單元。通過計算機自動離散及局部的人工干預(yù)，利用abques劃分網(wǎng)格單元大小為8mm，共160870個四面體單元。在軸箱體的軸承座上加剛度系數(shù)為1.17和0.98mn/m的鋼彈簧約束，在轉(zhuǎn)臂定位圓柱面上加剛度系數(shù)為13.7和6.5mn/m的鋼彈簧約束，在轉(zhuǎn)臂定位圓柱面上旋轉(zhuǎn)剛度分別為171620，171620，4595n*m/rad。按照標準加載的基礎(chǔ)上

5、實現(xiàn)減振器座上200g的加速度的工況。2.2檢修制度動車組軸箱軸承免維護工作性能（無需重新注油）不低于120萬公里。軸承實行計劃預(yù)防修的檢修制度，按照走行公里數(shù)或運營時間（與各平臺動車組高級對應(yīng)）制定不同等級的修程方案。當軸承進行故障檢修時，須根據(jù)故障現(xiàn)象及原因進行狀態(tài)檢修或分解檢修。2.3軸承全面檢查2.3.1車輛回庫車底檢查車輛回庫后進行車底檢查，主要檢查輪對踏面有無擦傷、剝離，軸箱轉(zhuǎn)臂定位裝置外觀是否異常，轉(zhuǎn)向架其他部位是否有故障和松動，以排除其他原因?qū)е碌妮S承溫升。2.3.2軸箱外部檢查主要檢查軸箱、軸箱蓋等外觀有無擊打損傷及漏脂情況，各部位螺栓防松標記是否錯位，軸箱節(jié)點有無裂紋和破損

6、現(xiàn)象，軸箱是否轉(zhuǎn)動靈活無卡滯，以排除軸箱損傷對軸承溫升的影響。2.3.3軸溫傳感器檢查主要檢查軸溫傳感器外觀、插頭有無縮針、接線有無松動和虛接現(xiàn)象，測量傳感器阻值是否在正常范圍內(nèi)，以排除傳感器故障導(dǎo)致的誤報。2.3.4軸箱開蓋檢查主要檢查軸箱軸承密封罩外潤滑脂情況、軸承前蓋安裝狀態(tài)、緊固螺栓防松標記有無錯位、軸承外端面是否銹蝕，排除對軸承溫升的影響。2.3.5輪對退卸后軸箱內(nèi)部檢查輪對退卸后檢查軸箱轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂箍內(nèi)部和軸承外部的磨損情況，測量軸箱主要尺寸和軸承游隙，判斷是否存在因安裝不當或軸箱變形造成的異常磨損。2.3.6軸承分解后潤滑脂狀態(tài)及剩余量檢查軸承分解后主要檢查潤滑脂分布狀態(tài)是否均勻，

7、是否變干、變黑，對軸承清洗前后的整體及各組件稱重，分析潤滑脂的剩余量分布規(guī)律，并對不同位置的潤滑脂分別取樣化驗。2.3.7清洗后軸承外觀檢查軸承清洗后檢查軸承滾子、滾道及擋邊的磨損狀態(tài)，并檢查保持架有無損傷。經(jīng)檢查多套軸承，未發(fā)現(xiàn)磕傷、剝離、異常磨損等問題，僅滾道面有明顯的運轉(zhuǎn)痕跡。2.3.8軸承微觀檢查為進一步分析故障原因，對軸承疑似缺陷位置進行了失效分析。通過掃描電鏡對軸承滾道面微觀狀態(tài)進行檢查。2.4壓裝軸箱軸承組裝基本工序如下：（1）軸頸、防塵板座擦拭干凈，軸端中心孔及螺栓孔內(nèi)的鐵屑和污物須清除。（2）檢測軸頸直徑、圓度、圓柱度和防塵板座直徑，檢測軸承內(nèi)圈、防塵擋圈（或后擋圈）內(nèi)徑滿足

8、限度要求。（3）軸頸及防塵板座表面涂刷潤滑脂或安裝膏。（4）軸承壓裝、軸端配件組裝。軸承壓裝過程中須轉(zhuǎn)動軸承，如出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，停止壓裝。（5）測量軸向游隙，軸承轉(zhuǎn)動須靈活，不得有卡阻。2.5優(yōu)化軸承設(shè)計為控制軸承溫升提供更有效的措施，可對滾動體、滾道精度以及滾子與擋邊接觸面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高軸承的額定動載荷以及理論計算壽命，降低工作面的摩擦以及軸承的工作溫度，工作溫度的降低同樣可以延緩潤滑脂的老化。目前，舍弗勒公司在版軸承基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計的版高鐵軸承正在進行臺架試驗，后續(xù)會進行相應(yīng)的線路試驗以進一步驗證。2.6動車組軸箱體的疲勞強度評價車輛上主要承載部件的疲勞強度評價方法一般利用smith圖

9、進行疲勞強度評價。在上述的各種模擬載荷工況下，動車組軸箱體的最大的動應(yīng)力出現(xiàn)在了軸箱體的轉(zhuǎn)臂右側(cè)的孔的位置，最大動應(yīng)力為932mpa，同樣位置第6種模擬工況所產(chǎn)生的應(yīng)力值最小，其值為792mpa，由上式可得其平均應(yīng)力為862mpa。將最大應(yīng)力與平均應(yīng)力的值繪制入材料的goodmansmith疲勞極限中，在關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力值未超出goodmansmith疲勞極限所允許的范圍，所以軸箱體疲勞強度滿足要求。2.7優(yōu)化運行交路優(yōu)化動車組交路排布，減少引起軸承溫升的復(fù)合因素。軸承受個體差異影響，表現(xiàn)出溫升有高有低，觀察車輛運行過程中的溫升差異，可以在夏季環(huán)境溫度較高時選擇溫升狀態(tài)較好的車輛，擔當長大交路運行；處于軸承勻脂階段的車輛建議選擇站間距較小的交路，以延長勻脂周期。結(jié)語通過對新設(shè)計的高速動車組軸箱體的有限元建模，參照en13104標準和en13749標準，在滿軸重條件下所進行的各種工況的計算結(jié)果表明，軸箱體符合靜強度和疲勞強度要求，裕量充足，設(shè)計方案可行，能夠滿足高速動車組轉(zhuǎn)向架安全運行的強度需要。為充分考慮減振器座上出現(xiàn)200g的加速度的載荷條件，理想化模型為軸箱體以轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點為轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動，加速度載荷采用角加速度的方式施加，這樣能反映軸箱體各位置加速度的不同?？紤]減振器座上出現(xiàn)200g的加速度的載荷條件，僅使減振器座局部