某型号地铁转向架中心销强度有限元分析与研究论文_段泽斌,于云海,刘阳

摘要：以转向架中心销为研究对象，基于CROE、HyperMesh、Ansys等软件建立其有限元模型。通过分析计算，对中心销及相关部件进行了有限元分析研究。分析结果表明：中心销等零部件满足强度设计要求；中心销结构可靠性较高，留有一定的拓扑设计余量，进一步减低中心销质量，实现整个转向架系统的轻量化目标。

关键字：中心销；有限元分析；地铁转向架；强度分析

1前言

中心销作为高速列车转向架用核心零部件之一，一端通过螺栓与车体或枕梁连接，另一端中心销通过锥形套与牵引梁相连，中心销与牵引梁作为枕梁或车体与转向架的连接件，传递车体或枕梁与转向架之间的牵引力与制动力，承受这车体或枕梁与转向架各向冲击，受力环境非常恶劣，中心销结构可靠性直接影响车辆的安全运行[1]。计算载荷依据标准UIC615-4《动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》、EN13749《铁路应用—转向架构架结构要求的规定方法》确定[2]，通过仿真计算验证牵引装置强度是否满足要求。

本文通过CREO软件创建中心销模型，使用HyperMesh软件对中心销模型进行高质量的网格划分[3-4]，最后利用Ansys软件对中心销进行有限元分析，得到中心销的Von Mise应力云图，分析中心销危险区域与安全区域，为中心销的优化设计提供有力保证。

2模型创建

2.1中心销及相关零部件模型

中央牵引装置主要由中心销、牵引梁、牵引拉杆等部件组成，如图2.1所示。

图1中心销及相关零部件模型

2.2中心销材质

中心销所用材料见表2-1。

表2-1牵引装置零部件所用材料表

2.3有限元计算模型及载荷

中心销的有限元模型采用Hypermesh进行网格划分，单元类型采用10节点四面体单元Solid 185。牵引装置传力杆件用beam 188单元替代[4]，如图2所示。

3中心销强度分析

3.1超常载荷

3.1.1纵向冲击载荷

根据EN13749，动力转向架构架承担的纵向超常载荷：

Fxmax=±3m1+g=±3×7.0×9.81=±206.01KN

式中：m1+为动车动力转向架质量，t；

拖车转向架构架承担的纵向超常载荷为：

Fxmax=±5m2+g=±5×4.6×9.81=±225.63KN

式中：m2+为拖车动力转向架质量，t；

由于动车和拖车转向架构架的结构相同，这里取较大的数值225.63kN。

3.1.1横向载荷

该载荷由横向止档和空气弹簧共同承担，载荷的分布取决于二系弹簧悬挂的间隙和刚度。空簧受力为Fys=2.94KN，横向止挡所受力为Fyb=105.68KN。

图2中心销网格模型及载荷

3.1.1纵向载荷

在电机短路及启动作用下，中心销受到的纵向载荷为126.8KN，

3.2中心销静强度分析

3.2.1超常载荷工况

中心销组合工况三种：工况1、纵向载荷+225.63kN，无横向载荷；工况2、纵向载荷+225.63kN，横向载荷+105.68KN；工况3、纵向载荷+225.63kN，横向载荷-105.68KN；

3.2.2计算结果

图3超常载荷工况1下牵引销应力云图

在超常载荷下，中心销当量应力分布云图如图3至图5所示，最大当量应力为346.435MPa，小于其材料C级钢的屈服强度415MPa，

满足设计要求。

图4 超常载荷工况2下牵引销应力云图 图5 超常载荷工况3下牵引销应力云图

分析发现：潜在危险区域出现在螺栓与枕梁或车体连接和中心销锥面缩颈位置，由于中心销大面与枕梁或车体相连，进一步限制了螺栓处应力，此处安全等级较高；中心销锥面以等刚度理论设计，保证了此处在恶劣冲击下，仍能处于较低的应力状态。中心销其他位置应力分布处于较可靠区域，安全系数较高，对此可进行简单的拓扑结构设计，进一步减低中心销的重量，实现整个转向架系统的轻量化目标。

4结论

通过对转向架中心销的静强度分析，可以得到如下结论：在超常载荷作用下，中心销最大当量应力为346.435MPa，小于其材料C级钢的屈服强度415MPa，满足设计要求。经一步分析下，中心销大部分结构处于高可靠位置，可进行简单的拓扑结构分析，减低中心销质量，实现整个转向架系统的轻量化目标。

参考文献

[1]董锡明.高速动车组工作原理与结构特点[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]UIC615-4OR转向架构架结构强度试验[S].2003.

[3]张锁怀,李永春,孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J].机械设计与制造,2009,(1):45-47.

[4]张文学,史秋萍,高文捷.Hypermesh与ANSYS在构架有限元计算中的应用[J].铁道机车车辆2015,35(z1).

论文作者:段泽斌,于云海,刘阳

论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/22

标签：转向架论文;  载荷论文;  中心论文;  工况论文;  强度论文;  应力论文;  构架论文;  《电力设备》2020年第1期论文;