论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了南非22E电力机车转向架电机悬挂装置的结构设计特点，对主要零部件进行了说明和有限元分析计算，介绍了电机防脱落装置的新型结构设计，为电力机车电机悬挂装置的结构设计和计算分析提供借鉴。
【关键词】电力机车；电机悬挂；结构；有限元分析
引言
南非22E电力机车转向架是中车株洲电力机车有限公司为南非铁路提供的货运电力机车，该机车转向架电机悬挂装置与我公司其他机车转向架的电机悬挂装置有所不同，电机吊杆由构架中间横梁中间穿过通过吊杆销悬挂于横梁上，并且采用了新型的防脱落装置。
1、电机悬挂装置结构
电机悬挂装置主要由吊杆、支座、吊杆销、衬套、防脱落装置、垫板、关节轴承、橡胶垫等部件组成，其结构如图1所示。电机悬挂的结构是将电机和支座通过橡胶垫、垫板弹性连接在电机吊杆上，电机吊杆穿过构架中间横梁通过吊杆销等部件固定在横梁上。
2、主要零部件
2.1支座。电机悬挂支座是电机悬挂吊杆与牵引电机的之间的连接件，它的强度关系电机的安全运转，它承受电机产生的各种冲击。南非22E电机悬挂支座采用C级钢铸造而成，结构见下图2，在支座上新设计了排水孔，防止雨水长时间积聚发生锈蚀，影响支座及其他部件的使用。
2.2吊杆。电机吊杆下端通过橡胶垫、垫板与支座相连，上下两块橡胶垫能够有效缓冲车辆运行时电机的垂向振动冲击。电机吊杆上端通过关节轴承与吊杆销配合安装于构架横梁上，关节轴承结构使电机吊杆具有一定的横向和纵向运动自由度，以适应电机的水平振动冲击。电机吊杆属于对安全性有重要作用的结构件，其质量保证及使用寿命有严格的要求，吊杆采用高强度合金钢锻造，成品加工后应进行调质处理，其机械性能见表1。
吊杆热处理后应进行硬度和机械性能检测，硬度在同一产品上测量三点以上，要求在241HB～311HB的范围之内。热处理后产生的弯曲、翘曲变形超出公差范围时，应由热处理厂进行矫正。在冷态或热态下矫正后，锻件应进行回火，以消除应力，矫正或回火后的锻件必须保证其机械性能的要求。
2.3吊杆销及衬套。吊杆销、衬套安装在电机吊杆和构架横梁内，用来传递电机吊挂载荷、承受电机与构架之间的冲击，同时吊杆销与衬套之间还存在滚动、滑动摩擦。其结构如图3所示，其中衬套二与构架之间属于间隙配合，衬套一与构架之间属于过盈配合。吊杆销的基体采用高质量合金钢制造。衬套采用符合GB/T 699的45#钢制造。吊杆销调质处理后外圆柱表面深度0.5mm处硬度为56HRC～62HRC，并进行了具有抗锈蚀能力的熔涂层；衬套内孔表面淬火后，内孔深度0.8mm处硬度为45HRC～55HRC，表面进行非晶态镍磷合金化学镀。吊杆销的1/2半径处的机械性能应不低于表2给出的数值。
2.4防脱落装置。全新设计的防脱落装置具有很好的灵活性，尤其能适应较小的空间布置，为转向架的总体设计布局提供了极大的便利。结构见下图4。
新型防脱落装置有两块防脱板，分别为凹字形的防脱板一和一字形的防脱板二。防脱板一的凹字形结构可确保防脱板与构架纵向配合紧密，起到纵向自锁功能。且凹字形的结构可以灵活适应电机吊耳位置，能确保防脱板布置于电机吊耳的正下方。防脱板一和防脱板二之间通过斜面配合，安装时先装入防脱板一，后装入防脱板二，并用小锤子轻敲防脱板二以确保斜面紧密配合。防脱板二上的螺栓孔为腰孔，防脱板二腰孔及斜面配合的结构可以很好的适应构架焊接带来的横向尺寸公差，确保防脱落板与构架横向紧密配合，横向位置固定。新型牵引电机防脱落装置安装与拆卸均在构架横梁一侧进行，可实现不需要架车便可拆卸牵引电机的要求，安装拆卸方便，维护成本低。
3、电机悬挂装置强度分析
电机吊杆和电机支座是悬挂电机的关键受力部件，承受电机产生的垂向和水平振动冲击，其结构强度直接关系转向架的安全运行。本文对电机悬挂装置装配结构整体进行就有限元计算，并对电机吊杆和支座进行详细的强度分析。
3.1工况分析。主要考虑以下三种工况见下表3。
3.2材料性能。电机支座采用C级钢铸造，根据TB/T 2942-1999《铁道用铸钢件采购与验收技术条件》，C级钢的机械性能指标见表3。
电机吊杆采用高强度合金钢锻造，根据《机械工程材料性能数据手册》，机械性能指标见表4。
3.3评判标准。工况1计算出的电机悬挂装置的最大应力应不超过材料的疲劳极限，工况2计算出的电机悬挂装置最大应力应不超过材料的屈服极限，工况3计算出的电机悬挂装置最大应力应不超过材料的强度极限。
3.4有限元分析计算。电机支座、电机吊杆、吊杆销、衬套等均采用UG三维建模。电机悬挂装置采用ANSYS有限元分析，并采用SOLID45、SOLID92进行单元离散。金属材料的杨氏模量2.09e5MPa，泊松比0.3，密度为7.89e-6kg/mm3。在吊杆销与衬套接触面、吊杆销与关节轴承接触面、以及关节轴承与吊杆内孔接触面分别建立接触对单元。电机悬挂装置中的橡胶垫采用ANSYS中的弹簧单元进行模拟，通过设置弹簧单元的预压缩状态实现橡胶垫的实际的预压缩量。3.4.1电机悬挂装置边界条件。加载时对电机支座与电机安装面施加全约束，在构架安装座顶面施加节点力载荷，电机悬挂装置边界条件见图5。3.4.2电机支座计算结果。电机支座计算结果见表6，其在工况3下的Von-Mises应力分布见图6。
3.4.3电机吊杆计算结果。电机吊杆计算结果见表7，其在工况3下的Von-Mises应力分布见图7。
3.4.4电机悬挂装置强度计算结论。根据上述强度计算评判标准，电机支座、电机吊杆在各个工况下的最大应力均远远小于相应的许用应力，且设计安全裕量充足。
4、结束语
本文对南非22E电力机车转向架电机悬挂装置的结构进行了详细介绍，并阐述了带有创新性的防脱落装置；通过有限元分析计算电机悬挂装置的强度在三种工况下均满足要求。
参考文献
[1]邹文辉，陈喜红，李冠军，等.南非窄轨货运电力机车转向架的研制[J].电力机车与城轨车辆，2015（1）.
[2]张又孔，邹文辉，李冠军，等.南非窄轨机车转向架驱动系统[J].电力机车与城轨车辆，2015（3）.
[3]李冠军，沈龙江，喻佳文，等.一种机车牵引电机防脱落装置[P].中国发明专利.B61C9/50（2006.01）Ⅰ.2016-03-02.
【关键词】电力机车；电机悬挂；结构；有限元分析
引言
南非22E电力机车转向架是中车株洲电力机车有限公司为南非铁路提供的货运电力机车，该机车转向架电机悬挂装置与我公司其他机车转向架的电机悬挂装置有所不同，电机吊杆由构架中间横梁中间穿过通过吊杆销悬挂于横梁上，并且采用了新型的防脱落装置。
1、电机悬挂装置结构
电机悬挂装置主要由吊杆、支座、吊杆销、衬套、防脱落装置、垫板、关节轴承、橡胶垫等部件组成，其结构如图1所示。电机悬挂的结构是将电机和支座通过橡胶垫、垫板弹性连接在电机吊杆上，电机吊杆穿过构架中间横梁通过吊杆销等部件固定在横梁上。
2、主要零部件
2.1支座。电机悬挂支座是电机悬挂吊杆与牵引电机的之间的连接件，它的强度关系电机的安全运转，它承受电机产生的各种冲击。南非22E电机悬挂支座采用C级钢铸造而成，结构见下图2，在支座上新设计了排水孔，防止雨水长时间积聚发生锈蚀，影响支座及其他部件的使用。
2.2吊杆。电机吊杆下端通过橡胶垫、垫板与支座相连，上下两块橡胶垫能够有效缓冲车辆运行时电机的垂向振动冲击。电机吊杆上端通过关节轴承与吊杆销配合安装于构架横梁上，关节轴承结构使电机吊杆具有一定的横向和纵向运动自由度，以适应电机的水平振动冲击。电机吊杆属于对安全性有重要作用的结构件，其质量保证及使用寿命有严格的要求，吊杆采用高强度合金钢锻造，成品加工后应进行调质处理，其机械性能见表1。
吊杆热处理后应进行硬度和机械性能检测，硬度在同一产品上测量三点以上，要求在241HB～311HB的范围之内。热处理后产生的弯曲、翘曲变形超出公差范围时，应由热处理厂进行矫正。在冷态或热态下矫正后，锻件应进行回火，以消除应力，矫正或回火后的锻件必须保证其机械性能的要求。
2.3吊杆销及衬套。吊杆销、衬套安装在电机吊杆和构架横梁内，用来传递电机吊挂载荷、承受电机与构架之间的冲击，同时吊杆销与衬套之间还存在滚动、滑动摩擦。其结构如图3所示，其中衬套二与构架之间属于间隙配合，衬套一与构架之间属于过盈配合。吊杆销的基体采用高质量合金钢制造。衬套采用符合GB/T 699的45#钢制造。吊杆销调质处理后外圆柱表面深度0.5mm处硬度为56HRC～62HRC，并进行了具有抗锈蚀能力的熔涂层；衬套内孔表面淬火后，内孔深度0.8mm处硬度为45HRC～55HRC，表面进行非晶态镍磷合金化学镀。吊杆销的1/2半径处的机械性能应不低于表2给出的数值。
2.4防脱落装置。全新设计的防脱落装置具有很好的灵活性，尤其能适应较小的空间布置，为转向架的总体设计布局提供了极大的便利。结构见下图4。
新型防脱落装置有两块防脱板，分别为凹字形的防脱板一和一字形的防脱板二。防脱板一的凹字形结构可确保防脱板与构架纵向配合紧密，起到纵向自锁功能。且凹字形的结构可以灵活适应电机吊耳位置，能确保防脱板布置于电机吊耳的正下方。防脱板一和防脱板二之间通过斜面配合，安装时先装入防脱板一，后装入防脱板二，并用小锤子轻敲防脱板二以确保斜面紧密配合。防脱板二上的螺栓孔为腰孔，防脱板二腰孔及斜面配合的结构可以很好的适应构架焊接带来的横向尺寸公差，确保防脱落板与构架横向紧密配合，横向位置固定。新型牵引电机防脱落装置安装与拆卸均在构架横梁一侧进行，可实现不需要架车便可拆卸牵引电机的要求，安装拆卸方便，维护成本低。
3、电机悬挂装置强度分析
电机吊杆和电机支座是悬挂电机的关键受力部件，承受电机产生的垂向和水平振动冲击，其结构强度直接关系转向架的安全运行。本文对电机悬挂装置装配结构整体进行就有限元计算，并对电机吊杆和支座进行详细的强度分析。
3.1工况分析。主要考虑以下三种工况见下表3。
3.2材料性能。电机支座采用C级钢铸造，根据TB/T 2942-1999《铁道用铸钢件采购与验收技术条件》，C级钢的机械性能指标见表3。
电机吊杆采用高强度合金钢锻造，根据《机械工程材料性能数据手册》，机械性能指标见表4。
3.3评判标准。工况1计算出的电机悬挂装置的最大应力应不超过材料的疲劳极限，工况2计算出的电机悬挂装置最大应力应不超过材料的屈服极限，工况3计算出的电机悬挂装置最大应力应不超过材料的强度极限。
3.4有限元分析计算。电机支座、电机吊杆、吊杆销、衬套等均采用UG三维建模。电机悬挂装置采用ANSYS有限元分析，并采用SOLID45、SOLID92进行单元离散。金属材料的杨氏模量2.09e5MPa，泊松比0.3，密度为7.89e-6kg/mm3。在吊杆销与衬套接触面、吊杆销与关节轴承接触面、以及关节轴承与吊杆内孔接触面分别建立接触对单元。电机悬挂装置中的橡胶垫采用ANSYS中的弹簧单元进行模拟，通过设置弹簧单元的预压缩状态实现橡胶垫的实际的预压缩量。3.4.1电机悬挂装置边界条件。加载时对电机支座与电机安装面施加全约束，在构架安装座顶面施加节点力载荷，电机悬挂装置边界条件见图5。3.4.2电机支座计算结果。电机支座计算结果见表6，其在工况3下的Von-Mises应力分布见图6。
3.4.3电机吊杆计算结果。电机吊杆计算结果见表7，其在工况3下的Von-Mises应力分布见图7。
3.4.4电机悬挂装置强度计算结论。根据上述强度计算评判标准，电机支座、电机吊杆在各个工况下的最大应力均远远小于相应的许用应力，且设计安全裕量充足。
4、结束语
本文对南非22E电力机车转向架电机悬挂装置的结构进行了详细介绍，并阐述了带有创新性的防脱落装置；通过有限元分析计算电机悬挂装置的强度在三种工况下均满足要求。
参考文献
[1]邹文辉，陈喜红，李冠军，等.南非窄轨货运电力机车转向架的研制[J].电力机车与城轨车辆，2015（1）.
[2]张又孔，邹文辉，李冠军，等.南非窄轨机车转向架驱动系统[J].电力机车与城轨车辆，2015（3）.
[3]李冠军，沈龙江，喻佳文，等.一种机车牵引电机防脱落装置[P].中国发明专利.B61C9/50（2006.01）Ⅰ.2016-03-02.