牵引拉杆装配杆体强度分析

史业钊，高耀东

（内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

牵引拉杆装配是在轨道车辆转向架上安装的牵引装置，能有效提高机车和转向架之间牵引力和制动力的传递效率。拉杆装配大部分使用橡胶关节耦合在一起，能有效减小牵引拉杆与构架或车体连接部位带来的刚性冲击力，增强车辆运行的平稳性[1]，保证其运动的自由度。为机车纵向牵引力和制动力提供足够的传递力，在牵引拉杆装配保证纵向刚度的同时，车体与转向架连接的垂向、横向及摇枕约束自由度要尽量释放出来，从而来降低因振动等因素引起的共振[2]。因此杆体强度的校核十分必要，利用FEA分析技术对杆体极限拉压工况进行模拟，根据分析数据，判断杆体结构是否符合设计要求。

1 牵引拉杆装配作用及组成

牵引拉杆装配是轨道车辆上连接箱体与转向架的重要部件之一，主要为车体与转向架提供牵引力、制动力，同时缓冲机车行驶过程中因轨道不平和等其它客观因素带来的刚性冲击[3]，提高车辆运行的舒适性及安全性。由于机车牵引载荷一般都较大，牵引拉杆装配不但承载能力及抗冲击能力要强，而且在承载方向上的垂向承载能力要近可能的大。牵引杆体装配在车体和转向架上起柔性连接作用，牵引橡胶关节在各方向（径向、轴向、扭转、偏转）的变形能力也要达到机车运行要求[4]。

牵引拉杆装配由牵引拉体与橡胶关节两部分组成,结构如图1所示。橡胶关节和牵引拉杆通过过盈装配压装在一起。其中橡胶关节结构由外至内由外套、橡胶和芯轴构成，外套和芯轴都是金属材料加工制造，再通过特殊的硫化工艺[5]和橡胶黏结在一起。其三维模型（简化）如图2所示。

图1 牵引拉杆装配二维图

图2 三维模型简化

牵引拉杆杆体一般用材料35CrMo圆钢锻造加工成毛坯段再机加工制造而成，是车体与转向架之间传递纵向牵引力和制动力的关键构件。因为杆体加工制造的时候是圆钢经过高温、高压锻打制造而成，所以牵引拉杆杆体品质大多受锻造裂纹、气孔等缺陷因素的影响[6]，因此对杆体强度的校核是非常有必要的。

图3 牵引拉杆杆体示意图

2 计算模型及计算数据

2.1 牵引拉杆装配加载工况

在本分析中，固定拉杆一端球铰芯轴，对另一端球铰芯轴施加方向如图4所示的载荷。边界条件如图4所示。

图4 牵引拉杆装配计算边界条件示意图

2.2 有限元网格划分

牵引拉杆装配的金属部分用C3D8R单元模拟其线弹特性[7]，橡胶部分使用C3D8H单元模拟其超弹特性。运用ABAQUS软件中的C3D4单元模拟杆体，C3D8R单元模拟球铰芯轴和球铰外套，C3D8H单元模拟球铰的橡胶部分，如图5所示。其中：杆体、球铰芯轴、球铰外套的网格数量分别为136 160、36 780和8726，橡胶部分网格数量为21 672，合计203 338个单元。

图5 网格划分

2.3 单位系统

本结构分析在ABAQUS软件下进行，本文及分析中所采用的单位系统为SI（mm），即mm、N、MPa，本文中文字及图片中出现的数字，如未特别注明，均采用此单位系统。

2.4 材料参数（如表1、表2）

表1 橡胶材料的性能参数采用Mooney—Rivlin本构模型进行模拟

表2 金属材料的性能参数

3 牵引拉杆装配强度校核

牵引拉杆装配计算工况如表3所示。

表3 牵引拉杆装配计算工况

3.1 极限牵引载荷（95 kN）工况

极限牵引载荷95 kN工况时，牵引拉杆部件的应力分布如图6所示。吊杆杆体的最大应力位于外圆弧到杆体过渡处[9]，最大应力为38 MPa，远低于材料屈服强度835 MPa。

图6 牵引拉杆极限拉伸工况（95 kN）下应力云图

3.2 3g冲击载荷285 kN工况

在3g冲击载荷285 kN时，牵引拉杆装配杆体部件的应力分布如图7所示。吊杆杆体的最大应力位于外圆弧到杆体过渡处，最大应力为109 MPa，低于材料屈服强度835 MPa。

图7 牵引拉杆极限压缩工况（285 kN）下应力云图

通过表4可以看出，牵引拉杆在各种工况下金属部件安全系数都大于1.5，满足相关强度要求[9]。

表4 牵引拉杆装配静强度计算结果

4 结论

1）牵引拉杆在极限牵引载荷95 kN时，其最大应力为38 MPa，远低于材料屈服强度835 MPa；2）牵引拉杆在3g冲击载荷285 kN时，其最大应力为109 MPa，远低于材料屈服强度835 MPa，安全系数均在5倍以上。牵引拉杆装配承载时的应力，均在设计范围内，对吊杆台阶处进行倒圆角处理，可有效降低应力集中。利用有限元模拟技术对牵引拉杆装配进行分析，以预测产品刚度特性及结构强度，并提供相应的应力、应变参考数据结果，为产品结构的设计、优化提供帮助。