基于Solidworks的转K2型转向架的三维建模及有限元分析.docx

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中南大学交通运输工程学院

数字化设计技术课程论文

题目 基于Solidworks的转K2型转向架的三维建模

及有限元分析

姓名所在学院专业班级学号授课教师

日期年月日

基于Solidworks的转K2型转向架的三维建模及有限元分析

摘要：

转向架是机车车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直接影响机车车辆的运行品质、动力性能和行车安全，所以保证转向架的应力条件和疲劳寿命是十分重要的。

但是传统的转向架强度的可靠性评定大多通过物理样机的试验，再通过金属探伤、磁电探伤等方法来检验，成本高，检验周期长。

本论文中利用Solidworks对转K2型转向架的构架、轮对、车轴、摇枕进行三维建模，然后利用Solidworks的有限元分析Simulation，对转向架的重要组成部分：

构架、轮对、车轴、摇枕，进行各种模态分析，以判断其在模拟工作状态下的模态变形、构架强度、疲劳等一系列参数是否合理。

关键字：

转向架；Solidworks；轮对；侧架；摇枕；有限元分析；静强度；

1转K2型转向架概述

1.1转K2型转向架简介

转K2型转向架为铸钢三大件式货车转向架。

摇枕、侧架材质为B级铸钢，两侧架之间加装下交叉支撑装置；采用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统，摇枕弹簧为两级刚度，采用锻造支撑座；下心盘内设有尼龙心盘磨耗盘；装用能满足提速要求的双列圆锥滚子轴承、50钢车轴及LM磨耗型踏面的HDSA轻型辗钢或HDZC轻型铸钢车轮；采用双作用常接触弹性旁承；基础制动装置采用L型组合式制动梁、新型高摩合成闸瓦。

基本尺寸：

固定轴距1750mm轴颈中心距1956mm旁承中心距1520mm心盘面到轨面高（心盘载荷86.6kN）682mm下心盘直径355mm下心盘面到下旁承顶面距离：

自由状态93mm工作状态84mm侧架上平面到轨面距离775mm侧架下平面到轨面距离165mm车轮直径840mm

制动杠杆与车体纵向铅垂面的夹角50 °

基础制动装置制动倍率4

主要性能参数：

轨距1435mm轴重21t

轴型RD2

自重 ≈4.2t

商业运营速度120km/h

通过半径80m～100m曲线时，限速5km/h，通过半径＞100m～145m曲线时，

限速20km/h。

图1转K2型转向架三维实体图（图片来自百度）

2转向架各零件的三维建模

2.1车轮的三维建模

火车轮对的建模主要是其踏面的形状不好绘制，而且我们手里没有详细的尺寸，所以我们只能转向其他地方求助了，最后我们采用了车辆工程中的LMa磨耗型踏面，在实际的绘制过程中还是会有一定的问题，所以会和标准的有一定的误差，图2就是solidworks中车轮的草图。

图2车轮踏面草图

然后通过【旋转凸台】命令，绕车轮的中心轴旋转就可以建好车轮的简易模型。

车轮的三维如图3所示。

图3车轮三维模型图

2.2车轴三维建模

根据查阅车辆工程这本书，我们选定车轴为空心车轴，参照上面的草图，以及相应部分的轴径，在Solidworks中做轴的草图，各段尺寸如图4所示。

图4轴的草图

然后通过【旋转凸台】命令，使草图绕轴的中心旋转，建好车轴的三维模型，建好的模型如图5所示。

图5轴的三维模型

2.3侧架的三维建模

由于本次建模为小组合作，侧架建模任务由其他同学完成，所以我就不赘述建模的详细步骤和过程，侧架三维模型图如图6所示。

图6侧架三维模型

2.4摇枕三维建模

摇枕是左右对称的，但是摇枕的建模步骤比较的繁琐，而且倒了很多的圆角，所以我就不赘述建模的详细步骤和过程，摇枕的三维模型图如图7所示。

图7摇枕三维模型

2.5弹簧三维建模

转K2型转向架是有内外圆弹簧的，而且外圆簧是左旋的，内圆簧是右旋的，弹簧的画法是通过【曲线】中【插入螺旋线】插入弹簧的螺旋，然后通过【扫描】特征建好弹簧的三维模型。

弹簧的三维模型如图8所示。

图8弹簧三维模型

3转向架装配

装配的过程比较的繁琐，其中包括了车轮与车轴、轴承、承载鞍、弹簧、侧架还有摇枕等一系列零部件的装配，而且在装配的时候插入了很多的基准面，所以详细的装配过程，就不在赘述了。

转K2型转向架的具体装配图如图9所示。

图9转K2型转向架装配体

4转K2型转向架有限元分析

4.1侧架的有限元分析

随着铁路运输向高速、重载的技术方向发展，对铁路货车转向架提出了新的要求。

转K2型转向架的研制成功为铁路货运更加适应新形势的发展提供了保证。

转K2侧架材质为B级钢，成品重量为381kg，按Q/QC35—090—2000《转K2型转向架技术条件》和运装货车［1999］39号文件之附件《铁道货车用B级钢

摇枕、侧架供货技术条件（试行）》制造验收【1】。

4.1.1定义材料

【2】

根据查阅相关资料 ，选定侧架的材料为B级钢，其弹性模量为172GPa，

泊松比为0.3。

在Solidworks进行静应力分析时，因为不知道B级钢材料的具体性能指标，所以近似的用电镀钢来近似替代，其弹性模量为200GPa，泊松比为0.29。

4.1.2边界条件及载荷工况

实际运行中，侧架承受的载荷较为复杂，有限元分析时，一般简化为简单的垂向载荷和横向载荷。

根据TB／T1335_1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（以下简称《规范》）【3】，确定计算载荷在侧架弹簧承台面上施加垂向载荷1.5C，,在侧架两立柱上施加垂直于侧架平面的横向载荷0.4C,C为轮对两轴颈的垂向静载重，其值等于轴重减去轮对自重,，转K2型转向架轴重为205．8kN，轮对自重为41.16kN，则C=205.8-10.64=164.64kN，1.5C=246.96kN，0.4C=65.856kN．施加载荷时，

垂向载荷平均作用在7处弹簧支承面上，每处载荷246.96/7=35.28kN，因取半个侧架为模型对象，所以中间弹簧支承面上的载荷为35.28／2=17.64kN，其余3个弹簧支承面上的载荷为35.28kN。

如表1就是我分析时对应的相应的工况。

表1静载荷试验表

载荷工况 垂向力 横向力（向内） 横向力（向外）工况1 1.5C

工况2 1.5C 0.4C

工况3 1.5C 0.4C

工况4 2.14C

工况5 0.57C

注：

C=164.64kN

4.1.3生成网格

侧架的整体建模还是比较规范的，没有太多的圆角，且是对称的一个实体，所以在划分网格时只需用默认的设置就行了，图10就是已经划分好的网格。

图10侧架网格化

图10中定义的单元大小为32.5295mm，公差为1.62647mm，划分网格后节总数为230731，单元总数为137267。

4.1.4侧架有限元分析结果

由于侧架横向结构不对称，横向载荷要分向内和向外加载，在模型的对称截面上施加对称约束，并约束轴箱垂向支承处单元的垂向线位移自由度和外侧轴箱面的横向线位移自由度【4】。

表2静载荷试验试验结果

载荷工况 最大应力位置最大应力值（GPa）许用应力值（GPa）最大位移（m）

工况1

轴箱拐角处

154.87

151

0.000597833

工况2

承台拐角处

121.48

151

0.000682367

轴箱拐角处

250.48

151

工况3

承台拐角处

127.79

151

0.000678231

轴箱拐角处

212.55

151

承台拐角处

182.54

151

工况4

0.000738536

簧枕台下处

120.2

151

工况5

侧架外立柱处

119.29

151

0.000980732

轴箱拐角处

98.292

151

注：

最大应力值都是通过在最大应力附近位置多次探测取平均值，许用应力值参考5【】

表2是根据表一的工况，再按照上面介绍的约束情况和加载情况施加载荷得到的结果，由结果我们可以得到在各种工况下，轴箱拐角处的的应力值都很危险，有的时候最大的应力值，远远超过了许用的应力值，我觉得可能是侧架在进行三维建模的时候，结构和尺寸可能有点偏差，导致了我们的结果和标准的值相差很大。

以下是各个工况下具体的应力图。

图11工况一应力图

由图11工况一应力图我们可以发现轴箱拐角处的应力值是最大的，最大应力为154.87MPa，已经超过了许用的应力值：

151MPa；但是因为车辆实际运行时并不是时时刻刻都是最糟的承载工况，所以是可以接受的。

图12工况二应力图

图12工况二为加载了垂向和横向向外的载荷，由应力图我们可以发现，此时的承台拐角处的应力值为121.48，满足许用应力值，而轴箱拐角处的某点的应力值已经达到了250.48MPa，超过了许用应力值100MPa，很容易出现裂纹，断裂。

图13工况三应力图

图13工况三是将工况二中向外的横向载荷变为了向内的横向载荷，此时轴箱拐角处的应力值为212.55MPa，还是超出了许用应力值，由工况二和工况三知轴箱拐角处是十分危险的。

图14工况四应力图

图14工况四为考虑垂向载荷为2.14C时的应力情况，其模拟的是机车超载时对转向架的负荷情况，由应力图，我们可以看到承台拐角处的最大应力值为182.54MPa，超过饿了许用应力值。

所以超载很可能使转向架超负荷，影响转向架的安全性能。

图15工况五应力图

图15工况五中只加了0.57C的横向力，其侧架外立柱处的最大应力值为

119.29MPa，轴箱拐角处的最大应力值为98.292MPa，两者都满足许用应力的要

求。

4.1.5结果分析

侧架的最大计算应力多发生在轴箱导框的内弯角处，摇枕弹簧承载台拐角处，摩擦斜块滑动倒槽的拐角处，还有就是鱼腹枕的鱼腹处。

所以这些地方在加工和制造的时候应该特别注意，应按照相应的标准来检验。

4.2弹簧静应力分析与疲劳分析

4.2.1静应力分析

转K2型转向架的中央悬挂装置由10个外圆弹簧，10个内圆弹簧组成。

下面是转K2弹簧组性能参数【6】。