时速160公里客运架悬转向架电机悬挂长吊臂及连接座结构优化分析

李建国

摘 要： 重點介绍了转向架电机悬挂长吊臂及连接座结构，不同工况的分析结果，结构优化的过程及优化后的分析结果。

关键词： 转向架;长吊臂;连接座;结构优化;分析

1 概述

时速160公里机车转向架为公司新设计转向架，电机悬挂方式为：3个橡胶关节与构架形成弹性联接，同时设计采用铝合金承载式齿轮箱。作为电机悬挂的重要部分，长吊臂一端与电机通过螺栓联接，一端为橡胶关节与构架相连，另外长吊臂上还设有与齿轮箱的连接座，传递机车运行中齿轮箱所产生的力。长吊臂及连接座属于重要受力结构，受力情况复杂，设计阶段需要对其结构强度进行分析优化。

2 分析前期的相关说明

2.1 分析软件与相关资料

本次分析采用Ansys Workbench14.0，工况参考了《驱动单元齿轮箱强度计算加载规范》 （2015.05.12，以下简称《加载规范》），电机相关参数参考《4400HP客运车配套CDJD113C牵引电机机械参数，20141205》。

材料方面：1，齿轮箱为铝合金材质;2，长吊臂和连接座为铸钢结构，拟采用B级钢，屈服为260MPa，抗拉485MPa。

2.2 分析工况说明

本次分析工况主要参考了《加载规范》，包括规范超常载荷工况和常用载荷工况，在此基础上增加了运用超常载荷工况，具体为：整个装置在承受垂向5 g、横向3 g和纵向3 g的惯性力冲击的同时还承受了驱动系统持续扭矩作用所产生的力。上述3个工况的评价标准分别为屈服极限、GoodMan图、许用应力。其中许用应力=屈服极限/1.5=173MPa。

2.3 分析模型简化及边界条件说明

根据分析工况，对模型进行简化，对长吊臂强度分析无影响的结构，采用质量点代替，例如主从动齿轮，从动齿轮轴承等，最后仅针对主要分析对象（长吊臂和连接座）采用10mm的四面体划分网格，得到有限元分析模型。

分析模型的边界条件也进行了相关设置，坐标系参考《加载规范》中的设定，3个橡胶关节在沿x轴，y轴，z轴三个方向上设置一定的刚度，同时释放绕x轴，y轴，z轴的三个旋转自由度。分析中载荷的加载按《加载规范》中的设定。

3 结构优化

为更好的了解原结构在受力工况下的应力分布情况，首先选取一种工况对原结构进行仿真分析，找出原结构中相对应力偏大区域，针对这些区域进行结构优化，然后仍采用相同工况对优化后的结构进行分析，验证优化的效果。

3.1 原方案分析

采用《加载规范》“4.1 超常载荷工况”中的第七组工况对原方案进行了分析，分析结果为长吊臂最大应力为347.58MPa，在减重孔和连接座接口附近筋板处有应力集中情况，连接座最大应力为361.73MPa，过渡筋板处应力普遍偏大，两个零件上有多处已经超过材料的屈服极限，结构需要进行优化调整。

3.2结构优化分析

根据以上的分析结果，在保证外部接口不变的条件下，对长吊臂及连接座结构作了相应的优化调整，整体结构的调整。

其中长吊臂局部结构共进行了三部分的调整：

1，强化调整连接座接口附近结构，提高该处结构强度，同时也兼顾了工艺方面的考虑。

2，在大圆弧处设置减重孔，在保证结构强度的前提下，适当的进行减重设计。

3，优化原结构减重孔附近结构，加强该部分抗扭能力。

4，长吊臂与齿轮箱连接座的具体结构也作了适当调整，拉开定位孔z方向上的间距，采用大圆弧连接过渡，以达到降低应力的目的。

3.3 优化方案分析

同样采用《加载规范》“4.1 超常载荷工况”中的第七组工况对优化方案进行了分析，分析结果是长吊臂最大应力为205.87MPa，连接座最大应力为241.49MPa，比原方案有明显的降低。长吊臂最大应力变化率为40.77%，连接座最大应力变化率为33.24%。

除了最大应力有明显的降低外，优化方案整体结构的应力分布更加均匀，过渡更为平滑，在新增加的减重孔附近未有明显的应力集中情况，两个零件的总重由原来的126.20kg减少到122.99kg，降低了2.54%，另外结合制造工艺方面的考虑，优化方案是切实可行的。

4 工况分析

针对上述的优化方案，根据2.2节中的工况进行长吊臂和连接座的结构强度分析。

4.1 超常载荷工况

4.1.1 规范超常载荷工况

根据《加载规范》4.1节中表5的描述，共8组工况进行仿真分析，具体的分析结果显示长吊臂和连接座上的最大应力分别为227.52 MPa和249.49 MPa，低于材料的屈服极限，满足结构强度的要求。

4.1.2 运用超常载荷工况

具体工况如下表所示，具体的加载位置参考《加载规范》中的设定。

运用超常载荷工况列表

分析结果显示，长吊臂和连接座上的最大应力分别为124.94MPa和130.35MPa，低于材料的许用应力（173MPa），满足结构强度的要求。

4.2 常用载荷工况

根据《加载规范》4.1节中表10的描述，共8组工况进行仿真分析，然后利用抗拉≥370N/mm2的钢的Goodman图进行疲劳强度评价。

分析对象上的所有节点都在范围内，长吊臂和连接座的疲劳强度满足要求。

5总结

本次分析在原结构仿真计算的基础上提出了优化方案，并针对优化方案进行了超常载荷及常用载荷工况仿真分析，分析结果表明：

1，超常载荷工况下，整个结构分析结果符合评判标准要求，长吊臂及连接座满足结构强度要求。

2，常用载荷工况下，运用Goodman图进行疲劳强度分析，结果表明长吊臂及连接座满足疲劳强度要求。

所以通过仿真分析，长吊臂及连接座的结构满足强度要求。