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自20世紀(jì)中后期以來，客運高速、貨運重載己成為鐵路發(fā)展的趨勢。發(fā)達(dá)國家紛紛改進(jìn)機車傳動系統(tǒng)，德國的AEG公司為適應(yīng)高速大功率要求研制了一種整體式傳動結(jié)構(gòu)，在德國稱為GEALAIF。該結(jié)構(gòu)是由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)而形成的一種全新的傳動形式。該結(jié)構(gòu)不僅適用于高速大功率機車，也適用于中低速機車和動車。其代表車型如：BR101，120，128，145，146機車等。從使用效果來看，這種整體式傳動結(jié)構(gòu)代表著當(dāng)今機車傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而，我國生產(chǎn)的機車車輛仍采用傳統(tǒng)的傳動形式，性能明顯落后，這使我國鐵路運輸難以實現(xiàn)以高速重載為目標(biāo)的現(xiàn)代化要求，也不利于我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。因此充分利用世界機車的先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)一種適合于我國國情的應(yīng)用于高速重載機車和動車的傳動裝置，不僅是我國國產(chǎn)機車車輛適應(yīng)世界發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)和前提，而且對我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展也會產(chǎn)生積極的影響，下面介紹對聯(lián)軸節(jié)的有限元分析。
新型機車傳動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。由于牽引電機和牽引齒輪箱的組合，該結(jié)構(gòu)取消了轉(zhuǎn)子軸傳動側(cè)軸承蓋板，轉(zhuǎn)子通過一個無維護(hù)的易彎曲的而在圓周方向和半徑方向均為剛性的聯(lián)軸節(jié)支撐在小齒輪軸上，在非傳動側(cè)用滾動軸承支撐。此時電機軸只承受扭矩和自重，不承受由于齒輪嚙合作用所形成的彎矩。與采用懸臂支撐小齒輪的電機相比，所受力明顯減小。對于傳統(tǒng)機車牽引電機，冷卻空氣從電機的非傳動側(cè)輸入，熱的廢氣在電機的齒輪箱側(cè)排出，故承受大載荷的傳動側(cè)軸承還要承受廢氣的熱負(fù)荷。在該傳動裝置中，冷卻空氣可以從傳動側(cè)引入。這樣小齒輪軸軸承的冷卻得到改善；同時電機內(nèi)的空間加大，電機的冷卻效果也可得到明顯改善，從而可提高電機功率。
可以看到，該種結(jié)構(gòu)中有一個關(guān)鍵性零件的設(shè)計需要首先突破，即彈性聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計。只有在該零件首先確定的情況下才能對該項目進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)，所以必須首先對彈性聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行分析和設(shè)計。這里選用有限元法進(jìn)行求解，將ANSYS軟件作為計算工具，對彈性聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行參數(shù)化的幾何建模、有限元強度分析以及對彈性聯(lián)軸節(jié)的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過簡化方法，單元確定SOLID45，使用ANSYS軟件建立參數(shù)化模型。先產(chǎn)生關(guān)鍵點、線和面，再將面分網(wǎng)，通過面網(wǎng)格SWEEP即可得到如圖所示模型。一共產(chǎn)生30215個單元和36936個節(jié)點。載荷主要有軸承3相對軸承2的軸線偏移(即位移載荷)、系統(tǒng)的重力、扭矩、離心載荷。節(jié)點載荷及邊界條件見圖。
由于加上了角速度即加上了離心載荷，因此該計算模型表示系統(tǒng)運行時某一時刻的穩(wěn)態(tài)模型。通過ANSYS軟件計算，可得彈性聯(lián)軸節(jié)的變形云圖和應(yīng)力云圖。由圖可見應(yīng)力集中出現(xiàn)在彈性聯(lián)軸節(jié)的根部即軸肩過渡圓弧處。
上面是對彈性聯(lián)軸節(jié)的某時刻的穩(wěn)態(tài)強度計算，現(xiàn)在來分析在運動過程中任一時刻的應(yīng)力分布情況。這種應(yīng)力分布情況是在給定的條件下的理想情況，既考慮到軸承3為調(diào)心軸承，整個轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個剛體以及軸承2到彈性盤的懸臂距離較短，懸臂也可以作為剛體，又考慮到在整個系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的每一個時刻，系統(tǒng)的應(yīng)力場是一樣分布的，即在任一時刻的應(yīng)力場分布與上面計算出的應(yīng)力場分布是一樣的。因此每一個節(jié)點的應(yīng)力呈周期性變化，并且同一圓周上的點的應(yīng)力變化曲線是一樣的。下面只對應(yīng)力集中點所在圓周上的節(jié)點在運動時的每一時刻的應(yīng)力、應(yīng)變、變形等值的分布進(jìn)行分析。通過查詢，知道節(jié)點451(坐標(biāo)為x-0,y-54.02,z-76.855)處的VonMises應(yīng)力為最大值71.637MPa，因此選擇該點所在圓周作為路徑，將應(yīng)力、變形等值映射到該圓形路徑上，可得有關(guān)值的下列圖標(biāo)曲線。圖中橫坐標(biāo)L表示圓形路徑上的點與起始點(節(jié)點451)的距離，就是弧的長度。如果將弧長可以換算成旋轉(zhuǎn)角度，用旋轉(zhuǎn)角度除以角速度就可以得到時間，則下列圖標(biāo)曲線實際上就表示節(jié)點451的圖標(biāo)各量與時間的曲線關(guān)系，同時還表示節(jié)點451旋轉(zhuǎn)到最高點時刻整個圓周上的節(jié)點的有關(guān)量的分布情況。而要得到該圓周上的其他節(jié)點的有關(guān)量與時間的曲線關(guān)系，只需將下以上是對彈性聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力集中處在運動時的動強度分析，對于盤上的其他各點也可用類似的方法求出。
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