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转向架铝合金轴桥结构及强度有限元分析

发布于:2021-01-23 20:02
有限元分析

       作为低地板转向架结构的新趋势,一级悬挂低地板转向架已被国外企业所采纳和使用,该类转向架只有一级悬挂,相较于传统转向架在高度上能提供更大的降低空间,车间悬挂位于轴箱位置,与传统低地板转向架相比有更佳的点头及摇头稳定性,因而应用于速度较低的低地板列车上有一定优势,但一级悬挂也不可避免的带来一个问题:绝大部分装置将直接安装于转向架上,造成簧下质量过大,因此一级悬挂低地板转向架需要采用轻量化设计才能缓解或避免簧下重量过大的弊端,轴桥作为低地板转向架重要部分,一级悬挂轴桥与传统低地板轴桥有所不同,国内也缺少对该类轴桥的研究。因此设计一种应用于该种转向架的铝合金轴桥,并依据标准对轴桥进行静强度及疲劳强度有限元分析校核,材料与加工采用铝合金材料是轻量化设计的普遍选材,以铝合金替代传统铸钢、铸铁件,保证部件强度韧性同时减轻重量,铝合金锻件的优点,即为内部组织细密、均匀、无缺陷,其可靠性高于铝合金铸件,铝合金锻件还具有良好的耐腐蚀性、导热性和非磁性,这些都是传统铸钢件所无法比拟的,锻造方式采用尺寸较易控制的模锻工艺。
       采用焊接及攻丝处理,因此整个轴桥的联接方式采用对穿孔螺栓方式联接结构特点模锻铝方式无法采用铸件的空腔结构,宜与其他部件采用对穿孔螺栓联接,因此锻铝轴桥在结构上与传统铸钢轴桥有较多不同,结构设计中考虑到锻造特点,所有转角部位均设计为圆角形式,以减少锐角效应和应力集中现象,提高承载能力,在尺寸变化较大部位采用钝角斜面配合大圆角的组合设计,保证锻造中的金属流动性,弯轴底部采用倒梯形设计,便于退模,锻铝材料采用2014铝合金,2014合金是锻铝中的典型合金,该铝合金的特点是强度高、有较好的热塑性、能承受较高应力。该材料为轻质高强度材料,用于高负荷结构件,其T6状态具有较好的强度和韧性,而质量较钢大大降低。
       超常载荷主要考虑垂向载荷、垂向脱轨载荷、横向载荷及纵向冲击载荷,参考UIC615-4得到工况组合表(见表)及各载荷施加位置,根据螺栓联接特性及载荷方向,确定载荷具体位置。
       由于结构对称性,改变横向载荷方向不会对结构分析结果有影响。但纵向载荷方向变化对轴桥强度有较大的影响。取产生最大应力方向为纵向载荷施加方向,故纵向载荷方向为使纵梁连接座受拉伸作用。因此实际计算过程只需考虑1,2,4这三种载荷工况,简化计算分析过程。
       主要运营载荷分为:垂向载荷及横向载荷,于纵向梁连接座的牵引载荷,位置与超常载荷相同。由于低地板列车的自身特点,低地板列车轨道建于普通公路,在轨道线路方面特别是曲线方面与传统轨道线路有所不同,即在通过曲线时不存在超高工况,因此线路扭曲载荷不作为主要运营载荷。根据轴桥的结构特点,选择应力较大及易发生疲劳裂纹的7个点为疲劳强度评估测点(见图)。
       利用Hypermesh与ANSYS软件对轴桥进行强度分析校核,从理论上观察了解该轴桥在各载荷工况下的应力分布情况。处理时简化轴桥结构,移除小半径圆角过渡改为直角,分析结果不会与实际情况产生较大误差。

       由超常载荷分析结果(见图)不难发现,轴桥超常载荷最大vonMises应力出现在轴端凸台上侧附近,即轴承安装约束位置,最大vonMises应力为139.659MPa,小于铝合金2014-T6的屈服极限。分析结果表明,轴桥在超常载荷作用下不会出现屈服变形,满足工作需要。

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