货车径向转向架副构架结构刚度研究.pdf

第32卷第3期
铁道机车车辆
2012年6月
RAILWAY LOCOMOTIVE CAR
2012
文章编号:1008-7842(2012)03-0023-04
货车径向转向架副构架结构刚度研究
周张义2,李享利2,杨兴2,王璞2,王爱民2
(1西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;
2中国南车集团眉山车辆有限公司产品开发部,四川眉山620032)
摘要基于结构有限元仿真和样机试验,重点对我国铁路货车径向转向架U型副构架的结构刚度进行研究。计
算和试验结果均表明,副构架左右鞍的相对弯扭刚度很小,其制造误差引起的轴承附加载荷可忽略不计。另外,计
算结果还表明;径向载荷工况下,副构架横向弹性变形刚度约为30MN/m,能够满足轮对径向装置的设计要求;制
动载荷工况下,副构架纵向弹性变形刚度约为14MN/m,为控制该变形导致的轴距扩大,必要时应在侧架导框和
副构架鞍部设置纵向档。
关键词铁道货车;径向转向架;副构架;结构刚度;有限元法;样机试验
中图分类号:U272.33文献标志码;A
重载铁路货车采用径向转向架是降低轮轨磨耗的和纵向同轴度误差时,产生相应弹性变形所需的载荷大
有效技术措施。目前,我国投入运用的货车径向转向小,明确其刚度特性,探明副构架制造误差对轴承附加
架为转K7型副构架式自导向径向转向架[],且在此基受力的影响程度。
础上正积极开发新型大轴重货车径向转向架。该型转
向架是在传统三大件转向架基础上将一个轮对的左右
两个承载鞍相连,形成U型副构架,再将前后两个副构
架与两个连接杆销接在一起,从而构成自导向轮对径向
装置?,如图1所示。
因整个轮对径向装置是通过副构架鞍部近似刚性
的装配于4组轴承上,其自身潜在的制造或装配误差,
可能引起的轴承附加载荷而导致其处于不利受力状态
图1轮对径向装置
成为普遍关注的问题。此外,该转向架在各种运用工况
下还要求轮对径向装置较强的轮对水平运动控制能力。1.1垂向同轴度误差
基于此,考虑到副构架是决定轮对径向装置各向刚度的
当副构架左右鞍存在垂向同轴度误差时,如左鞍面
主要部件,本文将着重对其结构刚度进行理论和试验研高于右鞍面,与轮对装配承载后,副构架将发生附加弹
究
性变形消除左鞍面与轴箱的垂向间隙,达到左右鞍面垂
1U型副构架左右较相对弯扭刚度
向同轴。此时,副构架这种附加弹性变形表现为左鞍在
如图1所示,单个副构架通过左右鞍将一个轮对的垂向载荷作用下相对右鞍发生弯扭变形。因此,考察副
左右轴承联系起来,运用状态下左右鞍轴线在垂向和纵构架一端鞍部固定约東,另一端鞍部垂向加载下(如图
向同轴,且均与车轴平行。由于轮对的刚性,当副构架2所示),该载荷与鞍面垂向位移间大小关系,可得出副
存在制造误差时(主要表现为左右鞍轴线垂向同轴度误构架左右鞍垂向相对弯扭刚度适应其垂向同轴度误差
差和纵向同轴度误差),二者装配后该误差将强行消除,的能力。
副构架相应发生弹性变形,从而对轴承产生附加载荷
首先对副构架上述刚度特性进行结构有限元分析,
显而易见,从轴承受力角度来看,该附加载荷越小越好,三维实体计算模型如图3所示,约東和加载方式如图2
而其大小根本上取决于副构架自身适应相应弹性变形所示,即在图中右鞍面施加三向固定约束,对左鞍施加
的刚度特性。下面分别研究副构架左右鞍在消除垂向垂向载荷。计算结果表明:仅在1kN垂向载荷作用下,
中央高校基本科研业务费专项基金资助项目( SWITC11BRO22, SWJTU09ZT07)
周张义(1982-)男,山西霍州人,讲师(修回日期:2011-10-19)
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铁道机车车辆
第32卷
副构架结构最大垂向位移即可达约9.8mm,如图4所仿真分析为理想模型,并假设结构变形为线弹性,二者
示。其中,左鞍面平均垂向位移约为8.0mm。此外,在固定端鞍部约束不完全相同等,抛开这些因素可见计
由于副构架结构自身特点,其变形以垂向弯曲为主和绕算和试验结果是相当吻合的,均表明副构架左右鞍垂向
横向扭转为辅的弯扭组合变形。
相对弯扭刚度很小。
NODAL SOLUTION
垂向载荷
固定约束
图2副构架左右鞍垂向相对
弯扭加载和约束示意图
图5自重载荷下垂向变形计算结果
图3副构架三维实体有限元离散模型
SOLUTION
DMX 9. 788
SMX=0.048758
图6副构架埀向载荷弯扭变形试验
1.2纵向同轴度误差
3.227
同上,当副构架左右鞍存在纵向同轴度误差时,与
41kN垂向載荷下
轮对装配承载后,副构架将发生附加弹性变形消除一端
垂向变形计算结果
鞍部与轴箱的纵向间隙,达到左右鞍纵向同轴。此时,
副构架这种附加弹性变形表现为一端鞍部在纵向载荷
可见,副构架左右鞍垂向相对弯扭刚度很小,也就作用下相对另一端鞍部发生弯扭变形,因此,考察副构
是说其适应垂向同轴度误差的能力很强。实际上,即使架一端鞍部固定约束,另一端鞍部纵向加载下(如图7
没有外载作用,仅副构架自重引起的最大垂向位移即可所示),载荷与鞍面纵向位移间大小关系,可得出副构架
达约10.1mm,如图5所示。其中,左鞍面平均垂向位左右鞍纵向相对弯扭刚度适应其纵向同轴度误差的能
移约为8.5mm。一方面,由于载荷作用力臂大(可视力。
为轴颈中心距),因此较小的载荷就可形成较大的力矩,
按图7所示的约束和加载方式,即在图中右鞍面施
而使悬臂梁加载端产生大的垂向变形;另一方面,由于加三向固定约東,对左鞍施加纵向载荷,对副构架上述
副构架中部箱型横梁特别是安装交叉连接杆的开孔区刚度特性进行结构有限元仿真分析。计算结果表明:仅
域,其承载截面有限,抗弯和抗扭刚度均较低,也是造成在1kN纵向载荷作用下,副构架最大纵向位移即可达
较大变形的主要原因
约8.8mm,如图8所示。其中,左鞍面平均纵向位移
副构架样机试验证实了上述分析结果。如图6所约为8.0mm。同上,由于副构架结构自身特点,其变
示,在试验载荷(自重载荷、工装载荷约1,4kN和作动形以纵向弯曲为主和绕横向扭转为辅的弯扭组合变形。
器载荷2kN)作用下,加载端鞍部测得的垂向变形约为
可见,副构架这种左右鞍纵向相对弯扭刚度也很
64.1mm。考虑到仿真分析和样机试验存在的差异,如小,也就是说其适应纵向同轴度误差的能力也很强,其
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