基于ABAQUS的韶山6B型电力机车从动齿止动片有限元分析

朱博文，路永婕，王建西

（1.太原轨道交通装备有限公司，太原030009；2.石家庄铁道大学 机械工程学院，石家庄050043；3.河北省交通安全与控制重点实验室，石家庄050043；4.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄050043）

0 引 言

在各种机械设备中，由于设备运转过程不同，对设备上螺纹副防松方式也有所不同，常用措施有防松垫片、弹簧垫圈、开口销、双螺母紧固等［1］。韶山6B 电力机车从动齿轮螺钉采用防松垫片（以下简称止动片）防松。

图1 韶山6B 电力机车从动齿轮M24×70 止动片断裂位置

2013 年10 月，湖北襄阳北机务段韶山6B 电力机车从动齿轮止动片发生断裂，部位为靠近车轮侧M24 螺钉处，经我厂售后维修人员检查发现止动片断裂共有10 处，机务段工作人员出示了其它大修厂维修韶山6B 电力机车从动齿轮止动片的样件，其材质较我厂稍韧，但材料硬度差，厚度约为1 mm，我厂韶山6B 止动片经过淬火硬化处理。此次断裂位置集中在M24 螺钉孔附近，如图1 所示。

本文采用有限元方法，模拟从动齿轮、螺钉、止动片三者之间相互作用，根据止动片材质热处理曲线改变其弹性模量和泊松比，仿真计算止动片在螺钉紧固过程中受力特点，借以找到其最佳热处理温度。

1 有限元模型建立

根据韶山6B电力机车相关结构，从动齿轮材质为15CrNi6、止动片材质为Q235-A（热处理）、M24×70 螺钉材质为Q235-B，模型材质力学性能如表1 所示。

由于本文侧重分析止动片受力特点，为简化建模过程，在SolidWorks 软件中将从动齿轮模型绘制成一个很大的质量块，止动片按实际结构建模，M24 螺钉模型删去螺纹，为模拟螺栓紧固过程，需要在螺钉上施加预紧力和扭矩。将模型导入ABAQUS 有限元软件，为得到较高计算精度同时合理减少计算时间［2］，模型采用ABAQUS 中C3D8R 单元，止动片提高划分网格精度。Abaqus 有限元模型如图2 所示。

表1 模型材质力学性能

图2 从动齿轮-止动片－螺钉耦合有限元模型

止动片通过螺栓施加紧固力，止动片与螺钉、从动齿轮之间均设摩擦接触，摩擦因数为0.15。分析共分4 个荷载步完成，STEP1 为两个螺钉施加一个较小预紧力10 kN，使螺钉紧贴在止动片上；STEP2 为螺钉1 施加预紧力和扭矩；STEP3 施加对象为螺钉2，预紧力、力矩不变；STEP4 撤销预紧力和力矩。根据参考文献［3］，M24 螺钉紧固力矩为450N·m，即STEP2、3 中施加预紧力为125 kN。螺钉与从动齿轮螺钉孔之间存在滚动副，从动齿轮X、Y、Z 三个方向自由度被完全限制。

2 强度校核

材料在外力作用下会产生两种破坏：一是不发生显著塑性形变时发生突然断裂，即脆性断裂；二是发生显著塑性变形而不能继续承载破坏，即塑性破坏。依据四种强度理论，本文针对螺钉加载紧固力后止动片受力进行计算，并对止动片强度进行校核。

2.1 第一强度理论

图3 止动片有限元模型应力云图

图4 止动片有限元模型最大应力云图

第一强度理论，即拉应力准则。只要最大拉应力达到单向拉伸时抗拉强度，材料会发生脆性断裂。该理论下屈服判据为σ＝σb，强度准则为σ≤［σb］。根据参考文献［4］，止动片抗拉强度［σb］=375～500 MPa。如图3 为止动片变形放大200 倍后应力云图。

通 过 分 析ABAQUS 中计算结果，得到止动片接触区节点应力最大值σmax=261.300 MPa≤［σb］，符合第一强度理论。经计算，该值出现在荷载步STEP2、3 中，距离螺钉孔越远，单元所受应力越小，最大应力值出现在止动片螺钉孔与从动齿轮接触位置，如图4 所示，应变放大200倍。

2.2 第二强度理论

第二强度理论，即最大伸长线应变准则。即认为最大伸长线应变达到单向拉伸时极限应变，材料会发生脆性断裂。该理论下屈服判据为εE=σb=σ1-υ（σ2+σ3），强度准则为σ1-υ（σ2+σ3）≤［σb］。根据第一强度理论，［σb］=375～500 MPa。

经计算，得到接触区域节点（σ1-υ（σ2+σ3））max=211.704 MPa≤［σb］，符合第二强度理论。

2.3 第三强度理论

第三强度理论，即最大切应力准则。最大切应力达到单向拉伸屈服时的切应力，材料就会发生塑性屈服。该理论下屈服判据为2τmax=σs=σ1-σ3，强度准则为σ1-σ3≤［σs］。根据参考文献［4］，屈服点［σs］=235 MPa。

经分析，止动片最大切应力出现在STEP2、3 荷载步过程中，（σ1-σ3）max=248.390 MPa＞［σs］，材料发生塑性屈服，当紧固力撤消后，止动片无法恢复原状。经分析，当执行到荷载步STEP4 后，止动片仍有残余压应力0.003 33 MPa。

2.4 第四强度理论

图5 止动片紧固变形

经计算，螺钉所受最大主应力法线方向与实际止动片断裂方向基本一致。在施加荷载过程中，止动片中间部位会产生变形，变形量最大值为0.787 mm；在现场生产中，从动齿轮止动片在螺钉紧固后，中间部位会发生凸起变形，如图5 所示。

3 计算及结果分析

表2 Q235-A 不同温度下弹性模量和泊松比

在生产实际中，止动片一般会进行淬火处理以增加材料硬度，而材料弹性模量和泊松比会随热处理温度变化而变化，根据参考文献［5］中相关资料，分析不同热处理温度下，弹性模量和泊松比对止动片有限元模型分析结果有何影响。表2 中所示为不同温度下Q235-A 力学性能。

在韶山6B 电力机车从动齿轮-止动片-螺钉有限元模型中，根据温度变化改变止动片材料弹性模量、泊松比，其余参数和荷载步不变。仿真过程不再赘述。止动片有限元模型计算结果如图6 所示。

图6 不同温度下止动片有限元模型计算结果

从图6 中可以看出，随温度增高，止动片最大变形量呈递增趋势，变形量不足0.9 mm；各强度理论下应力最大值随温度增加而降低，除最大切应力外，各应力值小于许用应力，最大切应力则均大于材料的屈服应力，止动片发生塑性屈服。但在温度为100 ℃时，止动片残余压应力最小，止动片最大变形量适中。

4 结 论

根据止动片实际结构，本文在SolidWorks 软件中建立各部件模型，随后导入Abaqus 对螺钉紧固过程中止动片受力进行有限元分析。得出主要结论如下：

1）可利用SolidWorks 软件建立结构较为复杂的部件模型，并在Abaqus 中对其进行有限元仿真分析，结果与实际工程中近似。

2）随止动片热处理温度提升，螺钉紧固过程中止动片中间部位最大变形量增加。对不同温度下止动片进行强度校核，除最大切应力外，其余强度在许用范围之内，最大主应力法线方向与实际裂纹基本一致，材料发生塑性屈服。在卸载螺钉紧固力后，止动片上有残余压应力。

本文以韶山6B 电力机车从动齿轮、M24×70 螺钉、止动片为模型进行有限元仿真，获得不同温度热处理后止动片力学性能。需进一步开展的工作有：螺钉存在螺纹旋合情况下，对止动片进行受力分析；齿轮受动载情况下螺钉与止动片受力关系；考虑止动片翻起时止动受力情况。

［1］ 张小亮，赵晓华.实用技术与工艺设备［J］.新技术新工艺，2003（8）：23.

［2］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ 太原轨道交通装备有限责任公司.SS4B、SS6B从动齿轮检修工艺规［M］.2010.

［4］ 任志俊，薛国祥.实用金属材料手册［M］.南京：江苏科学技术出版社，2007.

［5］ 董大勤，袁凤隐.压力容器与化工设备实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2000.