考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：年辽宁省教育厅基本科研项目（）考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计焦柏儒，郭明达，王世阔，刘喜微，韩佳霖，秦睿贤（大连交通大学高速列车服役安全关键技术铁路行业重点实验室，辽宁大连；中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳动车段，辽宁沈阳）作者简介：焦柏儒，年月生，硕士研究生，电子邮箱：。主要从事研究方向：车辆结构优化设计。摘要：抱轴箱是机车转向架的重要组成部分，在支撑、固定驱动电机和保持运行平稳上起着重要作用，其轻量化设计可有效改善转向架的力学性能。本文建立了机车抱轴箱有限元模型，采用分析种超常工况下的结构强度，采用曲线对种运营工况进行疲劳强度分析。随后，以体积分数、周向循环对称为约束条件，以加权柔度最小为优化目标，利用软件对其进行多工况拓扑优化设计，优化后的抱轴箱结构可消除多个应力集中点，并实现 的减重。关键词：；抱轴箱；拓扑优化文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，铁道技术标准，：，：；：（）：引言抱轴箱是机车转向架的重要组成部分，在保证车轴的支撑、固定驱动电机和保持运行平稳上起着重要作用。抱轴箱体为整体铸造结构，外表面为粗加工，内表面采用精加工方式。目前机车抱轴箱体存在重量较大的问题，不利于转向架的轻量化设计，需要对其进行优化。目前，国内学者对于转向架结构做了一些轻量化设计的研究。郭继祥等对速度 的转向架进行了内外置轴箱的性能差异对比，结果表面内置轴箱转向架结构合理，相对于外置轴箱重量减少了 ；何宇等对某型动车组动力转向架构架进行强度评价，针对构架相对薄弱的部位进行设计优化，增加了薄弱部位强度并且减少了构架整体的质量，达到了轻量化的目的；梁昊等对转向架构架结构应力集中区域进行局部焊接接头优化和局部形状优化，在满足疲劳强度的前提下，实现了构架轻量化与局部结构优化；王秋实等结合电机传动比、装配尺寸及位置计算了轴悬式抱轴箱的静强度和疲劳强度，并提出了改进方法；张委袖等对于机车抱轴箱运行中产生疲劳裂纹的现象，采用实测危险部位应力谱进行抱轴箱疲劳寿命的预测，并指出铸造工艺是影响抱轴箱疲劳寿命的主要原因；姬芳芳等分析了轴箱吊耳是由于共振导致疲劳断裂，对吊耳进行了材料与结构两方面优化，优化后吊耳一阶弯曲频率提高，在运营过程中未发生共振；戴晓超等采用铝合金材料重新设计了高速列车轴箱体结构，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；穆云飞等针对某工程车转向架新设计的轴箱进行了结构优化，并对优化后轴箱进行强度验证，优化后轴箱满足设计要求；高扬等以国内某型高速动车组齿轮箱体为研究对象，以提高箱体固有频率为目的进行拓扑优化设计，优化后降低了箱体共振的可能性；孔得旭根据齿轮箱体疲劳寿命的要求，计算出其允许承受的最大应力，以此最大应力为约束，对箱体结构进行了优化，优化后齿轮箱体在轻量化的同时，寿命符合高耐久要求；姚竖等针对轴端发电机承受轮轨冲击大、可靠性要求高等问题，进行了结构优化设计，优化后轴端发电机壳体的质量降低了，且疲劳寿命、冲击强度均满足要求。在对转向架、轴箱等结构进行轻量化设计的同时，对抱轴箱进行轻量化设计较少，抱轴箱体仅对车轴起到保护作用，可对其进行拓扑优化减小质量。本文采用软件对机车抱轴箱进行前处理，在种超常工况和种运营工况下，分别对抱轴箱的结构强度、疲劳强度进行仿真分析。随后，以体积分数为约束条件，以加权柔度最小为优化目标，通过拔模方向约束和对称约束方式，利用软件对其进行多工况拓扑优化设计。本研究在满足刚度、强度等使用条件下，实现了抱轴箱体减重 的轻量化设计。焦柏儒等：考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计机车抱轴箱结构及有限元建模机车抱轴箱主要由抱轴箱体、滚动轴承、轴承间隙调整垫、非传动端密封环及轴领等组成。机车牵引电动机悬挂方式采用轴悬式，牵引电机的一端通过螺栓与抱轴箱箱体连接，另一端通过吊耳悬挂在构架上，抱轴箱体为一体铸造件，两端通过滚动轴承连接到车轴、齿轮箱上。抱轴箱采用铸钢，屈服强度为，抗拉强度为，弹性模量 ，泊松比，抱轴箱质量为 ，抱轴箱体三维几何模型见图。图抱轴箱体三维几何模型本文有限元模型中，抱轴箱体及电机吊耳采用四面体实体单元建模，两侧轴承及轴承连接处采用六面体网格，共 个网格，电机悬挂装置质量为 ，以点形式放置于坐标（，）处，电机一侧与抱轴箱处个螺栓孔内表面通过连接，另一侧与电机吊耳相连，均约束、方向平动自由度；抱轴箱体与滚动轴承通过接触关系连接；电机吊耳施加个自由度全约束，对轴承外表面施加纵向约束，内表面施加横向、垂向约束。坐标系轴为垂向，轴为横向，轴为纵向。模型中长度单位、力的单位、质量单位、应力单位。抱轴箱有限元模型见图。机车抱轴箱静强度分析依据标准 交流传动机车铸铝合金齿轮箱体暂行技术条件（）中确定抱轴箱箱体强度的计算载荷及工况，本文中超常载荷加载工况见表。图抱轴箱有限元模型表超常载荷加载工况工况横向加速度纵向加速度垂向加速度 采用表中所提的种工况对抱轴箱有限元模型进行计算，经计算后评估其静强度，静强度评估结果见表。表抱轴箱静强度评估工况最大应力 工况 工况 工况 工况 工况 静强度工况中工况最大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，次大应力位于抱轴箱车轴段内表面处，应力次大值为；工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱车轴段内表面处，次大应力值为；工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，次大应力值为；工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，次大应力值为；工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，次大应力值为；种工况下最大应力均小于屈服极限，抱轴箱静强度符合要求，应力云图见图。铁道技术标准图抱轴箱静强度应力云图机车抱轴箱疲劳强度分析本文中校核疲劳强度的运营载荷加载工况见表。表运营载荷工况表工况横向加速度纵向加速度垂向加速度 疲劳极限图是以屈服极限为界限，以提出的线性经验公式为基础，用直线替代实际疲劳极限应力线后得到的一种简化疲劳极限图，可分为图和图两种形式；图中位于轴上的试件，因平均应力等于抗拉极限强度，且应力幅为，应力比为，说明此时仅受到小于屈服强度的静载荷作用，此时试件为无限寿命；疲劳极限图优点在于概括了所有节点信息，可以直观地判断是否超过疲劳极限，缺点在于无法定量判断该点具体寿命。修正后的图是综合考虑疲劳应力幅、平均应力和材料机械性能限制的疲劳强度图，常用于铁道车辆结构部件疲劳设计，该图常被理解为疲劳极限图。图的横坐标是平均应力，纵坐标是应力幅，通过个曲线转折构成的封闭边形曲线来评估疲劳，有时也采用封闭边形曲线评估。本文采用改进的可靠性水平为存活概率、置信度 的长寿命曲线进行疲劳强度评估。采用改进的长寿命曲线对种运营工况进行疲劳强度校核，任何应力点如果处于封闭折线之上或之外，表示在指定循环次疲劳之后或经过次疲劳，材料都将发生断裂，若应力点处于封闭折线之内，则说明在指定循环次疲劳之后或经过次疲劳，材料是安全的。因此，位于封闭折线内的点才是安全的；若有任一点落在包络线外，说明疲劳强度不合格。种工况下抱轴箱体的第一、第三主应力云图见图。抱轴箱的曲线见图。发现有节点为、的点落在包络线外，抱轴箱结构的疲劳强度不满足设计要求，需要对抱轴箱进行结构优化设计。图抱轴箱体第一、第三主应力云图焦柏儒等：考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计图抱轴箱疲劳曲线机车抱轴箱结构拓扑优化 拓扑优化及参数设置拓扑优化是指在一个确定的设计空间区域内寻求结构内部非实体区域位置和数量的最佳配置，解决材料分布问题，从而使结构能在满足特定约束条件下将外载荷传递到结构支撑位置，同时使结构的某种形态指标达到最优。目前主要有三大类拓扑优化方法：均匀化方法、相对密度法和进化结构优化法。本文选用拓扑优化的材料模式密度法法来进行优化，将有限元模型设计空间的每个单元的单元密度作为设计变量。单元密度与结构的材料参数有关，在 中连续变化，优化求解后单元密度为（或靠近）表示该单元位置处的材料需要保留；单元密度为（或靠近）表示该单元处的材料可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。为提高计算精度，对抱轴箱体中部采用尺寸 的六面体网格进行重新建模，以抱轴箱中部抱轴箱体为拓扑优化设计变量，滚动轴承等部位为非设计变量。以体积分数（）和加权柔度（）为响应，种工况下加权系数相等。约束抱轴箱体的体积分数最大为，目标函数为加权柔度最小，即刚度最大，通过增大刚度来使平均应力与应力幅符合图疲劳强度要求。最小尺寸限制为网格尺寸的倍，最大尺寸限制为最小尺寸的倍；设置棋盘格选项为控制棋盘格现象；离散参数设置为。拔模设置选择为，方向选择节点为和，即沿轴方向设置拔模方向。对称约束（）设置为周向循环对称，指定扇形区域数量为，锚点及第一参考点选择（，）和（，），即将设计空间围绕轴等分为个扇形区域，各扇形区域的优化结果一致。优化过程设置：最大迭代步设置为，即计算至一百步无论是否收敛均停止计算，收敛容差设置为。抱轴箱体拓扑优化结果分析经过次迭代计算后得到优化结果，迭代曲线见图。抱轴箱箱体拓扑优化结果见图，四周区域为材料密度较大的区域，需要保留，内部蓝色区域为材料密度较小的区域。对于低密度材料区域，综合考虑外观与加工工艺，选取网格密度为 时并对抱轴箱体进行重塑，在抱轴箱体中部靠近螺栓上下侧处各添加三道加强筋，两侧如图保留红色区域，优化后抱轴箱结构见图，优化后质量为 ，降低了。图抱轴箱箱体拓扑优化迭代曲线图抱轴箱箱体拓扑优化结果铁道技术标准图优化后抱轴箱结构 拓扑优化结构与原结构对比经计算得到优化后抱轴箱结构种超常工况下的应力云图见图，工况最大应力位于抱轴箱车轴段内表面处，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，应力次大值为 ；工况最大应力位于抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱体中部，应力次大值为 ；工况最大应力位于抱轴箱体中部，次大应力位于抱轴箱车轴段内表面处，应力次大值为 ；工况最大应力抱轴箱与轴承接触面处，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，应力次大值为 ；工况最大应力，次大应力位于抱轴箱体过度圆弧处，应力次大值为 ；种工况下的最大应力均小于材料的屈服强度，符合静强度要求。与原结构计算结果进行对比，评估优化结果，优化前后静强度对比见表、图。图优化后抱轴箱静强度应力云图表抱轴箱优化前后对比各工况最大应力原结构 优化后结构 工况最大应力工况最大应力工况最大应力工况最大应力工况最大应力 在中提取优化后抱轴箱的全部节点应力数据，找出每个节点在种运营工况下的最大、最小应力，种工况下各节点的第一、第三主应力见图，计算各节点的平均应力与应力幅，绘制曲线评估疲劳强度。优化后抱轴箱的曲线见图。优化后结构的所有评估点均落在疲劳极限包络线内，优化后抱轴箱结构的疲劳强度满足设计要求。这表明在设计给定载荷条件下，优化后抱轴箱不会发生疲劳破坏。图抱轴箱优化前后工况应力对比焦柏儒等：考虑强度和疲劳强度的机车抱轴箱体轻量化设计图优化后抱轴箱第一、第三主应力云图图优化后抱轴箱的疲劳评估图结语以体积百分比为约束条件，最小柔度为目标函数，对抱轴箱进行了多工况对称拔模约束下的拓扑优化，优化后结果相对于原模型降低了最大应力，消除了与轴承表面接触的多个应力集中点，使抱轴箱疲劳强度满足曲线的同时，质量降低了 （），优化后抱轴箱静强度与疲劳强度均符合要求，中部道加强筋便于加工。本文仅对抱轴箱体中部进行拓扑优化，抱轴箱体螺栓孔附近及吊耳部分仍有优化空间。参考文献：郭继祥，李会，赵静，等一种轻量化转向架研制及性能研究 机车车辆工艺，（）：，何宇，曾飞，王安斌，等某型动车组动力转向架构架优化设计 机电工程技术，（）：梁昊，米彩盈转向架构架局部结构优化与轻量化研究机车电传动，（）：王秋实，张开林，刘斌轴悬式抱轴箱静强度及疲劳强度分析的工程方法研究机械，（）：张委袖，王斌杰，李强，等机车抱轴箱疲劳裂纹扩展寿命的可靠性研究 铁道机车车辆，（）：姬芳芳，刘东亮，李志永地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化机械强度，（）：戴晓超，张英波，王泽飞，等 高速列车轴箱体有限元仿真 电焊机，（）：，穆云飞，黄志辉，朱世昌某工程车轴箱结构优化及强度分析石家庄铁道大学学报（自然科学版），（）：高扬，阙红波，卞翔，等高速动车组齿轮箱箱体拓扑优化设计 机械强度，（）：孔得旭高耐久寿命下的转向架齿轮箱体轻量化方法汽车工程师，（）：姚竖，魏晓，王泽汉，等基于轻量化与疲劳寿命的铁路货车轴端发电机结构设计优化研究机电工程技术，（）：，铁道技术标准王建斌，邬平波，陈喜红，等 板材对接接头疲劳试验 机械工程学报，（）：赵永翔，杨冰，彭佳纯，等铁道车辆疲劳可靠性设计图的绘制与应用中国铁道科学，（）：黄诗尧，赵永翔，胡海斌 铸钢的疲劳可靠性设计图 机械强度，（）：杨梅基于的高巷道掘锚一体机截割臂的多工况拓扑优化 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