基于ABAQUS轴箱内置与轴箱外置转向架静态特性分析

基于ABAQUS轴箱内置与轴箱外置转向架静态特性分析
发布时间：2022-10-12T05:40:59.958Z 来源：《科技新时代》2022年4月第7期作者：郑新宇
[导读] 为了针对轴箱内置转向架和轴箱外置转向架进行静态特性分析，
郑新宇
中车唐山机车车辆有限公司
摘要：为了针对轴箱内置转向架和轴箱外置转向架进行静态特性分析，本文基于ABAQUS针对两种模型进行静态特性仿真，建立其有限元模型。

模型采用面-面接触类型，接触主面为钢轨轨头表面，接触从表面为车轮踏面，接触法相关系定义为“硬”接触，切向关系摩擦因数为0.2。

仿真结果表明：对于轴箱内置轮对和轴箱外置轮对，在两者施加相同载荷时，轴箱外置轮对的应力最大值大于轴箱内置轮对的应力最大值；而轴箱外置轮对的偏转角度小于轴箱内置轮对的偏转角度。

随着轨道车辆技术的不断发展，对于转向架向轻量化、低轮轨作用力开始有了越来越高的要求。

根据国外多年进行的试验和研究发现，轴箱内置转向架比轴箱外置转向架质量更小、曲线通过的能力更强、有更小的轮轨磨耗、噪声更低等特点。

但是目前我国对轴箱内置转向架的研究和在工程上的应用与国外相比较少。

目前，国内一些研究人员针对轴箱内置转向架和轴箱外置转型架已经展开了一些研究。

西南交通大学牵引动力国家重点实验室的杨云帆等人针对轴箱内置转向架和轴箱外置转型架这两种类型的地铁，同时考虑轮对柔性，建立了的直线电机地铁车辆-轨道耦合动力学模型。

在两者的动力学模型中，用欧拉梁模拟轮轴，并考虑到轮对柔性变形对电机吊杆力，一系悬挂作用力以及轮轨空间动态相互作用的影响，在轮轨不平顺激扰作用下对轴箱内置和外置直线电机地铁车辆轮对柔性响应特性及其对系统动态响应的影响进行了对比分析[1]。

中车唐山机车车辆有限公司的张隶新在考虑到高铁线路和既有线路运行工况下，对时速350 km/h 货运动车组通过动力学仿真软件SIMPACK 对采用轴箱内置转向架和轴箱外置转向架的车辆分别进行建模，计算了两者的轮轨力和车轮磨耗，同时对2种转向架的平稳性、安全性以及线路适应性进行了对比分析[2]。

西南交通大学的邓铁松等人通过完成直线电机地铁车辆一无砟轨道耦合动力学模型的构建，从而得到轴箱内置与轴箱外置的地铁车辆的通过曲线的性能。

动力学模型采用Euler梁来代替直线电机定子和转子，将转子与定子两者间的垂向电磁力作为气隙的函数，用梁来简化轨道系统。

三维实体有限元模型详细比较轴箱内置与外置直线电机车辆曲线通过时的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨因数、运行平稳性和车轮磨耗指数[3]。

西南交通大学牵引动力国家重点实验室的庄哲等人针对两种不同轴箱布置方式的地铁车辆建立了两种动力学模型，在实际线路条件下，对轴箱内置与外置两种转向架进行了分析对比，车辆平稳性以及轮轨接触因为悬挂系统横向跨距和簧下质量的变化而改变[4]。

1.轴箱布置方式
转向架依据轴箱悬挂系统是装在车轮内侧还是安装在车轮外侧划分为轴箱外置转向架和轴箱内置转向架两种[5]。

在现阶段地铁车辆设计中，轴箱内置式转向架如图1所示，由于轴箱放到车轮内侧，这样的设计一方面减少了轮对车轴的长度，使轮对质量有所减少，而且是一系簧的簧下质量有所降低，对轮轨接触有了改善；另一方面由于一系簧的横向跨距降低，也是构架的纵向梁的横向间距也减少了，从而使转向架的质量有所减少[6-7]。

而转向架轴箱外置方式由于是将轴箱悬挂装置放置在轮对外侧，如图2所示，因此使与外置轴箱相连一系簧具有比内置轴箱转向架更大的横向间距[8]。

目前高速列车上使用的主要是轴箱外置转向架，而轴箱内置转向架目前主要用于城轨地铁车辆。

与外置轴箱转向架相比，内置轴箱转向架具有轮轨磨耗小、较强的曲线通过能力、噪声较低、有更强扭曲线路适应能力等特点。

轴箱内置转向架主要适用于在曲线半径较小的线路上以不高的运行速度行驶的轨道车辆。

列车采用轴箱内置的方式在使簧下质量有所降低，曲线通过性能有所改善以及轮轨磨耗降低的同时还能使转向架设计变得更加紧凑起来[9]。

2018年，西门子发布了一款新型高速列车Velaro Novo，该列车研发时间有5年之久。

该车辆的最高速度能够达到360 km／h，而且该列车在减轻了15％质量的同时能耗也降低了30％，该列车大致在2023年能够正式投入运营。

其中公开资料表明这款列车的转向架采用了轴箱内置。

而且有人对我国下一代高速列车发展关键技术进行了预测，而轴箱内置转向架是方向之一[10]。

2.ABAQUS有限元模型建立
本文主要针对轴箱内置和轴箱外置的轮对进行有限元建模，在进行有限元模型建立前，需要针对三维结构进行简化处理，例如轮轴上
的倒角，圆角等。

这些结构尺寸小，不仅会造成网格数量增多，而且所绘制出的网格易出现畸变，并且绘制网格也会使工作量有所增加。

这样做既影响仿真的速度，也使仿真的精度有所降低，因此对模型需要进行简化。

车轮与钢轨具体材料属性力学性能参数见表1。

车轮与钢轨接触采用计算精度较高的面-面接触类型，接触主面为钢轨轨头表面，接触从表面为车轮踏面，接触法相关系采用“硬”接触，切向关系采用擦因数为0.2的罚函数形式引入摩擦力。

轮轴与车轮之间添加Tie约束，钢轨底部施加固定约束，将轮轴与轴箱连接处采用耦合约束到其中心点，并在中心点处施加载荷，载荷大小左右均为8.5 t载荷。

网格类型选择六面体网格，单元类型为C3D8R，其中轴箱内置轮对共有436100个单元，轴箱外置轮对共有822510个单元。

创建好的轴箱内置轮对有限元模型如图3所示，轴箱外置轮对有限元模型如图4所示。

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4.结论
1）对于轴箱内置轮对和轴箱外置轮对，在两者施加相同载荷时，轴箱外置轮对的应力最大值大于轴箱内置轮对的应力最大值。

2）对于轴箱内置轮对和轴箱外置轮对，在两者施加相同载荷时，轴箱外置轮对的偏转角度小于轴箱内置轮对的偏转角度。

参考文献
[1]杨云帆,周青,巩磊,等.轮对柔性对直线电机车辆动态响应的影响分析[J].西南交通大学学报,2020,55(06):1313-1319.
[2]张隶新.轴箱内置和外置高速转向架的动力学性能对比[J].铁道科学与工程学报,2021,18(03):581-587.
[3]邓铁松,吴磊,凌亮,等.轴箱内置与外置直线电机地铁车辆曲线通过性能对比[J].计算机辅助工程,2015,24(01):12-17+21.
[4][1]庄哲,梁鑫,林建辉,施莹.轴箱布置方式对地铁直线电机车辆动力学性能的影响[J].城市轨道交通研究,2017,20(09):30-36.
[5]李国栋, 王文华, 薛文根, 等. 内置轴箱式转向架轴箱轴承定位挡圈失效分析[J]. 轴承, 2019(9): 6?8.
[6]KANG K D．A study of the long wave track defect analysis for high speed railways [J]．Journal of the Korean Society for Railway，2005，8(2)：111—115．
[7]王卫东，牛留斌，刘金朝．基于轴箱垂向加速度中高频轮轨垂向力软测量模型[J]．中国铁道科学，2013，32(2)：100-105．
[8]王文静，李广君，唐薇，等．高速动车组轴箱弹簧疲劳失效机理研究[J].铁道学报，2015，37(6)：4l一47．
[9]梁树林，傅茂海.内侧悬挂转向架在城轨车辆中的应用研究[J]铁道车辆，2006，44(4)：4-7．
[10]缪炳荣，张卫华，池茂儒，等.下一代高速列车关键技术特征分析及展望[J]．铁道学报，2019(3)：58．。