160 kmh货车摇枕的有限元分析

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1、文章编号：1003-1421(2010)09-00　　中图分类号：U270.1+2　　文献标识码：B160km/h货车摇枕的有限元分析阮保荣（北京京北职业技术学院机电工程系，北京1014100）摘要：通过分析速度为160km/h货车转向架摇枕的结构特点，选用ANSYS软件作为有限元分析工具，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际相符合的原则建立摇枕模型。依据TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》，对该货车摇枕的主要载荷进行计算和工况分析。由于摇枕结构复杂，需要用第四强度理论进行评价

2、，即用当量应力对静强度进行了评定。关键词：货车摇枕；有限元分析；载荷工况；强度计算铁路货车主要用于运送各种货物，转向架是铁路货车的关键部件[1-2]，其中摇枕是转向架的重要部件[3]。摇枕的作用是将车体作用在下心盘上的力传递给支撑在其两端的枕簧上，另外还用于把转向架左右两侧架联系成一个整体，其可靠性能影响机车的走行品质和安全性，必须满足一定的强度要求。随着计算机的普及和计算方法的发展，有限元法已成为摇枕强度分析的主要方法。1转向架摇枕的结构特点为适应摇枕中央部位受弯矩大、两端受弯矩较小的情况，摇枕中

3、央的截面比两端大，使中央部位具有较大的截面模数，这种形式的摇枕称为鱼腹形摇枕[4]。这种结构既能保证摇枕具有足够的强度，又可以节约材料和减轻自重。以下分析的摇枕是速度为160km/h的货车，结构为鱼腹型，实体模型如图1所示。图1摇枕实体模型图2摇枕有限元模型选用ANSYS软件作为有限元分析工具。为了保证计算精度，在建立有限元模型时，根据摇枕结构特征及载荷情况，按照与实际情况相符合的原则建立摇枕模型，取该摇枕的1/2结构进行网格划分[5]，摇枕沿纵向轴的一半有限元模型如图2所示，其共有102595个单

4、元，189350个节点。图2摇枕有限元模型3载荷计算及工况53.1载荷计算计算的摇枕匹配的转向架为新型转向架，同时设计速度较高，载荷计算时以TB/T1335-1996《铁道车辆强度及试验鉴定规范》[6]为主要依据，同时考虑实际情况予以适当调整。转向架的主要参数如表1所示。表1转向架主要技术参数技术参数数值最高速度160km/h轨距1435mm轴重18t转向架自重5.2t固定轴距1900mm旁承中心距1520mm轴颈中心距2000mm轴箱弹性悬挂装置静挠度空车挠度25mm重车挠度65mm当量挠度40m

5、m每轴箱弹簧组刚度纵向刚度10MN/m横向刚度5MN/m3.1.1垂向静载荷垂向静载荷Pst为：Pst＝10(n·PR－PT)＝10×(2×18－5.2)＝308kN式中：PR为允许轴重，t；n为转向架的轴数；PT为转向架的自重，t。3.1.2垂向动载荷垂向动载荷Pd为：Pd＝kdy×Pst＝0.35×308≈108kN式中：kdy为垂向动荷系数。kdy的计算为：kdy＝(a＋bv)/fj＋dc/＝(1.5＋0.05×160)/40＋1.65×0.427/≈0.35式中：fj为车辆在垂向静载荷下的弹

6、簧静挠度；v为车辆的构造速度；a为系数，取值1.50；b为系数，取值0.05；c为系数，取值0.427；d为系数，货车取值1.65。3.1.3垂向总载荷垂向总载荷P为垂向静载荷与垂向动载荷之和，即：P＝Pst＋Pd＝308＋108＝416kN3.1.4侧向力引起的附加垂向载荷Pf＝(Hk·h)/(m0×2b2)式中：Hk为侧向力，包括风力Ha和离心力Hb；h值取决于Hk，若为风力则h取车体侧面积形心至车轴中心线所在水平面之间的垂向距离h1，h1＝2.487m，若为离心力则h取车体重心至车轴中心线所在

7、水平面之间的垂向距离h2，h2＝1.435m；2b2为轮对两轴颈中心线之间的水平距离，2b2＝2.0m；m0为车辆一侧的轴箱数，m0＝4。其中，Ha的计算为：Ha＝PS式中：P为风压力，S为车体侧向投影面积。由参考文献[4]可知，P＝540N/m2，S＝46.01m2，则Ha＝25kN。由参考文献[4]可知，Hb＝0.1×2Pst≈62kN。则每一轴箱的垂向增减载荷为：Pf＝Pf1＋Pf2＝(25×2.487)/(4×2.0)＋(62×1.435)/(4×2.0)≈19kN3.1.5侧向力和轮轨间作

8、用力所引起的水平载荷侧向力和轮轨间作用力所引起的水平载荷Hk为：Hk＝Ha＋Hb式中：Ha为风力；Hb为车辆通过曲线时的离心力。5根据以上公式计算得：Hk＝25＋62＝87kN。作用在转向架心盘上的侧向力[4]H＝Hk/2＋Hz≈49kN，轮轨间的滑动摩擦力F＝22.5kN，则H/(4F)＝49/90＝0.544；由a与H/(4F)的关系图和a与Y1/(4F)的关系图[4]，查得Y1＝91kN。则滚动轴承必须给予轴颈的作用力如下。前轮对每侧轴颈：H1＝22.5kN，T