基于三维工程软件的车轴结构强度.docx
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基于三维工程软件的车轴结构强度
基于三维工程软件的车轴结构强度分析
1、车轴结构尺寸及材料说明
1.1、SS3车轴结构尺寸
图1：
SS3车轴
1.2、车轴材料
1.2.1、材料属性
材料名称：
优质碳素结构钢
牌号：
40
标准：
GB/T699-1999
1.2.2、特性及适用范围：
具有较高的强度和良好的切削性，冷变形塑性中等，焊接性不好，经淬火回火后可焊接，热处理时无回火脆性，但淬透性低。
用作承受负荷较大的小截面调质件或应力较小的大型正火零件以及对心部强度要求不高，表面耐磨的表面淬火件，用于制造机器运动零件，如辊子、轴、连杆、圆盘等。
以及火车的车轴，还可用于冷拉丝、钢板、钢带、无缝管等。
1.2.3、化学成份：
碳C：
0.37～0.45
硅Si：
0.17～0.37
锰Mn：
0.50～0.80
硫S：
≤0.035
磷P：
≤0.035
铬Cr：
≤0.25
镍Ni：
≤0.25
铜Cu：
≤0.25
1.2.4、力学性能：
抗拉强度σb（MPa）：
≥570（58）
屈服强度σs（MPa）：
≥335（34）
伸长率δ5（%）：
≥19
断面收缩率ψ（%）：
≥45
冲击功Akv（J）：
≥47
冲击韧性值αkv（J/cm2）：
≥59（6）
硬度：
未热处理≤217HB;退火钢≤187HB
试样尺寸：
试样尺寸为25mm
1.2.5、热处理规范及金相组织：
热处理规范：
正火,860℃;淬火,840℃;回火,600℃。
2、车轴受力工况分析计算说明
2.1、符号说明
符号
说明
单位
d
轮座径
mm
g
车轮踏面间距离
mm
r
车轮踏面半径
mm
Z
轴轮座处抗弯截面模数
mm*mm
P
横向力
N
Q.
颈上的垂向力，
N
R.
P引起的踏面上的垂向力
N
W
车辆轴重
N
M1
轮座处P引起的弯曲力矩
mN*m
M2
轮座处垂向动态载荷引起的弯曲力矩
mN*m
M3
轮座处横向力引起的弯曲力矩
mN*m
σb
轮座处的弯曲应力
N/mm
σv
垂向动态载荷系数
m
安全系数
n
疲劳安全率
G
车轴重心
V
使用最高速度
表0：
符号解释说明
2.2、车轴受力简图
图2：
受力简图
2.3车轴相关参数列表。
d
mm
r
mm
j
mm
g
mm
a
mm
h
mm
x
mm
y
mm
l
mm
228
1250
2150
1493
170
137.2
63
72
135
表1：
车轴相关参数
车轴轮座位置的弯曲应力由下式确定：
韶山3型机车是中国铁路第二代（级间相控调压、交-直流电传动）国产客、货两用干线电力机车。
采用低压侧调压开关实现8个大调压级和在每级内利用晶闸管相控无级调压，机车具有无级加速特性。
韶山3型电力机车车长20.3米，电流制为
单相工频交流，持续功率4320千瓦，最大速度100km/h，6轴，轴式Co-Co。
所以在计算中，车辆的运行速度取机车的运营速度为80km／h。
车轴的动态载荷系数和载荷计算结果列于下表：
V
km/h
σv
σL
W
kN
P
kN
Q.
kN
R.
kN
80
0.42
0.20
137.2
27.4
18.3
41.2
表2：
车轴载荷计算结果
轮座处的许用应力取147MPa，该车轴轮座处的弯矩、应力计算结果和安
全系数列于表：
V
km/h
M1
Kn*mm
M2
kN*mm
M3
kN*mm
σb
Mpa
n
80
17405
3759
10291
67
2.2
表3：
车轴轮座处的应力计算结果
车轴材料为40#钢，，根据JIS．E．4502取车轴轮座处的疲劳许用应力为147MPa。
由表5．10可见，车轴轮座处的最大弯曲应力为67MPa，出现在时速80km/h的运行条件下，远小于材料的许用应力，安全裕度较大。
因此，按照日本标准，该车轴满足强度设计要求。
3、车轴三维建模步骤与方法
在三维软件UG下建模的步骤与方法如下：
3.1首先点击“草图”
，以XOY平面为基准面建立草图。
接着在草图上，以车轴轴线为基准，根据SS3机车车轴的参数，绘制出车轴的横向截面的一半，点击“完成草图”
，结果如图所示：
3.2、以车轴轴线为中心线，把截面绕中心线回转360°，
回转结果如图所示：
3.3、最后“边倒圆”，边倒圆半径为20mm，效果如图：
4、车轴结构强度有限元分析
4.1、把建立的三维模型做有限元分析，首先“新建FEM和仿真”，选择NASTRAN作为求解器计算。
4.2、确定“材料属性”，根据查找的相关资料，选择40#钢作为材料，如图所示：
4.3、网格划分。
要进行有限元分析，就要根据规则还有模型的特点，把模型划分为若干个网格，这里选用“3D四面体网格”划分法，划分为4个节点的立体网格，如图所示：
网格自动生成，如图所示：
4.4、添加约束。
因为车轴两端是有轴箱固定的，所以在施加载荷之前，在两端添加固定约束，如图所示：
4.5、施加载荷
根据上面的受力工况分析，施加在车轴上的载荷有横向力，轴颈上的垂向力，车轮踏面传递的垂向力，轴重，还有轴颈处的弯曲力矩。
结果如图所示：
图：
节点位移
图：
节点应力
参考文献：
[1]严隽耄，傅茂海.车辆工程.第三版北京：
中国铁道出版社，2011年；
[2]陈建.基于solidworks机车车轴参数化设计及轮对疲劳寿命预测.成都：
西安交通大学硕士学位论文
[3]田合强，高福来，邬平波.高速列车车轴强度计算方法对比分析.中国铁道科学，2009年3月，第30卷第2期
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