机车轴箱弹簧强度分析

兰州交通大学毕业论文I机车轴箱弹簧强度分析兰州交通大学毕业论文II摘 要随着我国铁路进入高速重载的新时代，铁路列车运行的平稳性与安全性越来越重要。轴箱弹簧是机车转向架的关键部件之一，其性能的稳定性直接影响机车运行的安全及平稳。弹簧承载情况及工作环境十分复杂，所以，弹簧的强度、疲劳寿命具有非常大的随机性，是广大工程技术研究人员十分关注的问题。因此，研究弹簧强度、疲劳寿命具有重要的理论及实际意义。本文对韶山 4 型电力机车的轴箱弹簧进行了分析，利用三维软件 Solidworks 进行建模仿真，并利用其 Simulation 模块对轴箱弹簧进行刚度、静强度、疲劳寿命分析。通过分析轴箱弹簧强度、寿命，对影响轴箱弹簧强度、寿命的因素做了一定的总结。通过分析可以发现圆柱螺旋弹簧在其支撑圈与工作圈过渡处最容易发生断裂，弹簧的制作生产工艺也会对弹簧的强度、寿命产生一定的影响。结合分析结果，为提高轴箱弹簧的强度、寿命，可以采取增加弹簧支撑圈数以及改进弹簧生产工艺等措施。关键词：轴箱弹簧，圆柱螺旋压缩弹簧，强度，优化兰州交通大学毕业论文IIAbstractWith Chinas railway enter a new era of speed and heavy duty，the smooth and security running of railway trains becomes more important Spring is one of the key components in vehicle, the stability of which affect the safety and stabilization of vehicle operation. There is very large randomicity in strength and fatigue life of spring for the complicated status of load and work environment. For its importance of practical application, the problem catches many engineers to research.The article analyzed the axle spring of the SS4 electric locomotive and used the Solidworks build a model and analyzed the stiffness, static strength and fatigue life of the axle spring. By analysis the strength and life of the axle spring we can make a summary of the factors which influences the strength of the axle spring. By the analysis we can find that the cylindrical spring has a most prone to fracture areas in the transition of the support ring and work coils, the production process also have an impact on the spring strength and life. Combining the results of the analysis improve the strength and fatigue life of the axle spring, the measures must be taken to improve the strength and fatigue life of the axle spring by increase the number of spring support ring as well as improved spring production process.Key word: Axle spring，Helical compression spring，Strength，Optimization兰州交通大学毕业论文1目录1 绪论 .11.1 背景 .11.2 电力机车发展及分类 .11.3 软件选用及介绍 .21.3.1 软件选用 .21.3.2 模块介绍 .22 模型建立及有限元分析 .42.1 三维模型建立 .42.2 静态分析 .72.2.1 刚度分析 .72.2.2 静强度分析 .82.3 模态分析 .92.4 疲劳寿命分析 .132.4.1 材料的 S-N 曲线 .142.4.2 疲劳强度缩减因子 .152.4.3 疲劳寿命估算 .162.5 小结： .163 影响弹簧疲劳寿命的因素分析 .173.1 弹簧疲劳寿命影响因素的理论分析 .173.2 弹簧疲劳寿命影响因素 .173.2.1 表面状态对疲劳强度的影响 .173.2.2 表面质量对疲劳强度的影响 .183.2.3 表面脱碳对疲劳强度的影响 .183.2.4 表面处理对疲劳强度的影响 .183.2.5 抛丸处理对疲劳强度的影响 .183.2.6 金相组织对疲劳强度的影响 .193.2.7 化学成分对疲劳强度的影响 .193.2.8 冶金缺陷对疲劳强度的影响 .203.2.9 屈服强度对疲劳强度的影响 .21兰州交通大学毕业论文23.2.10 腐蚀介质对疲劳强度的影响 .213.2.11 热处理工艺质量对疲劳强度的影响 .213.3 弹簧支撑圈参数对疲劳强度的影响 .214 弹簧优化改进 .234.1 螺旋圆柱压缩弹簧设计的一般要求 .234.2 螺旋圆柱压缩弹簧优化设计 .234.2.1 确定设计变量 .234.2.2 建立目标函数 .244.2.3 确定约束条件 .244.2.4 建立数学模型 .26结论 .28致谢 .29参考文献 .30兰州交通大学毕业论文11 绪论1.1 背景随着我国铁路运输进入高速重载的新时代，铁路列车运行的平稳性与安全性越来越重要。轴箱弹簧悬挂装置对车辆运行是否平稳舒适，能否顺利通过曲线并保证车辆安全运行起着重要作用。机车轴箱是联系轮对与构架的活动关节，装在车轴两端的轴颈上，用于将机车的全部簧上载荷，包括铅垂方向的动载荷传给车轴，并将来自轮对的纵向牵引力或制动力传到转向架构加上去。此外，机车轴箱还传递轮对与构架间的横向力。轴箱弹簧(又称一系弹簧)装配在车辆转向架上的轴箱与构架之间，以轮对轴箱为固定的硬基础，在构架的垂向、纵向和横向 3 方向提供可靠的柔性定位支撑，缓和车辆行驶过程中轮对振动、冲击对构架的影响，为二系减振提供柔性平稳的平台,确保车辆运行的平稳舒适 1。目前我国铁道车辆轴箱弹簧的种类有许多种。轴箱弹簧按其安装应用的车辆不同分为动车用轴箱弹簧和拖车用轴箱弹簧；按其材料不同主要分为两类：一类为钢弹簧；一类为橡胶弹簧。目前我国大部分机车轴箱弹簧采用钢制弹簧，其中钢制螺旋压缩弹簧应用最为广泛。本文针对 SS4 型电力机车轴箱弹簧，该型机车轴箱弹簧为圆柱螺旋弹簧，通过三维造型仿真建立其三维模型，然后运用 Solidworks 的有限元分析功能对其刚度、强度、寿命进行分析，并对其进行改进。1.2 电力机车发展及分类1835 年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人，试制了以电池供电的两轴小型铁路电力机车；1842 年,苏格兰的戴维森制造出一台由 40 组电池供电的标准轨距的电力机车；1879 年，德国的西门子设计制造了一辆小型电力机车，电源由机车外部的 150 伏直流发电机供给，能运载 20 名乘客，时速 12 千米，同年在柏林贸易展览会上，西门子驾驶这辆电力机车首次成功运行。1890 年英国伦敦首次用电力机车在 5.6 公里长的一段地下铁道上牵引车辆。1895 年美国的巴尔的摩铁路隧道区段采用干线电力机车。1903年，德国人用西门子公司和美国通用电气公司联合制造的三相交流电动机，在 23 千米长的电气化铁路上创造了时速 210 千米的记录。20 世纪初，欧洲就有几个国家曾建成几段以三相交流电供电的电气化铁路。中国 1958 年制成了第一台 “韶山”型电力机兰州交通大学毕业论文2车，1968 年制成了“韶山-1”型电力机车，开始了电力机车的发展道路。电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，电力机车也不一样，基本上可以分为直-直流电力机车、交-直流电力机车、交-直-交流电力机车三类。1.3 软件选用及介绍1.3.1 软件选用本文主要用用三维造型软件 SolidWorks，SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows开发的三维 CAD 系统，功能强大，组件繁多，易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。其主要优点：全 windows 界面，操作便捷，清晰、直观、整齐的“全动感”用户界面，灵活的草图绘制和检查功能，SolidWorks Simulation Professional 与 SolidWorks 无缝集成在一起，可以边设计边分析，对使用者的要求很高，强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能，快速生成符合 GB 的工程图。1.3.2 模块介绍主要应用模块有三维造型模块及有限元分析模块，各模块介绍如下：三维造型是 SolidWorks 进行有限元分析的前提，通过三维造型可以实现零件的造型仿真建立比较贴合实际的零件模型。SolidWorks 三维造型提供了不同的建模方法，可以更准确的建立模型。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总是满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方兰州交通大学毕业论文3法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法 2。兰州交通大学毕业论文42 模型建立及有限元分析机车轴箱是联系轮对与构架的活动关节，装在车轴两端的轴颈上，用于将机车的全部簧上载荷，包括铅垂方向的动载荷传给车轴，并将来自轮对的纵向牵引力或制动力传到转向架构架上去。此外，机车轴箱还传递轮对与构架间的横向力。轴箱弹簧(又称一系弹簧)装配在车辆转向架上的轴箱与构架之间，以轮对轴箱为固定的硬基础，在构架的垂向、纵向和横向 3 个方向提供可靠的柔性定位支撑，缓和车辆行驶过程中轮对振动、冲击对构架的影响，为二系减振提供柔性平稳的平台,确保车辆运行的平稳舒适。轴箱弹簧的主要作用体现在两个方面：一是使车辆的质量及载荷比较均匀的传给各轮轴，并使车辆在静载状态下，两端的车钩距轨面高度应满足“铁道技术管理规定”规定的要求，以保证车辆的正常连挂；二是缓和因线路的不平顺、轨缝、道岔钢轨磨耗和不均匀下沉，及因车轮擦伤、车轮不圆、轴径偏心等原因引起车辆的振动和冲击。由于有弹簧装置，使车辆的弹簧以上部分和弹簧以下部分分成既有联系又有区别的两个部分，簧上、簧下的作用力相互传递，而运动状态(位移、速度、加速度)又不完全相同。车辆内设置弹簧装置可以缓和轮轨之间相互作用，可以提高车辆运行的舒适性和平稳性，保证旅客舒适、安全，保证货物完整无损，延长车辆零部件及钢轨的使用寿命机车车辆用轴箱弹簧性能的具体要求是:轻载下 (小位移时)，产品应具备较小的垂向刚度，以避免车辆脱轨倾向。中等载荷时，产品应具备适中的垂向刚度，以保证有较好的高频减振性能。满、超载时，产品应具备适当偏大的垂向刚度，以保证车体高度无过大的下降。除了上述静态性能要求外，由于轴箱弹簧是在动态中使用的，必须具有较低的动静刚度比、优异的耐疲劳、耐动态老化等性能。最终目的是为了使产品获得良好的使用性能和较长的使用寿命。机车车辆的动力学性能及运行品质在很大程度上取决于弹簧悬挂系统的特性。运行中若发生悬挂弹簧断裂，将危及行车安全。目前铁路正向高速、重载的方向发展，这对机车零部件的质量提出了更高的要求。为此，需要精确计算分析弹簧受力状态，利用有限元法可以满足设计的要求，并缩短设计周期， 降低成本。本文以 SS4电力机车一系弹簧为研究对象，完成了弹簧静强度分析和疲劳寿命估算。2.1 三维模型建立SS4型电力机车是株洲电力机车厂 1985 年设计试制的 8 轴货运电力机车，是中国兰州交通大学毕业论文5第一台重载货运电力机车，同时也是第一台晶闸管相控电力机车和第一台 B0 转向架的电力机车。由各自独立又互相联系的两节四轴车组成，每节车均为一个完整的系统。该机车牵引及制动功率大、起动平稳、加速快、工作可靠、