铁道车辆转向架轴箱定位弹簧特性研究

摘要

对轴箱弹簧断裂断口的大量研究表明，弹簧的主要破坏原因是疲劳断裂。从弹簧微观断口可以看见明显的疲劳裂纹源区，疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。疲劳裂纹源首先在金属夹杂、裂纹、凹坑等应力集中处形成，在交变载荷作用下扩展，直至断裂。CRH5轴箱内侧弹簧组外簧在线路运行过程中多次发生疲劳断裂，本文主要基于弹簧的结构特点，分析影响CRH5轴箱内侧弹簧组外簧发生断裂的主要因素。 基于经典材料力学理论，将弹簧和橡胶垫简化为Timoshenko梁，导出弹簧加橡胶垫系统的变形方程，分析弹簧系统受到轴向载荷和横向载荷（本文指与弹簧轴向方向垂直的方向上的载荷）时，弹簧变形和截面应力的计算方法。基于Hertz接触理论，将打扁和不打扁弹簧端圈与有效圈的接触分别简化为圆柱和长方体的接触、圆柱和圆柱的接触，分析其接触半宽和接触应力。基于有限元法分析弹簧端圈支撑面等效作用力偏心量的计算方法和支撑圈载荷分布规律。 基于CRH5轴箱内侧弹簧组的工作状态，制定弹簧组的静强度工况和疲劳强度工况，根据EN13906-1标准方法，评估其静强度和疲劳强度。分析结果指出，在轴向载荷确定的条件下，弹簧截面的最大工作应力主要受横向载荷、弹簧端圈载荷偏心、轴箱体旋转产生的附加弯矩和端圈结构的影响。 在ANSYS软件平台建立弹簧的FE模型，分析弹簧在轴向和横向载荷联合作用下的应力分布、端圈与相邻有效圈的接触应力分布和端圈支撑面的接触压力分布。基于端圈接触压力分布，采用单元积分方法，使用FORTRAN语言计算弹簧端圈支撑面等效作用力的偏心量和端圈支撑面载荷分布。 基于 ANSYS 仿真结果，分析了横向载荷对弹簧有效圈剪应力和弹簧疲劳强度的影响，分析了不同端圈圈数、端圈末端厚度、端圈打扁与否对弹簧有效圈剪应力、等效作用力的偏心量和支撑面载荷分布的影响，为合理设计高应力水平弹簧的端圈结构提供理论基础。 基于Pro/TOOLKIT二次开发工具，实现了轴箱弹簧的参数化设计，开发符合轴箱弹簧设计流程的人机交互界面，且具有分析弹簧系统各向刚度、最大应力的功能，实现了弹簧的快速设计。

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