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鐵道部在“九五”期間動員全路科技力量開展300km/h高速動車的預研。高速轉(zhuǎn)向架是高速列車的關鍵技術(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牽引電機安裝在車體上成為簧上質(zhì)量，并為適應輪對的上下左右運動，在車軸上套一個空心軸，電機先驅(qū)動空心軸，再由空心軸驅(qū)動輪對。這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)比較復雜。德國的ICE高速列車采用這種結(jié)構(gòu)。②牽引電動機安裝在車體上，并通過特殊設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輪對的跳動和搖擺，并能自由伸縮以適應在彎道上轉(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)進行詳細的強度分析。
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，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。考慮到萬向軸結(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。對應力分布較復雜的圓柱實體部分單元劃分細密，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;因假設滾針上的力沿其軸線是均布的，則可認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)點的應力值和位移值，作出單元的應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力。
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