動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座靜強(qiáng)度及模態(tài)分析計(jì)算

2016-12-08  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座的靜強(qiáng)度及模態(tài)分析計(jì)算

Urban Rail Traction Motor Car Brake System Test Bench Bearing Static Strength Calculation and Modal Analysis

陳雪 1 楊磊 2
(1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2.青島四方車(chē)輛研究所有限公司 山東青島 266031)

摘 要:本文以動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座為例,基于 HyperWorks 軟件對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度及 模態(tài)計(jì)算。結(jié)果顯示,動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座在規(guī)定的載荷工況下,靜強(qiáng)度滿足相應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度要求,且工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 可見(jiàn),CAE 軟件的應(yīng)用為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:軸承座 有限元 靜強(qiáng)度 模態(tài)

Abstract:This paper uses an urban rail motor car’s braking system traction bearing as a case study of using HyperWorks software to perform modal analysis and calculate static strength. The result shows that the static strength of urban rail traction motor car brake system test bench bearing meets the requirements of the corresponding yield strength of the material in the specified load conditions, and resonance does not occur during operation. CAE software applications provide a reference and check for structural design.

Key words:Bearing, finite element, static strength, modal

1 概述

動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是大功率動(dòng)車(chē)城軌進(jìn)行牽引與制動(dòng)特性試驗(yàn)的重要平臺(tái),而軸承座 作為其輪軸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,承載著輪對(duì)重量以及在輪對(duì)上施加的制動(dòng)載荷。為保證軸承座在牽引 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上工作時(shí)的可靠性和安全性,其靜強(qiáng)度及振動(dòng)特性必須滿足一定的條件要求。目前隨著仿 真技術(shù)在工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展,CAE 軟件的應(yīng)用已成為對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能和安全性分析的重要手 段[1]。本文將以動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座為研究對(duì)象,利用有限元法及 Altair 公司的 HyperWorks 軟件對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度及模態(tài)計(jì)算,為獲得軸承座工作時(shí)的應(yīng)力分布及其動(dòng)態(tài)特性分析提 供可靠性依據(jù)。

2 有限元模型的建立[2,3]
2.1 計(jì)算對(duì)象簡(jiǎn)介

動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)包括牽引電機(jī)、扭矩傳感器、變速箱、飛輪組、輪對(duì)(含軸承)、 底座及相應(yīng)的傳動(dòng)連接裝置,長(zhǎng)約 9m。動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)外觀圖見(jiàn)圖 1。

圖 1 動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)外觀圖

車(chē)城軌輪軸系統(tǒng)屬于動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的一部分,包括動(dòng)車(chē)城軌輪軸、軸承座、安裝 平臺(tái)、扭矩傳感器和聯(lián)軸器等,主要用于模擬在動(dòng)車(chē)城軌輪軸上施加制動(dòng)載荷。考慮到更換輪對(duì)的情 況,軸承座采用剖分式結(jié)構(gòu),圖 2 為動(dòng)車(chē)城軌輪軸系統(tǒng),圖 3 為動(dòng)車(chē)城軌軸承座外觀圖。

圖 2 動(dòng)車(chē)城軌輪軸系統(tǒng)外觀圖 圖 3 動(dòng)車(chē)城軌軸承座外觀圖

2.2 材料與屬性

表 1 為動(dòng)車(chē)城軌軸承座材料屬性表。

2.3 坐標(biāo)系約定

坐標(biāo)系選取以豎直向上為 Y 正方向,加載制動(dòng)載荷方向?yàn)?X 正方向,Z 軸以右手法則確定,見(jiàn)圖4。

圖 4 坐標(biāo)系約定圖

2.4 網(wǎng)格劃分


根據(jù)動(dòng)車(chē)城軌軸承座的結(jié)構(gòu),本文利用 HyperMesh 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,主要采用三維實(shí)

體單元模擬,單元大小約 5mm。整個(gè)模型共計(jì)單元 607376 個(gè),節(jié)點(diǎn) 333669 個(gè)。

2.5 靜強(qiáng)度加載及約束方式

將輪對(duì)重力載荷 14.7kN、制動(dòng)載荷 75kN 以靜態(tài)力的形式施加在模型的部分節(jié)點(diǎn)上,如圖 5 所示, 并約束動(dòng)車(chē)城軌軸承座螺栓連接部位的 X、Y、Z 三個(gè)方向的平動(dòng)自由度,如圖 6 所示。

圖 5 動(dòng)車(chē)城軌軸承座有限元模型 1 圖 6 動(dòng)車(chē)城軌軸承座有限元模型 2

3 計(jì)算結(jié)果分析

動(dòng)車(chē)城軌軸承座主要部位靜強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖 7-1~圖 7-3,應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 2。

圖 7-1 整體應(yīng)力云圖 1(MPa)

由圖 7-1~圖 7-3 及表 2 可見(jiàn),動(dòng)車(chē)城軌軸承座各部位應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度,能夠滿足強(qiáng)度
要求。應(yīng)力大點(diǎn)主要分布在支撐板與底板交接處,軸承座螺栓約束處,支撐板與軸承套筒交接處。最 大應(yīng)力發(fā)生在支撐板與底板交接處,最大值為 92.33MPa。

4 模態(tài)分析

利用有限元模型,對(duì)動(dòng)車(chē)城軌軸承座進(jìn)行模態(tài)分析,取前 6 階模態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果如表 3 所示, 各階振型圖見(jiàn)圖 8-1~圖 8-6。

由表 3 可知,動(dòng)車(chē)城軌軸承座最低頻率為 550.3Hz,而動(dòng)車(chē)城軌輪軸轉(zhuǎn)速 1624r/min,頻率為27.1Hz,是動(dòng)車(chē)城軌軸承座最低頻率的 1/20.3,整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振。

5 結(jié)論

有限元計(jì)算結(jié)果表明,動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)軸承座在規(guī)定的載荷工況下,靜強(qiáng)度滿足相 應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度要求,并且動(dòng)車(chē)城軌牽引制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)軸承座不會(huì)發(fā)生共振。可見(jiàn),運(yùn)用 合適可靠的 CAE 軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及校核階段具備高效性的特點(diǎn),并為最終產(chǎn)品的確定提供了理論依 據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

6 參考文獻(xiàn)
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