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轉向架鋁合金軸橋結構及強度有限元分析

發布于:2021-01-23 20:02
有限元分析

       作為低地板轉向架結構的新趨勢,一級懸掛低地板轉向架已被國外企業所采納和使用,該類轉向架只有一級懸掛,相較于傳統轉向架在高度上能提供更大的降低空間,車間懸掛位于軸箱位置,與傳統低地板轉向架相比有更佳的點頭及搖頭穩定性,因而應用于速度較低的低地板列車上有一定優勢,但一級懸掛也不可避免的帶來一個問題:絕大部分裝置將直接安裝于轉向架上,造成簧下質量過大,因此一級懸掛低地板轉向架需要采用輕量化設計才能緩解或避免簧下重量過大的弊端,軸橋作為低地板轉向架重要部分,一級懸掛軸橋與傳統低地板軸橋有所不同,國內也缺少對該類軸橋的研究。因此設計一種應用于該種轉向架的鋁合金軸橋,并依據標準對軸橋進行靜強度及疲勞強度有限元分析校核,材料與加工采用鋁合金材料是輕量化設計的普遍選材,以鋁合金替代傳統鑄鋼、鑄鐵件,保證部件強度韌性同時減輕重量,鋁合金鍛件的優點,即為內部組織細密、均勻、無缺陷,其可靠性高于鋁合金鑄件,鋁合金鍛件還具有良好的耐腐蝕性、導熱性和非磁性,這些都是傳統鑄鋼件所無法比擬的,鍛造方式采用尺寸較易控制的模鍛工藝。
       采用焊接及攻絲處理,因此整個軸橋的聯接方式采用對穿孔螺栓方式聯接結構特點模鍛鋁方式無法采用鑄件的空腔結構,宜與其他部件采用對穿孔螺栓聯接,因此鍛鋁軸橋在結構上與傳統鑄鋼軸橋有較多不同,結構設計中考慮到鍛造特點,所有轉角部位均設計為圓角形式,以減少銳角效應和應力集中現象,提高承載能力,在尺寸變化較大部位采用鈍角斜面配合大圓角的組合設計,保證鍛造中的金屬流動性,彎軸底部采用倒梯形設計,便于退模,鍛鋁材料采用2014鋁合金,2014合金是鍛鋁中的典型合金,該鋁合金的特點是強度高、有較好的熱塑性、能承受較高應力。該材料為輕質高強度材料,用于高負荷結構件,其T6狀態具有較好的強度和韌性,而質量較鋼大大降低。
       超常載荷主要考慮垂向載荷、垂向脫軌載荷、橫向載荷及縱向沖擊載荷,參考UIC615-4得到工況組合表(見表)及各載荷施加位置,根據螺栓聯接特性及載荷方向,確定載荷具體位置。
       由于結構對稱性,改變橫向載荷方向不會對結構分析結果有影響。但縱向載荷方向變化對軸橋強度有較大的影響。取產生最大應力方向為縱向載荷施加方向,故縱向載荷方向為使縱梁連接座受拉伸作用。因此實際計算過程只需考慮1,2,4這三種載荷工況,簡化計算分析過程。
       主要運營載荷分為:垂向載荷及橫向載荷,于縱向梁連接座的牽引載荷,位置與超常載荷相同。由于低地板列車的自身特點,低地板列車軌道建于普通公路,在軌道線路方面特別是曲線方面與傳統軌道線路有所不同,即在通過曲線時不存在超高工況,因此線路扭曲載荷不作為主要運營載荷。根據軸橋的結構特點,選擇應力較大及易發生疲勞裂紋的7個點為疲勞強度評估測點(見圖)。
       利用Hypermesh與ANSYS軟件對軸橋進行強度分析校核,從理論上觀察了解該軸橋在各載荷工況下的應力分布情況。處理時簡化軸橋結構,移除小半徑圓角過渡改為直角,分析結果不會與實際情況產生較大誤差。

       由超常載荷分析結果(見圖)不難發現,軸橋超常載荷最大vonMises應力出現在軸端凸臺上側附近,即軸承安裝約束位置,最大vonMises應力為139.659MPa,小于鋁合金2014-T6的屈服極限。分析結果表明,軸橋在超常載荷作用下不會出現屈服變形,滿足工作需要。

                                                                                專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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