基于有限元法的动车组轴箱强度分析

1、 基于有限元法的动车组轴箱强度分析 摘要：动车组轴箱轴承是动车组走行部的重要部件，是保障动车组安全运行的关键。目前我国各动车组高级修检修基地普遍不具有动车组轴箱轴承的检修能力，很多单位一直委托外方进行检修，这不仅增大了检修成本、检修周期，更制约我国动车组检修能力的提升。本文对动车组用轴箱轴承的检修方案进行了分析，对我国动车组轴箱轴承的检修能力提升提供技术基础。关键词：动车组列车；轴箱体；有限元法引言轴箱轴承是铁路车辆中最为关键的零部件之一，它起着支撑整个车辆和保证车辆正常运行的重要作用。高速动车组上每个轴承均安装了温度传感器以实时监测轴承温度，若温度异常将依据轴承温升报警逻辑进行报警，同时根据

2、不同温度执行相应的处置措施，来确保动车组的运行安全。虽然轴承温升并未给高速动车组运营带来严重影响，但按照运营管理办法，只要达到一级报警，车辆则需回库退卸轮对，对轴承进行检查，如此势必影响车辆的正常运营秩序，若车辆限速运行则会造成晚点等更加严重的影响。1研究背景随着高速铁路的快速发展，动车组列车安全性和可靠性的分析成为重要的研究问题。转向架作为车辆上重要的部件之一，除支撑整个车体的质量外，更重要的作用是承受和传递每个方向上的力，影响着车辆的舒适度、稳定性和安全性。而力的传递都要经由轴箱定位装置。轮对和转向架通过轴箱连接成一个整体，轴箱安装在车轴轴颈上，并具备良好的润滑和密封性能。因此轴箱定位装置

3、是影响车辆动力学性能的主要因素之一，设计出可靠性足够的轴箱装置也至关重要。为了更好地对动车组列车运行情况进行仿真，通过计算机simpack仿真软件建立车辆系统动力学模型对crh2型动车组转向架关键部位的载荷谱进行疲劳寿命评估。为保证轴箱体满足高速动车组关键部位的强度要求，必须对其进行强度校核。本文基于有限元分析和强度理论的方法，研究crh2动车组轴箱强度问题，验证其是否满足实际运营工况。根据uic6154标准规定的计算载荷和工况，利用应力云图法对高速动车组轴箱进行强度分析。通过材料的疲劳极限图验证轴箱疲劳强度满足设计要求。2轴箱体有限元模型及载荷计算2.1轴箱体有限元模型本文所分析的轴箱体为转

4、臂与轴箱一体式结构，转臂通过弹性节点与构架上的定位转臂座相连，轴箱端通过滚动轴承安装于车轴轴颈处。轴箱弹簧安装于轴箱体顶部与转向架构架弹簧座之间，垂向减振器安装于轴箱体前端的垂向减振器安装座与构架的侧梁之间。基于轴箱体的结构特点，将其离散成实体类单元。通过计算机自动离散及局部的人工干预，利用abques划分网格单元大小为8mm，共160870个四面体单元。在轴箱体的轴承座上加刚度系数为1.17和0.98mn/m的钢弹簧约束，在转臂定位圆柱面上加刚度系数为13.7和6.5mn/m的钢弹簧约束，在转臂定位圆柱面上旋转刚度分别为171620，171620，4595n*m/rad。按照标准加载的基础上

5、实现减振器座上200g的加速度的工况。2.2检修制度动车组轴箱轴承免维护工作性能（无需重新注油）不低于120万公里。轴承实行计划预防修的检修制度，按照走行公里数或运营时间（与各平台动车组高级对应）制定不同等级的修程方案。当轴承进行故障检修时，须根据故障现象及原因进行状态检修或分解检修。2.3轴承全面检查2.3.1车辆回库车底检查车辆回库后进行车底检查，主要检查轮对踏面有无擦伤、剥离，轴箱转臂定位装置外观是否异常，转向架其他部位是否有故障和松动，以排除其他原因导致的轴承温升。2.3.2轴箱外部检查主要检查轴箱、轴箱盖等外观有无击打损伤及漏脂情况，各部位螺栓防松标记是否错位，轴箱节点有无裂纹和破损

6、现象，轴箱是否转动灵活无卡滞，以排除轴箱损伤对轴承温升的影响。2.3.3轴温传感器检查主要检查轴温传感器外观、插头有无缩针、接线有无松动和虚接现象，测量传感器阻值是否在正常范围内，以排除传感器故障导致的误报。2.3.4轴箱开盖检查主要检查轴箱轴承密封罩外润滑脂情况、轴承前盖安装状态、紧固螺栓防松标记有无错位、轴承外端面是否锈蚀，排除对轴承温升的影响。2.3.5轮对退卸后轴箱内部检查轮对退卸后检查轴箱转臂、转臂箍内部和轴承外部的磨损情况，测量轴箱主要尺寸和轴承游隙，判断是否存在因安装不当或轴箱变形造成的异常磨损。2.3.6轴承分解后润滑脂状态及剩余量检查轴承分解后主要检查润滑脂分布状态是否均匀，

7、是否变干、变黑，对轴承清洗前后的整体及各组件称重，分析润滑脂的剩余量分布规律，并对不同位置的润滑脂分别取样化验。2.3.7清洗后轴承外观检查轴承清洗后检查轴承滚子、滚道及挡边的磨损状态，并检查保持架有无损伤。经检查多套轴承，未发现磕伤、剥离、异常磨损等问题，仅滚道面有明显的运转痕迹。2.3.8轴承微观检查为进一步分析故障原因，对轴承疑似缺陷位置进行了失效分析。通过扫描电镜对轴承滚道面微观状态进行检查。2.4压装轴箱轴承组装基本工序如下：（1）轴颈、防尘板座擦拭干净，轴端中心孔及螺栓孔内的铁屑和污物须清除。（2）检测轴颈直径、圆度、圆柱度和防尘板座直径，检测轴承内圈、防尘挡圈（或后挡圈）内径满足

8、限度要求。（3）轴颈及防尘板座表面涂刷润滑脂或安装膏。（4）轴承压装、轴端配件组装。轴承压装过程中须转动轴承，如出现卡滞现象，停止压装。（5）测量轴向游隙，轴承转动须灵活，不得有卡阻。2.5优化轴承设计为控制轴承温升提供更有效的措施，可对滚动体、滚道精度以及滚子与挡边接触面进行结构优化，从而提高轴承的额定动载荷以及理论计算寿命，降低工作面的摩擦以及轴承的工作温度，工作温度的降低同样可以延缓润滑脂的老化。目前，舍弗勒公司在版轴承基础上优化设计的版高铁轴承正在进行台架试验，后续会进行相应的线路试验以进一步验证。2.6动车组轴箱体的疲劳强度评价车辆上主要承载部件的疲劳强度评价方法一般利用smith图

9、进行疲劳强度评价。在上述的各种模拟载荷工况下，动车组轴箱体的最大的动应力出现在了轴箱体的转臂右侧的孔的位置，最大动应力为932mpa，同样位置第6种模拟工况所产生的应力值最小，其值为792mpa，由上式可得其平均应力为862mpa。将最大应力与平均应力的值绘制入材料的goodmansmith疲劳极限中，在关键受力部位的应力值未超出goodmansmith疲劳极限所允许的范围，所以轴箱体疲劳强度满足要求。2.7优化运行交路优化动车组交路排布，减少引起轴承温升的复合因素。轴承受个体差异影响，表现出温升有高有低，观察车辆运行过程中的温升差异，可以在夏季环境温度较高时选择温升状态较好的车辆，担当长大交路运行；处于轴承匀脂阶段的车辆建议选择站间距较小的交路，以延长匀脂周期。结语通过对新设计的高速动车组轴箱体的有限元建模，参照en13104标准和en13749标准，在满轴重条件下所进行的各种工况的计算结果表明，轴箱体符合静强度和疲劳强度要求，裕量充足，设计方案可行，能够满足高速动车组转向架安全运行的强度需要。为充分考虑减振器座上出现200g的加速度的载荷条件，理想化模型为轴箱体以转臂定位节点为转轴进行转动，加速度载荷采用角加速度的方式施加，这样能反映轴箱体各位置加速度的不同。考虑减振器座上出现200g的加速度的载荷条件，仅使减振器座局部