動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算

2016-12-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座的靜強度及模態分析計算

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

陳雪 1 楊磊 2
(1.青島理工大學機械工程學院 2.青島四方車輛研究所有限公司山東青島 266031)

摘要:本文以動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座為例,基于 HyperWorks 軟件對其進行靜強度及模態計算。結果顯示,動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座在規定的載荷工況下,靜強度滿足相應材料的屈服強度要求,且工作時不會發生共振。可見,CAE 軟件的應用為產品的結構設計及校核提供了參考依據。

關鍵詞:軸承座有限元靜強度模態

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

動車城軌牽引制動系統試驗臺是大功率動車城軌進行牽引與制動特性試驗的重要平臺,而軸承座作為其輪軸系統中的關鍵部件,承載著輪對重量以及在輪對上施加的制動載荷。為保證軸承座在牽引制動試驗臺上工作時的可靠性和安全性,其靜強度及振動特性必須滿足一定的條件要求。目前隨著仿真技術在工程領域的不斷發展,CAE 軟件的應用已成為對工程和產品進行性能和安全性分析的重要手段[1]。本文將以動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座為研究對象,利用有限元法及 Altair 公司的 HyperWorks 軟件對其進行靜強度及模態計算,為獲得軸承座工作時的應力分布及其動態特性分析提供可靠性依據。

2 有限元模型的建立[2,3]
2.1 計算對象簡介

動車城軌牽引制動系統試驗臺包括牽引電機、扭矩傳感器、變速箱、飛輪組、輪對(含軸承)、底座及相應的傳動連接裝置,長約 9m。動車城軌牽引制動系統試驗臺外觀圖見圖 1。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh技術圖片1

圖 1 動車城軌牽引制動系統試驗臺外觀圖

車城軌輪軸系統屬于動車城軌牽引制動系統試驗臺的一部分,包括動車城軌輪軸、軸承座、安裝平臺、扭矩傳感器和聯軸器等,主要用于模擬在動車城軌輪軸上施加制動載荷。考慮到更換輪對的情況,軸承座采用剖分式結構,圖 2 為動車城軌輪軸系統,圖 3 為動車城軌軸承座外觀圖。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh應用技術圖片2

圖 2 動車城軌輪軸系統外觀圖圖 3 動車城軌軸承座外觀圖

2.2 材料與屬性

表 1 為動車城軌軸承座材料屬性表。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh應用技術圖片3

2.3 坐標系約定

坐標系選取以豎直向上為 Y 正方向,加載制動載荷方向為 X 正方向,Z 軸以右手法則確定,見圖4。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh應用技術圖片4

圖 4 坐標系約定圖

2.4 網格劃分

根據動車城軌軸承座的結構,本文利用 HyperMesh 軟件對模型進行網格劃分,主要采用三維實

體單元模擬,單元大小約 5mm。整個模型共計單元 607376 個,節點 333669 個。

2.5 靜強度加載及約束方式

將輪對重力載荷 14.7kN、制動載荷 75kN 以靜態力的形式施加在模型的部分節點上,如圖 5 所示, 并約束動車城軌軸承座螺栓連接部位的 X、Y、Z 三個方向的平動自由度,如圖 6 所示。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh應用技術圖片5

圖 5 動車城軌軸承座有限元模型 1 圖 6 動車城軌軸承座有限元模型 2

3 計算結果分析

動車城軌軸承座主要部位靜強度計算的應力云圖見圖 7-1~圖 7-3,應力統計結果見表 2。

動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh分析圖片6

圖 7-1 整體應力云圖 1(MPa)

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動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座靜強度及模態分析計算hypermesh分析圖片8

由圖 7-1~圖 7-3 及表 2 可見,動車城軌軸承座各部位應力均低于材料的屈服強度,能夠滿足強度
要求。應力大點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。最大應力發生在支撐板與底板交接處,最大值為 92.33MPa。

4 模態分析

利用有限元模型,對動車城軌軸承座進行模態分析,取前 6 階模態進行分析,結果如表 3 所示, 各階振型圖見圖 8-1~圖 8-6。

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由表 3 可知,動車城軌軸承座最低頻率為 550.3Hz,而動車城軌輪軸轉速 1624r/min,頻率為27.1Hz,是動車城軌軸承座最低頻率的 1/20.3,整個系統不會發生共振。

5 結論

有限元計算結果表明,動車城軌牽引制動系統試驗臺軸承座在規定的載荷工況下,靜強度滿足相應材料的屈服強度要求,并且動車城軌牽引制動系統試驗臺工作時軸承座不會發生共振。可見,運用合適可靠的 CAE 軟件在產品設計及校核階段具備高效性的特點,并為最終產品的確定提供了理論依據和數據支持。

6 參考文獻
[1] 姚偉.淺談 CAE 技術現狀及發展趨勢[J].科技創新導報 , 2011,(27):67.
[2] 王鈺棟,金磊,洪清泉.HyperMesh&HyperView 應用技巧與高級實例[M].北京:機械工業出版社,2012:50-66.
[3] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪.基于 HyperWorks 的結構優化設計技術[M].北京:機械工業出版社,2007:
79-90.

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