250 km高速动车组齿轮箱悬挂装置结构设计

孙 涛，吴正雨

(北京南口轨道交通机械有限责任公司 技术中心，北京 102202)

250 km高速动车组齿轮箱悬挂装置结构设计

孙 涛，吴正雨

(北京南口轨道交通机械有限责任公司 技术中心，北京 102202)

高速动车齿轮箱的悬挂结构是驱动装置的重要承载部件，其不但能承受齿轮传递转矩时箱体的反作用力，还能承受动车高速运行时各方向的振动冲击；因此，在设计时应保证结构具有足够的强度，并且满足结构的减重要求。本文根据齿轮箱承载方式及相关接口尺寸，利用三维设计软件及有限元分析软件，对悬挂结构进行多次优化与强度计算。结果表明，最终设计结构较初始设计结构强度提高了23%，质量减小了12%。对实际结构进行了应力测试，计算结果与测试结果吻合较好。

C型支架；轻量化；有限元；应力测试

目前，我国高速动车组的驱动齿轮箱与转向架构架的连接方式大多采用C型支架结构。该C型支架一边固定在构架上，另一边通过上、下2个叠层橡胶弹簧与齿轮箱连接。相对于机车和地铁常用的吊杆结构来说，C型支架结构的受力方式在一定程度上得到了分散，具有更高的可靠性。C型支架是悬挂系统中最重要的承载结构，它承受着由转矩传递所产生的全部反作用力，因此要求有足够的机械强度；但随着列车速度的不断提高，结构的轻量化设计也是一个重要要求[1]。

本文采用有限元分析软件，对C型支架的强度和刚度进行了分析计算。通过多次优化，得到一个比较合理的结构，并通过实际结构的应力测试对设计进行了验证。

1 C型支架结构初步设计

根据C型支架安装接口(见图1)，齿轮箱、橡胶弹簧边界尺寸以及齿轮箱与转向架构架的限位尺寸等条件，初步设计C型支架结构。初步设计主要从结构安装要求来考虑，根据铁道相关标准，支架材料初步选择铸钢材料，同时考虑铸件的相关设计工艺等要求，初步设计对结构的细节部分暂不考虑，支架的质量为47.8 kg。

图1 C型支架安装接口图

2 C型支架的强度计算

2.1 C型支架受力分析

2.1.1 设计计算载荷

电动机最大工作转矩为1 968 N·m，电动机短路转矩为9 840 N·m，齿轮传动比为3.44，中心距为380 mm，支架中心到车轴距离为390 mm。

转向架构架侧最大冲击加速度为：垂向10 g，横向5 g，纵向3 g。齿轮箱输入端总质量为63.5 kg。

2.1.2 受力分析

C型支架在工作情况下受力复杂，既承受齿轮箱传递转矩时箱体的反作用力，又承受动车高速运行时各方向的振动冲击。在进行支架设计计算时，应充分考虑各种因素对结构的影响，但要抓住问题的主要因素，对计算影响较小的次要因素可暂不考虑(如结构自重等)。

1)齿轮传递转矩对C型支架的作用力分析。牵引电动机输入转矩通过齿轮传动带动车轴旋转，在齿轮副之间产生作用力，输入轴小齿轮所受圆周力又作用到轴承座上，而这个力需C型支架的反作用力予以平衡。当电动机转向不同时，C型支架分别为上部或下部受力。以车轴中心为支点，利用力矩平衡方程可得：

(1)

式中，F是C型支架对齿轮箱的支承力；L是支架中心到输出轴的距离；Ft是圆周力；d1是主动齿轮分度圆直径；d2是从动齿轮分度圆直径。

(2)

式中，T是电动机输入转矩；i是齿轮传动比。

2)C型支架承受齿轮箱因振动冲击引起的惯性力分析。输入端总质量约为63.5 kg，振动引起的惯性力的计算是质量乘以相应的加速度。由于齿轮箱的约束条件和自身刚度以及橡胶块的作用，支架承受箱体的横向和纵向的惯性力相对于其他载荷很小，这里予以忽略。而由于齿轮箱可以绕车轴转动，输入端垂向方向完全靠支架来支承，因此，垂向振动作用力不能忽略。

C型支架静强度的计算取支架受力最恶劣的载荷工况，即在电动机发生短路，同时承受垂向振动冲击时支架受力最大。根据上述分析，C型支架承受作用力为118 kN。

2.2 C型支架的有限元计算

由于C型支架结构复杂，强度计算采用有限元方法，计算软件用通用有限元分析软件ANSYS。计算载荷为电动机短路时支架承受作用力118 kN，作用点在支架与橡胶弹簧配合的工作面上。约束条件为在支架与构架连接面施加位移约束。计算结果如图2所示。

图2 初步方案应力(作用力向下)

从计算结果可知，支架各部的应力分布不太均匀，局部应力过大，最大应力为375.85 MPa；因此应对支架的结构进行改进设计。

3 C型支架结构优化设计

结构优化设计是针对C型支架初步设计的计算结果，通过对应力较大的部位进行补强，对应力较小的部位进行去材等措施，在保证结构强度的条件下，力求结构的轻量化。为了得到较好的设计结构，对支架结构进行了多次改进设计与计算，最终确定的结构质量为42 kg，最大应力为287 MPa，相对于初始设计强度提高了23%，质量减小了12%。最终设计结构的应力计算结果如图3和图4所示。

图3 作用力向下时的应力计算结果

图4 作用力向上时的应力计算结果

4 C型支架的应力测试

根据动车齿轮箱设计规范要求以及验证设计计算的合理性，对C型支架进行了应力测试。测试设备选用静态应变采集设备，测试工装采用专门设计的工装。应力采集点根据有限元结果选择几个应力比较大的位置。加载用液压千斤顶分别对支架的上、下端进行加载，最大加载为短路转矩及最大冲击时支架承受的反作用力118 kN。应力测试方案所规定的采集点如图5所示，测试的工装图如图6所示，应变片贴片局部放大图如图7所示。

图5 采集点

图6 测试工装

图7 应变片贴片局部放大图

测试中对支架受向上和向下2种加载情况的应力值进行统计，见表1和表2；同时，表中列出了对应测点的有限元计算结果。从表中可知，计算结果与测试结果接近。(实际测点位置与模拟取点位置有出入，引起一定误差)。

表1 向下加载时的应力值

表2 向上加载时的应力值

5 结语

本文对时速250 km动车组用C型支架的结构设计做了简要介绍，进行了结构设计优化、有限元计算以及对计算结果的测试。结果表明，计算结果与试验测试结果吻合较好，说明采用的计算方法正确、合理。该方法可用于今后更高速度等级动车组的结构设计。

[1] Holzapfel M，Bassmann T，韩才元. 牵引齿轮箱的最新发展趋势——350km/h动车的大功率牵引齿轮箱[J].国外内燃机车，2006(4)：29-33.

责任编辑马彤

StructureDesignof250kmHigh-speedEMUGearboxSuspendedDevice

SUN Tao, WU Zhengyu

(Technical Development Center, Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Beijing 102202, China)

The suspended device of high-speed EMU gearbox is the important load-bearing components of driving device, which can not only withstand the reaction of gearbox when the gear transmitting torque, but also can withstand the vibration and shock for each direction of the CRH train running at a high speed. So it should guarantee structure with enough strength and satisfy the requirement of the structure weight reduction when designing. According to the load mode of gearbox and the related interfaces size, optimized the suspended structure and calculated the strength many times with the 3D design software and the finite element analysis software, the results showed that comparing with the initial designed structure, the strength of final designed structure increased 23%, the weight decreased 12%. Meanwhile, did the stress tests for the actual structure，the calculation results were close to the test results.

C type bracket，lightweight，finite element，stress test

TH 131.9

：A

孙涛(1971-)，男，高级工程师，主要从事结构设计与强度计算等方面的研究。

2014-09-15