动车组齿轮箱吊杆有限元分析及试验验证

孟永帅+王起梁+宫峰+马玉强+张再利

摘要：以某动车组齿轮箱吊杆为研究对象，依据ASME V&V标准对建立的吊杆有限元模型进行网格精度校核，并在此基础上对吊杆在极限载荷下的静强度进行计算分析。通过分析结果与试验结果的对比，验证齿轮箱吊杆有限元模型的可靠性。

关键词：动车组；齿轮箱；吊杆；套筒；校核；静强度；ASME V&V；有限元

中图分类号：U260.332 文献标志码：B

0引言

齿轮箱吊杆是动车组转向架传动系统的关键零部件，其结构的合理性直接影响整个传动系统工作的可靠性，因此，在齿轮箱吊杆设计阶段，需要对其结构强度进行校核。

近年来，随着计算机技术和有限元软件的飞速发展，计算机仿真技术在设计过程中得到越来越多的应用，产品开发周期大大缩短。由于齿轮箱吊杆的实际结构复杂，连接边界条件多样，若结构简化或连接处理不当则会影响有限元分析结果的准确性，因此有必要对其有限元分析模型及结果进行校核和验证。

1齿轮箱吊杆结构

某动车组齿轮箱传动系统主要包含齿轮箱吊杆总成、齿轮箱总成、联轴节和接地装置等，见图1。吊杆总成是传动系统的主要部件，由吊杆体、套筒、橡胶块、橡胶垫、带槽螺母、垫片等零件组成，见图2。吊杆一端与转向架构架连接，另一端与齿轮箱吊挂座连接。电机载荷通过联轴节传递到齿轮箱上，经由齿轮传递到车轮上，从而驱动动车组列车前进。

2齿轮箱吊杆有限元模型建立

齿轮箱受力分析见图3。由分析可知，齿轮箱吊杆受力为二力杆结构。假如小齿轮端由电机转动施加扭矩M_d，那么由大、小齿轮的啮合关系可知，大齿端扭矩为M_di（i为齿轮箱大小齿轮传动比）。

由力矩平衡方程可得吊杆受到的载荷为

根据齿轮箱受力分析，当输入扭矩方向不同时，齿轮箱吊杆分别承受拉载荷和壓载荷。齿轮箱吊杆简图见图4。在工作中，吊杆体只承受拉载荷，而套筒只承受压载荷，因此在进行吊杆强度有限元计算时，需要对吊杆体和套筒分别进行计算。

在Pro/E中对吊杆三维模型进行简化，将简化后的模型通过Step中间格式导人到有限元软件中，采用六面体单元对吊杆模型进行网格划分，分别建立吊杆在拉载荷和压载荷下的有限元分析模型，见图5。

吊杆材料为45号钢，密度为7 800 kg/m³，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。根据吊杆的受力状况，在吊杆分析模型一端施加全约束条件，在另一端施加受力载荷。

3齿轮箱吊杆有限元模型校核

有限元计算模型建立后，需要对模型进行校核，只有通过校核的模型，才能用于后续的预测分析。

为校核模型网格精度是否满足要求，即排除网格大小对有限元计算结果的影响，依据ASME V&V标准对模型进行校核。在建立的吊杆拉、压计算模型中分别施加10 kN的轴向拉、压载荷，并选取图6中的位置节点作为校核对象。endprint