基于workbench 分析的轴箱体局部结构优化设计

周 莉

(1.同济大学，上海201804;2.株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

轴箱装置的作用是，将轮对和侧架或构架联系在一起，使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动;承受车辆的重量，传递各方向的作用力;通过固定在轴箱体上的轴箱外端盖固定如传感器、接地装置等各种附属装置。马来西亚安邦线轴箱体三维模型如图1 所示。参照以往的土耳其伊兹密尔项目轴箱体，为了降低轴箱体所受的应力，在轴箱体底板与轴承安装孔之间设置了加强筋，增设加强筋虽有利于改善轴箱体关键区域的应力状态，但也带来了铸造困难与增加轴箱体重量等一些问题。因此，有必要通过有限元分析来评估加强筋对轴箱体关键受力区域的影响，进而决定在实际生产过程中是否应在轴箱体中部增设加强筋。

图1 马来西亚安邦线轴箱体三维模型

1 计算模型建立

利用ANSYS workbench 对轴箱体进行有限元分析，在本次仿真分析中，根据本轴箱体安装使用的特点，在轴箱轴承安装孔内以轴承载荷的形式施加垂向载荷和纵向载荷。其中垂向载荷沿w 轴正向，大小经计算为88 396 N，纵向载荷沿x 轴正向方向，大小经计算为49 980 N;在轴承安装孔侧面施加横向载荷，横向载荷沿v 轴负向方向，大小经计算为49 200 N;在轴箱体的一系簧安装座表面施加垂向弹簧支撑，一系簧安装孔内施加纵向和横向弹簧支撑，具体如图1 所示。轴箱体有限元模型采用四面体进行修复网格划分，共有约300 000 个网格单元、450 000个节点，如图2 所示。

2 计算结果

通过ANSYS workbench 计算轴箱体的 von-mises 应力，计算结果如图3 所示。图3(a)为增设加强筋后的轴箱体应力分布云图，从图中可以看出，轴箱体所受最大von-mises 应力为159.48 MPa;图3(b)为不设加强筋的轴箱体应力分布云图，从图中可以看出，轴箱体所受最大von-mises 应力为172.22 MPa;取消加强筋使轴箱体的最大应力增大了12.74 MPa。在本项目中，增设加强筋将使轴箱体的重量增加约1.3 kg。

图2 轴箱体网格划分结果

图3 轴箱体应力计算云图

将计算后轴箱体进行相应处理可以看到加强筋的应力分布状态，从图4 可以看出，加强筋的大部分区域所受的应力均较小，在17.762 MPa 以下，由此可见，此加强筋发挥的效用较为有限。

图4 加强筋应力分布云图

3 结果分析

(1)取消加强筋后，轴箱体的最大应力从159.48 MPa 增大为 172.22 MPa。

(2)轴箱体的材料为C 级钢，C 级钢的抗拉强度 σb=620 MPa，在超常载荷作用下，取安全系数S =2，则许用应力［σp］=310 MPa。由此可见，轴箱体在未使用加强筋的条件下也满足许用强度条件。

(3)增设加强筋将使轴箱增重约1.3 kg，此外，增设加强筋也增加了制造成本，对铸造工艺也提出了更高的要求;未设加强筋的轴箱体最大应力小于C 级钢许用应力，因此在设计时可取消此加强筋。

［1］严隽耄.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］李志君，许留旺.材料力学简明教程［M］.成都:西南交通大学出版社，1998.