時速160公里客運架懸轉(zhuǎn)向架電機懸掛長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

1、    時速160公里客運架懸轉(zhuǎn)向架電機懸掛長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析    李建國摘 要： 重點介紹了轉(zhuǎn)向架電機懸掛長吊臂及連接座結(jié)構(gòu)，不同工況的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程及優(yōu)化后的分析結(jié)果。關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向架;長吊臂;連接座;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;分析1 概述時速160公里機車轉(zhuǎn)向架為公司新設(shè)計轉(zhuǎn)向架，電機懸掛方式為：3個橡膠關(guān)節(jié)與構(gòu)架形成彈性聯(lián)接，同時設(shè)計采用鋁合金承載式齒輪箱。作為電機懸掛的重要部分，長吊臂一端與電機通過螺栓聯(lián)接，一端為橡膠關(guān)節(jié)與構(gòu)架相連，另外長吊臂上還設(shè)有與齒輪箱的連接座，傳遞機車運行中齒輪箱所產(chǎn)生的力。長吊臂及連接座屬于重要受力結(jié)構(gòu)，受力情況

2、復(fù)雜，設(shè)計階段需要對其結(jié)構(gòu)強度進行分析優(yōu)化。2 分析前期的相關(guān)說明2.1 分析軟件與相關(guān)資料本次分析采用ansys workbench14.0，工況參考了驅(qū)動單元齒輪箱強度計算加載規(guī)范 （2015.05.12，以下簡稱加載規(guī)范），電機相關(guān)參數(shù)參考4400hp客運車配套cdjd113c牽引電機機械參數(shù)，20141205。材料方面：1，齒輪箱為鋁合金材質(zhì);2，長吊臂和連接座為鑄鋼結(jié)構(gòu)，擬采用b級鋼，屈服為260mpa，抗拉485mpa。2.2 分析工況說明本次分析工況主要參考了加載規(guī)范，包括規(guī)范超常載荷工況和常用載荷工況，在此基礎(chǔ)上增加了運用超常載荷工況，具體為：整個裝置在承受垂向5 g、橫向3

3、g和縱向3 g的慣性力沖擊的同時還承受了驅(qū)動系統(tǒng)持續(xù)扭矩作用所產(chǎn)生的力。上述3個工況的評價標(biāo)準(zhǔn)分別為屈服極限、goodman圖、許用應(yīng)力。其中許用應(yīng)力=屈服極限/1.5=173mpa。2.3 分析模型簡化及邊界條件說明根據(jù)分析工況，對模型進行簡化，對長吊臂強度分析無影響的結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)量點代替，例如主從動齒輪，從動齒輪軸承等，最后僅針對主要分析對象（長吊臂和連接座）采用10mm的四面體劃分網(wǎng)格，得到有限元分析模型。分析模型的邊界條件也進行了相關(guān)設(shè)置，坐標(biāo)系參考加載規(guī)范中的設(shè)定，3個橡膠關(guān)節(jié)在沿x軸，y軸，z軸三個方向上設(shè)置一定的剛度，同時釋放繞x軸，y軸，z軸的三個旋轉(zhuǎn)自由度。分析中載荷的加載按

4、加載規(guī)范中的設(shè)定。3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化為更好的了解原結(jié)構(gòu)在受力工況下的應(yīng)力分布情況，首先選取一種工況對原結(jié)構(gòu)進行仿真分析，找出原結(jié)構(gòu)中相對應(yīng)力偏大區(qū)域，針對這些區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后仍采用相同工況對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行分析，驗證優(yōu)化的效果。3.1 原方案分析采用加載規(guī)范“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對原方案進行了分析，分析結(jié)果為長吊臂最大應(yīng)力為347.58mpa，在減重孔和連接座接口附近筋板處有應(yīng)力集中情況，連接座最大應(yīng)力為361.73mpa，過渡筋板處應(yīng)力普遍偏大，兩個零件上有多處已經(jīng)超過材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化調(diào)整。3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析根據(jù)以上的分析結(jié)果，在保證外部接口不變的條件下，對長

5、吊臂及連接座結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整。其中長吊臂局部結(jié)構(gòu)共進行了三部分的調(diào)整：1，強化調(diào)整連接座接口附近結(jié)構(gòu)，提高該處結(jié)構(gòu)強度，同時也兼顧了工藝方面的考慮。2，在大圓弧處設(shè)置減重孔，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，適當(dāng)?shù)倪M行減重設(shè)計。3，優(yōu)化原結(jié)構(gòu)減重孔附近結(jié)構(gòu)，加強該部分抗扭能力。4，長吊臂與齒輪箱連接座的具體結(jié)構(gòu)也作了適當(dāng)調(diào)整，拉開定位孔z方向上的間距，采用大圓弧連接過渡，以達到降低應(yīng)力的目的。3.3 優(yōu)化方案分析同樣采用加載規(guī)范“4.1 超常載荷工況”中的第七組工況對優(yōu)化方案進行了分析，分析結(jié)果是長吊臂最大應(yīng)力為205.87mpa，連接座最大應(yīng)力為241.49mpa，比原方案有明顯

6、的降低。長吊臂最大應(yīng)力變化率為40.77%，連接座最大應(yīng)力變化率為33.24%。除了最大應(yīng)力有明顯的降低外，優(yōu)化方案整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，過渡更為平滑，在新增加的減重孔附近未有明顯的應(yīng)力集中情況，兩個零件的總重由原來的126.20kg減少到122.99kg，降低了2.54%，另外結(jié)合制造工藝方面的考慮，優(yōu)化方案是切實可行的。4 工況分析針對上述的優(yōu)化方案，根據(jù)2.2節(jié)中的工況進行長吊臂和連接座的結(jié)構(gòu)強度分析。4.1 超常載荷工況4.1.1 規(guī)范超常載荷工況根據(jù)加載規(guī)范4.1節(jié)中表5的描述，共8組工況進行仿真分析，具體的分析結(jié)果顯示長吊臂和連接座上的最大應(yīng)力分別為227.52 mpa和24

7、9.49 mpa，低于材料的屈服極限，滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。4.1.2 運用超常載荷工況具體工況如下表所示，具體的加載位置參考加載規(guī)范中的設(shè)定。運用超常載荷工況列表分析結(jié)果顯示，長吊臂和連接座上的最大應(yīng)力分別為124.94mpa和130.35mpa，低于材料的許用應(yīng)力（173mpa），滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。4.2 常用載荷工況根據(jù)加載規(guī)范4.1節(jié)中表10的描述，共8組工況進行仿真分析，然后利用抗拉370n/mm2的鋼的goodman圖進行疲勞強度評價。分析對象上的所有節(jié)點都在范圍內(nèi)，長吊臂和連接座的疲勞強度滿足要求。5總結(jié)本次分析在原結(jié)構(gòu)仿真計算的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方案，并針對優(yōu)化方案進行了超常載荷及常用載荷工況仿真分析，分析結(jié)果表明：1，超常載荷工況下，整個結(jié)構(gòu)分析結(jié)果