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鐵道部在“九五”期間動員全路科技力量開展300km/h高速動車的預(yù)研。高速轉(zhuǎn)向架是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，而三爪球銷式萬向軸是高速轉(zhuǎn)向架傳動裝置的一個關(guān)鍵部件。國外高速轉(zhuǎn)向架的傳動裝置主要有兩種方案：①牽引電機(jī)安裝在車體上成為簧上質(zhì)量，并為適應(yīng)輪對的上下左右運動，在車軸上套一個空心軸，電機(jī)先驅(qū)動空心軸，再由空心軸驅(qū)動輪對。這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。德國的ICE高速列車采用這種結(jié)構(gòu)。②牽引電動機(jī)安裝在車體上，并通過特殊設(shè)計的萬向軸將動力傳送到車軸齒輪上，驅(qū)動輪對轉(zhuǎn)動。這種萬向軸能在高轉(zhuǎn)速大扭矩下，可任意方向運動以適應(yīng)輪對的跳動和搖擺，并能自由伸縮以適應(yīng)在彎道上轉(zhuǎn)向架相對車體轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的位移。這種結(jié)構(gòu)的傳動路線簡單明了，但設(shè)計及制造難度很大，法國TGV列車采用了這種結(jié)構(gòu)。下面對萬向軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。
根據(jù)300km/h的車速要求，萬向軸的最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，傳遞最大扭矩為9.3kN/m，傳遞功率為1000kW，最大伸縮量為±120mm。三爪球銷式萬向軸的結(jié)構(gòu)如圖所示。兩頭是十字頭剛性異步萬向節(jié)(Z形布置以取得同步效果)。這部分是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。中間伸縮部分傳統(tǒng)上采用花鍵。但在高速轉(zhuǎn)向架中，因傳遞扭矩大、伸縮量大，故花鍵已不能勝任。為此采用三爪球銷形式，用三圓弧槽代替花鍵槽，用帶球面滾針軸承的三爪插入圓弧槽以代替花鍵。三爪體則用花鍵固定在從動軸上。伸縮運動由滾針軸承承擔(dān)，故摩擦力大大減小。耐磨合金軸套既作密封用也作為從動軸的一個支點。中間軸粗而短，能適應(yīng)高速轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，但工藝要求高，制造難度大。
有限元分析的力學(xué)模型為兩個圓柱實體與一個帶有內(nèi)花鍵的圓柱空心殼體垂直相貫�？紤]到萬向軸結(jié)構(gòu)的對稱性，可取整個結(jié)構(gòu)的三分之一來進(jìn)行有限元數(shù)值分析。由于四面體等參元精度較差，又不能很好處理彎曲邊界以及使相應(yīng)的空間元素分割比較困難等缺點，帶內(nèi)花鍵的圓柱空心殼體和圓柱實體均采用6結(jié)點和8結(jié)點的塊型等參元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。圓柱實體部分若采用在圓截面上呈輻射狀的三維實體元來劃分，將造成和圓柱空心殼體及內(nèi)花鍵的銜接困難，使模型變得復(fù)雜。
本模型在兩圓柱實體的圓形截面內(nèi)部用矩形網(wǎng)格劃分，邊緣采用三角形或四邊形網(wǎng)格。對應(yīng)力分布較復(fù)雜的圓柱實體部分單元劃分細(xì)密，而對較厚的帶內(nèi)花鍵的外殼部分單元劃分較粗。邊界條件確定如下：由于圓柱空心殼體通過花鍵與從動軸相聯(lián)接，因而對內(nèi)花鍵受擠壓面上的結(jié)點施加全約束;因假設(shè)滾針上的力沿其軸線是均布的，則可認(rèn)為沿圓柱實體軸向的結(jié)點載荷值都相等；在圓周方向，把滾針作用在單元上的外載荷等效到該單元的結(jié)點上成為等效結(jié)點載荷。有關(guān)計算參數(shù)見表。計算采用Algor軟件中的程序。由300km/h高速動車的牽引特性得到：每個三爪萬向軸傳遞的平均扭矩為3.93kN/m，最大傳遞扭矩為9.3kN/m。
除在起動及低速運行時萬向軸傳遞的扭矩大于平均扭矩外，在正常的工況下，萬向軸傳遞的扭矩一般不超過平均扭矩。在設(shè)計中，計算扭矩取平均扭矩的3倍(11.8kN/m，即最大扭矩的1.27倍)。為簡化計算，可認(rèn)為：三個滾針軸承載荷相等；滾針受力沿其軸向是均布的；軸承外圈沿圓周方向的作用力按分布于約23個滾針上。根據(jù)計算所得各結(jié)點的應(yīng)力值和位移值，作出單元的應(yīng)力分布圖和位移分布圖為225.2MPa，位于195#單元的304#結(jié)點(即圓柱實體與帶內(nèi)花鍵的三爪空心外殼相貫線上的一個結(jié)點)。該結(jié)點位于圓柱實體的受壓側(cè)，與最大結(jié)點力(p0)在同一平面上。在圖中用黑色表示最大應(yīng)力。
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