400 km/h高速列车轴箱体有限元仿真

戴晓超　张英波　王泽飞　许东日　王瑞卓　韩光旭

摘要：高速列车用轴箱体主要采用球墨铸铁制造，结构较重。针对400 km/h高速列车的轻量化需求，基于铝合金材料的成型特性重新设计了轴箱体结构，并采用CERO 3.0建立了铝合金轴箱体的三维模型，依据EN13749-2005标准，采用ANSYS Workbench分析了铝合金轴箱体在超常载荷工况和运营工况下的应力状态和疲劳强度。通过静强度和疲劳强度分析，验证了铝合金轴箱体结构的安全可靠性。

关键词：轴箱体;铝合金;静强度;疲劳强度;Workbench

中图分类号：TG457.14 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0097-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.18

0 前言

随着列车运行速度的提高，机车车辆对制动系统的要求也越来越高，高速列车过重将增加制动距离，零件耗损和能源消耗也会随之增加，由此可见减轻高速列车质量可以更好地控制列车的加速、减速和停车，减少事故的发生，提高列车运行的安全可靠性。目前轻量化的方向主要是采用先进结构、先进轻量化材料以及先进连接工艺。相比而言，轻量化材料的整车减重效果最好。在先进轻量化材料的研究和应用上，我国高速列车车体普遍采用铝合金作为主体材料代替不锈钢，减重效果非常显著[1]。然而高速列车除车体外，很多部件采用钢铁材料制造，轻量化空间较大。如将高速列车转向架轴箱体由球墨铸铁替换为铝合金，可实现轴箱体40%以上的减重效果[2]。轴箱体作为转向架的重要承载部件，其强度性能至关重要，一直是高速列车研究人员关注的重要问题。

本文以400 km/h高速列车转臂式轴箱为研究对象，采用CREO 3.0构建转向架铝合金轴箱体的三维模型，利用ANSYS Workbench進行轴箱体在超常载荷工况和模拟运营载荷工况下的静强度和疲劳强度分析，验证高速400 km/h高速列车铝合金轴箱体的安全可靠性。

1 轴箱体几何模型及有限元模型

1.1 轴箱体几何模型

采用CERO 3.0 构建的转向架轴箱体的三维模型如图1所示，由上箱体、下箱体和端盖三部分组成[3]，如图2所示。

轴箱体的上箱体、下箱体和端盖的制造材料均为7050模锻件，机械性能如表1所示。

1.2 轴箱体有限元模型

轴箱体结构强度分析在ANSYS Workbench 14.0有限元软件平台上进行，其结构的有限元模型如图3所示。

为了真实模拟轴箱体之间的配合关系，在两个轴箱间建立了一个假轴，通过接触单元考虑各部件之间的相互影响。轴箱体的有限元网格采用六面体为主的单元进行划分，最终轴箱体有限元模型获得459 874个节点和584 208个实体单元。

1.3 载荷工况及边界条件

400 km/h高速列车防脱线轴箱正常运营条件下静强度和疲劳强度分析的载荷和载荷工况主要依据EN 13749-2005《铁路应用-轮对和转向架规定转向架-构架结构要求的方法》[4]中对构架载荷计算的规定来确定。轴箱体主要承受垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、减震器垂向载荷。轴箱体有限元计算加载示意如图4所示。通过对轴箱体承受载荷的叠加组合确定了4个超常载荷工况和12个模拟运营载荷工况，如表2、表3所示。

2 许用应力的确定

2.1 静强度许用应力

根据UIC615-1标准，轴箱体结构在最大冲击载荷作用下，其静强度条件为：

（1）在拉应力区，结构的最大Von_Mises应力不大于制造材料的弹性极限，满足关系式

σVon_Mises≤σd0.2（1）

（2）在压应力区，结构的最大Von_Mises应力不大于制造材料的抗压强度，满足关系式

σVon_Mises≤σd（2）

另外，轴箱体结构在模拟运营载荷下最大Von_Mises应力不大于制造材料的许用应力，满足关系式[5]

σmax=（3）

2.2 疲劳强度许用应力

（1）试棒的疲劳极限。

轴箱体制造材料7050模锻件，对直径10.6 mm、45°角R0.25 mm V型缺口试棒，旋转弯曲疲劳试验的1×107循环时的疲劳极限强度为115 MPa;对于直径10.6 mm光滑试棒，旋转弯曲疲劳试验的1×107循环时的疲劳极限为275 MPa。

（2）结构的 Goodman 疲劳极限图。

实际结构的几何尺寸与形状、表面粗糙度和质量等级与光滑试棒存在差异，其结构的疲劳极限与试棒的疲劳极限满足关系式[6]

σ-1S≡εβCL=σ-1KεβCL（4）

式中 Kf为疲劳缺口系数;CL为载荷类型因子（CL =1.0）;ε为尺寸系数（ε=0.9）;β为表面状态系数（β=0.8）;σ-1为光滑试棒的疲劳极限;σ-1K为缺口试棒的疲劳极限。

7050模锻件制造结构疲劳极限σ-1S=82.8 MPa，其 Haigh 形式的Goodman疲劳曲线如图5所示。

3 结果与分析

3.1 轴箱静强度结果与分析

表4为轴箱箱体在所有静强度下的计算结果。由表4可知，转向架轴箱体在超常载荷作用下，其最大Von_mises应力为186.88 MPa，出现在超常载荷工况2，最大应力位置为轴箱转臂右方根部区域。运营工况下最大Von_Mises应力为128.54 MPa，出现在运营载荷工况6，最大应力位置为轴箱转臂右方根部附近。

由上述分析可知，轴箱体在超常载荷工况下最大应力并未超过轴箱在超常载荷作用下的许用应力421 MPa;在运营载荷工况下最大应力也未超过轴箱体在运营工况下的许用应力281 MPa。

因此轴箱体在各个载荷工况下安全系数大于1，即标准化动车组转向架轴箱体结构静强度满足EN13749的要求。图6和图7分别为轴箱体在超常工况2和运营工况6的应力云图。

3.2 轴箱疲劳强度结果与分析

在表3给出的载荷工况下，轴箱体节点的应力幅与许用应力幅的比较如图8 所示。轴箱体安全系数小于1.4的各节点的最大/最小应力、平均应力和应力幅如表5所示。

由图8、表5的计算结果可以看出，轴箱上箱体、下箱体和端盖应力幅值均小于其对应许用应力幅，最小安全系数1.07出现在上箱体靠近转臂定位座的圆弧过渡区域。因此，轴箱体上箱体、下箱体和端盖的疲劳强度满足设计要求[7]。

4 结论

根据400 km/h高速列车超常载荷和运营工况下轴箱体结构静强度和疲劳强度分析可得到以下结论：

（1）静强度载荷条件下，轴箱体超常工况最大应力为186.88 MPa，运营工况最大应力128.54 MPa，均小于材料的许用应力。

（2）根据Goodman曲线对轴箱体的疲劳评定结果表明，各运营工况组合下轴箱体疲劳强度具有一定余量，满足疲劳强度的要求。

参考文献：

[1] 王雷，李家衡，张英波. 400 km/h高速列车蓄电池箱体结构有限元仿真[J] .电焊机，2018，48（10）：89-93.

[2] 盛辉，李明，贺竹林，等. 高速动车组铝合金轴箱体[J]. 铁道车辆，2014，52（11）：13-14.

[3] 徐潇，杨昭，程仁策，等. 高速列車铝合金轴箱体锻造工艺设计及材料变形规律[J]. 锻压技术，2018，43（1）：14-19.

[4] 肖守讷，杨冰，曲天威，等. EN13749标准在机车轴箱体强度分析中的推演应用[J]. 机车电传动，2013（2）：38-41.

[5] 贾璐，宋烨，戴焕云. 高速动车组轴箱体强度分析[J]. 计算机仿真，2015，32（8）：185-189.

[6] 项彬，史建平，郭灵彦，等. 铁路常用材料Goodman疲劳极限线图的绘制与应用[J]. 中国铁道科学，2002，23（4）：72-76.

[7] 张涛，李超，薛海. 高速列车轴箱体强度分析及结构优化[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2016，30（6）：13-16.