地铁齿轮箱吊杆装置的强度分析*

地铁齿轮箱吊杆装置的强度分析*

张增强

(太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032)

摘要：吊杆装置是地铁齿轮箱中的关键零部件，对车辆的安全运行起着关键作用，对其进行强度分析计算是十分必要的。针对某地铁车辆用齿轮箱的吊杆装置，分析了吊杆装置的受力工况，利用ANSYS对吊杆装置进行了有限元分析，结果表明杆体和球铰强度满足要求，也为吊杆装置设计时的强度分析提供了一种方法。

关键词：地铁齿轮箱；吊杆装置；有限元；强度分析

0 引言

齿轮箱是地铁车辆中的关键零部件，其主要作用是将牵引电机输出的动力传递到轮对上，从而驱动车辆运行。齿轮箱通过吊杆装置与转向架构架上的吊座相连，吊杆装置承受齿轮箱运转中出现的载荷，包括由牵引和制动引起的载荷、振动冲击和由牵引电机短路引起的载荷。

吊杆装置的安装使齿轮箱能够承受车辆运行过程中来自轮对的振动冲击，如果运行中轮对与转向架构架之间有了相对运动，吊杆装置上的橡胶节点将使安装在轮对上的齿轮箱产生一个与轮对位移一致的运动，从而不会影响其他部件。吊杆装置对齿轮箱及车辆的安全运行起着关键的作用，所以在齿轮箱设计时对吊杆装置的强度进行分析计算具有重要意义。

1 吊杆装置结构

图1为某地铁车辆用齿轮箱，吊杆两端通过螺栓将齿轮箱和构架吊座固定连接。图2为吊杆装置结构示意图，其主要由杆体和球铰组成，杆体材料为42CrMo。图3为球铰结构示意图，球铰由橡胶和金属材料硫化组成，芯轴材料为45钢，外套为20钢。

图1 齿轮箱结构 图2 吊杆装置结构

2 杆体强度分析

2.1 材料性能

吊杆杆体的材料为42CrMo，其机械性能参数见表1。

图3 球铰结构示意图

表1 42CrMo的性能参数

抗拉强度σbMPa屈服强度σ0.2MPa弹性模量EN/mm2泊松比μ≥900≥6502068000.29

2.2 边界条件与载荷工况

在吊杆装置强度分析时，在与齿轮箱连接处直接施加反作用力[1]，但由于其不仅承受齿轮传递扭矩时箱体的反作用力，还要承受车辆运行的振动冲击，所以为了更好地对杆体强度进行分析，对吊杆装置和齿轮箱进行了整体建模，将杆体与构架连接一端进行约束；在齿轮箱输入轴处施加载荷，并考虑振动加速度的作用，吊杆杆体结构有限元模型由Solid 45与Solid 92组成，杆体有限元模型如图4所示。齿轮箱输入轴与电机轴相连，齿轮箱承受构架和轮对的冲击，计算载荷如下：杆体静强度施加载荷为电机短路扭矩Mqmax=±1 500 Nm，冲击振动加速度为：垂向±50g，横向±20g，纵向±15g；杆体疲劳强度施加载荷为电机启动扭矩Mq=±600 Nm，疲劳振动加速度为：垂向±20g，横向±10g，纵向±6g。

2.3 有限元分析

施加载荷与约束后，利用ANSYS软件对杆体进行静强度和疲劳强度分析，其应力分布分别见图5和图6所示。

根据UIC615-1标准，吊杆结构在最大冲击载荷作用下，其静强度条件为：结构的最大von_Mises应力不大于制造材料的弹性极限，即满足关系式：

σvon-Mises≤σ0.2.

由图5可知吊杆的最大von-Mises应力为353.092 MPa，出现在吊杆杆身的圆弧区域，小于材料的屈服极限650 MPa，故吊杆杆体的静强度满足要求。

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σ-1S与试棒的疲劳极限σ-1满足以下关系式[2]：

.

其中：Kf为疲劳缺口系数；CL为载荷类型因子；ε为尺寸系数；β为表面状态系数；σ-1为光滑试棒的疲劳极限；σ-1k为缺口试棒的疲劳极限。42CrMo试棒的疲劳极限值为466 MPa[3]，在确定吊杆制造材料的疲劳极限时，考虑的系数取值为CL=1.0；ε=0.66；β=0.85。

因此，42CrMo钢制造结构的疲劳极限σ-1S=260.0 MPa。由图6可知吊杆的最大von-Mises应力为217.13 MPa，小于其疲劳许用应力，故吊杆杆体的疲劳强度满足要求。

3 球铰强度分析

3.1 材料性能

球铰所用金属材料性能见表2，橡胶材料参数见表3。表3中C10、C01、D1均为有限元建模时模型mooney-rivlin选取的材料常数。

表2 金属材料性能

材料抗拉强度σbMPa屈服强度σ0.2MPa弹性模量EN/mm2泊松比μ45≥590≥3552100000.320≥400≥2452100000.3

表3 橡胶材料参数

橡胶硬度(°ShA)C10C01D1560.30.0750.0001

3.2 边界条件与载荷

为方便模拟吊杆球铰在实际工程中的刚度及强度特性，根据吊杆球铰的对称特点，采用1/2实体模型进行模拟分析，分析过程中不考虑金属与橡胶之间的粘结特性，将橡胶与金属绑定在一起作为整体分析。根据要求对球铰施加0 kN～40 kN的径向载荷，球铰径向刚度要求28 kN/mm～40 kN/mm，球铰的有限元模型如图7所示。

3.3 有限元分析

施加载荷与约束后，利用ANSYS对球铰进行静强度分析，球铰径向FEA曲线如图8所示，其应力分布如图9所示。由图8可知球铰径向刚度为34.4 kN/mm，满足要求。由图9可知金属件最大应力为18.5 MPa,满足要求。

4 结论

利用ANSYS对某地铁齿轮箱所用吊杆装置进行了强度分析，结果表明该吊杆装置强度满足使用要求，为齿轮箱吊杆装置的设计强度计算提供了参考。但由于吊杆装置受力工况复杂，特别是球铰由金属和橡胶硫化形成，所以在通过软件对吊杆装置进行强度分析的同时，还需要用试验来验证吊杆装置的可靠性。

参考文献：

[1] 曾晶晶,卜继玲,刘建勋.转向架齿轮箱吊杆的优化设计[J].计算机辅助工程,2013,22(2)：27-30.

[2] 机械工程材料性能数据手册编委会.机械工程材料性能数据手册[M].北京：机械工业出版社,1995.

[3] 赵少汴,王忠宝.抗疲劳设计——方法与数据[M].北京：机械工业出版社,1997.

Strength Analysis of Subway Gearbox Suspender Device

ZHANG Zeng-qiang

(Taiyuan Heavy Industry Railway Transit Equipment Co., Ltd., Taiyuan 030032, China)

Abstract：Suspender device is one of the key parts of subway gearbox, which plays an important role in the safe operation of the metro. It is necessary to analyze its strength. The paper analyses the force condition of subway gearbox suspender device, the finite element analysis for suspender device is carried out by using ANSYS. The result proves that the rod and rubber bushing can satisfy the requirements of strength. A method for suspender device strength analysis is provided.

Key words：subway gearbox; suspender device; finite element; strength analysis

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0042- 02

*2011年山西省科技重大专项项目(20111101029)

收稿日期：2016- 05- 17；

修订日期：2016- 10- 20

作者简介：张增强(1982-)，男，河南洛阳人，工程师，硕士。

中图分类号：TP391.7∶U260.332

文献标识码：A