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高速动力车车轴强度有限元分析

发布于:2022-06-20 19:39
有限元分析

      车轴是高速机车车辆转向架的关键承载部件,其强度决定着高速列车的运行安全我国铁道机车车辆车轴强度的计算方法主要有:有限元分析法和铁标TB/T 2395机车车轴设计与强度计算方法。近几年,主要采用有限元法,计算结果可靠,但分析周期较长计算成本较高,须配备先进的计算机设备和有限元软件,铁标TB/T 2395给出的计算方法仅适用于运行速度小于120 km/h的机车车轴强度计算,对高速动力车车轴是否适用还有待于进一步研究,本文以我国270 km/h对空心轴式高速动力车转向架车轴为例,提出确定高速动力车车轴危险断面应力的工程计算方法。
      高速动力车运行时,车轴载荷主要包括:动力车上部结构通过一系悬挂系统传递到轴箱上的垂向载荷和横向载荷;轮轨接触点作用于车轮上的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷;轴箱拉杆作用于车轴上的纵向载荷;驱动系统或制动系统作用于车轴上的载荷;驱动齿轮和制动盘质量载藏可分为以下3类:(1)簧上质量载荷;(2)驱动载荷;( 3)制动载荷。
      车轴在簧上质量载荷作用下,其受力状态如图,所示图中为一系簧上质量运动产生的作用于轴箱上的垂向载荷和横向载荷;分别为轮轨接触点作用于车轮上的垂向载荷和横向载荷;F为安装在车轴上的驱动系统集中质量和制动系统集中质量产生的作用于车轴的垂向荷载。
      车轴承担的驱动载荷为驱动扭矩MG,通过内外空心轴传动系统作用于车轴上,作用位置在一侧车轮轮辐上。
      车轴的应力集中出现在车轴的注油压装部位滚动轴承安装部位和滚动轴承定位部位在铁标TB/T 2395中,计算断面应力集中系数的确定从图中查取,取值误差较大在国际铁路联盟标准UIC5153/1994《铁道机车车辆转向架车轴计算方法》和欧洲铁路联盟标准EN13041/13042-199(铁道转向架驱动车轴设计和计算方法),车轴结构应力集中系数分为两类,轮轴压装部位和滚动轴承安装及定位部位材料机械性能对结构应力集中系数的影响,在确定材料许用应力的安全系数时由公式进行修正。
      在铁标TB/T 2395中,仅给出车轴材料JZ钢和50钢的疲劳极限,对于采用新型车轴材料的许用应力的选取和确定方法没有明确规定,给采用新型材料的车轴设计和强度计算带来困难在UIC515和EN 13041/13042标准中,对于不同用途的车轴,安全系数取值不同,且车轴不同区域的许用应力取值不同。给出用C35e钢制造的实心和空心车轴的设计许用应力和安全系数。对用其它材料制造的车轴,安全系数以材料C35e钢的安全系数为基础。
      以速度为270 km/h轮对空心轴式高速动力车为例,用本文计算方法分析车轴危险断面的应力状态。
      目前,我国关于高速铁道机车车辆车轴强度计算载荷工况没有明确规定,为此,根据UIC515EN 13041/13042和德国联邦铁路标准BN 421022-199(驱动轮对车轴计算)的规定确定高速动力车转向架车轴强度计算的载荷工况分别为:(1)曲线制动工况;(2)启动工况;(3)紧急制动工况。
      在给出的计算载荷值下,文中方法和有限元法得出的车轴应力分布趋于一致车轴最大应力出现在轮轴压装区断面3,计算结果表明,文中方法和有限元法计算结果的相对误差小。如果该车轴用材料制造,最大应力断面3的车轴区域安全系数S=14,在上述载荷工况下,车轴的最大应力小于其许用应力167N/mm2,其它断面的应力值均小于相应区域的许用应力。


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