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[摘 要]以某熄焦车转向架摇枕为研究对象，利用ANSYS软件建立摇枕的有限元模型，对其进行静强度分析，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校验其刚度和强度是否满足性能指标的要求。同时，通过摇枕的应力分布及变形情况，判断出摇枕在运行过程中易出现的破坏部位，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
[关键词]转向架；摇枕；有限元分析
中图分类号：TB115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0262-01
1 引言
熄焦车主要功能为承载及运送焦炭，转向架是熄焦车的关键部件，其中摇枕是转向架最重要部件之一，摇枕的作用是将车体作用在心盘上的力传递给支撑在其两端的摇枕弹簧上，另外还用于把转向架左右两侧架联系成一个整体，其可靠性能影响车体的走行品质和安全性，必须满足一定的强度要求。随着计算机技术的发展，有限元法已成为摇枕强度分析的主要方法之一[1，2]。
在我国，通常传统的产品从设计到生产的过程，即为多次设计—修改—再设计的过程，不仅浪费很多的人力、物力、财力，而且延长生产周期。目前，随着计算机的普及和计算方法的发展，越来越多的设计研究人员在产品设计过程中使用计算机仿真技术，从而大大节约了成本，减小了生产周期[3，4]。
本文以某熄焦车转向架摇枕为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件建立其模型，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校验其刚度和强度是否满足性能指标的要求。同时，通过分析结果得到的摇枕应力分布及变形情况，判断其在运行过程中易出现破坏的部位，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
2 摇枕的结构特点
本文所研究的熄焦车转向架摇枕应用在轴重为46t，自重为8t的转向架上，通过上、下心盘的配合支承着车体，车体的垂向载荷通过上下心盘、摇枕、摇枕弹簧传递给转向架侧架；车体的横向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过摇枕挡传递给转向架侧架；车体的纵向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过磨耗板和摇枕弹簧传递给转向架侧架。这种结构既能保证摇枕具有足够的强度，又可以节约材料和减轻自重。
3 摇枕有限元计算分析
3.1 有限元模型
摇枕采用长大箱体结构，焊接而成。通过ANSYS有限元软件建立摇枕几何模型并对其进行网格划分，采用壳单元，共划分67438个单元，66716个节点，两端各建立8个刚性单元与8个弹簧单元模拟摇枕弹簧支撑。材料模型中，摇枕所用材料为Q345B，屈服极限为345MPa，安全系数为1.5，许用应力为230MPa，弹性模量210GPa、泊松比0.3。
3.2 计算载荷工况
根据TB/T1335-1996和TB/T1959-2006的规定，并结合熄焦车实际运行状况，在有限元计算分析中，采用三种计算载荷工况对摇枕进行刚度和强度校核，三种计算载荷工况的约束均施加在摇枕弹簧支撑底部。载荷值及载荷工况如下[5，6]：
刚度计算工况：垂向载荷1.43P，1.43P以均布力的形式垂直作用在摇枕下心盘表面。
强度计算工况1：垂向载荷P+纵向水平力0.25P，P以均布力的形式垂直作用在摇枕下心盘表面，0.25P以均布力的形式纵向作用在摇枕下心盘和牵引销孔一半作用面上。
强度计算工况2：纵向水平力0.8P，0.8P以均布力的形式纵向作用在摇枕中央腹板上。
其中：P为一个转向架的垂直静载荷，取值为轴重乘以2减去转向架的自重。
3.3 有限元计算分析结果
利用ANSYS软件对摇枕的三种计算载荷工况进行有限元计算分析。结果显示，在刚度计算工况下，摇枕上盖板中央截面相对于两侧的最大垂向位移为4.8mm，小于允许最大垂向位移5.2mm，满足垂向弯曲刚度设计要求，垂向位移如图1所示；摇枕在强度计算工况1下的最大Von Mises等效应力为223MPa，发生在摇枕下心盘与上盖板相交处，小于许用应力230MPa，满足静强度设计要求，Von Mises等效应力分布如图2所示；在强度计算工况2下，摇枕的最大Von Mises等效应力为178MPa，发生在摇枕下心盘与上盖板相交处，小于许用应力230MPa，满足静强度设计要求，Von Mises等效应力分布如图3所示
4 结论
（1）本文基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准对熄焦车转向架摇枕进行了静强度评定，通过ANSYS有限元计算分析，刚度计算工况下最大垂向位移为4.8mm，强度计算工况下最大Von Mises等效应力分别为223MPa和178MPa，均满足性能指标的要求。通过计算分析得到的摇枕应力分布和变形情况，能为摇枕的进一步结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
（2）通过有限元计算分析方法在设计阶段对摇枕进行静强度校核，能缩短产品的设计周期，降低生产成本。另外，该分析方法还可以应用于其它类似产品的设计中。
参考文献：
[1] 刘运斌，卜继玲，王小中，等.基于CAE的转K6转向架摇枕结构优化[J]. 铁道机车车辆，2010，30（5）：40-43.
[2] 黄健，卜继玲，傅茂海，等.ZK6型转向架摇枕疲劳寿命分析[J].内燃机车，2010，431（1）：14-17
[3] 同金叶，李文斌.基于ANSYS的转K2转向架摇枕结构分析[J].机械工程与自动化，2010，3：45-47.
[4] 江建东.转向架摇枕强度的计算及结构优化[J].机车车辆工艺，206，3：4-6.
[5] 廖永亮，卜继玲，傅茂海.重载货车转向架摇枕有限元分析及结构优化[J].铁道机车车辆，2008，28（5）：28-31.
[6] 黄孝亮，孙丽萍，王玉艳，等.铁路货车转向架摇枕结构拓扑优化设计[J].大连交通大学学报，2013，34（2）：1-5.
[关键词]转向架；摇枕；有限元分析
中图分类号：TB115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0262-01
1 引言
熄焦车主要功能为承载及运送焦炭，转向架是熄焦车的关键部件，其中摇枕是转向架最重要部件之一，摇枕的作用是将车体作用在心盘上的力传递给支撑在其两端的摇枕弹簧上，另外还用于把转向架左右两侧架联系成一个整体，其可靠性能影响车体的走行品质和安全性，必须满足一定的强度要求。随着计算机技术的发展，有限元法已成为摇枕强度分析的主要方法之一[1，2]。
在我国，通常传统的产品从设计到生产的过程，即为多次设计—修改—再设计的过程，不仅浪费很多的人力、物力、财力，而且延长生产周期。目前，随着计算机的普及和计算方法的发展，越来越多的设计研究人员在产品设计过程中使用计算机仿真技术，从而大大节约了成本，减小了生产周期[3，4]。
本文以某熄焦车转向架摇枕为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件建立其模型，基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准，校验其刚度和强度是否满足性能指标的要求。同时，通过分析结果得到的摇枕应力分布及变形情况，判断其在运行过程中易出现破坏的部位，从而为摇枕进一步的结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
2 摇枕的结构特点
本文所研究的熄焦车转向架摇枕应用在轴重为46t，自重为8t的转向架上，通过上、下心盘的配合支承着车体，车体的垂向载荷通过上下心盘、摇枕、摇枕弹簧传递给转向架侧架；车体的横向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过摇枕挡传递给转向架侧架；车体的纵向载荷通过上下心盘传递到摇枕，再通过磨耗板和摇枕弹簧传递给转向架侧架。这种结构既能保证摇枕具有足够的强度，又可以节约材料和减轻自重。
3 摇枕有限元计算分析
3.1 有限元模型
摇枕采用长大箱体结构，焊接而成。通过ANSYS有限元软件建立摇枕几何模型并对其进行网格划分，采用壳单元，共划分67438个单元，66716个节点，两端各建立8个刚性单元与8个弹簧单元模拟摇枕弹簧支撑。材料模型中，摇枕所用材料为Q345B，屈服极限为345MPa，安全系数为1.5，许用应力为230MPa，弹性模量210GPa、泊松比0.3。
3.2 计算载荷工况
根据TB/T1335-1996和TB/T1959-2006的规定，并结合熄焦车实际运行状况，在有限元计算分析中，采用三种计算载荷工况对摇枕进行刚度和强度校核，三种计算载荷工况的约束均施加在摇枕弹簧支撑底部。载荷值及载荷工况如下[5，6]：
刚度计算工况：垂向载荷1.43P，1.43P以均布力的形式垂直作用在摇枕下心盘表面。
强度计算工况1：垂向载荷P+纵向水平力0.25P，P以均布力的形式垂直作用在摇枕下心盘表面，0.25P以均布力的形式纵向作用在摇枕下心盘和牵引销孔一半作用面上。
强度计算工况2：纵向水平力0.8P，0.8P以均布力的形式纵向作用在摇枕中央腹板上。
其中：P为一个转向架的垂直静载荷，取值为轴重乘以2减去转向架的自重。
3.3 有限元计算分析结果
利用ANSYS软件对摇枕的三种计算载荷工况进行有限元计算分析。结果显示，在刚度计算工况下，摇枕上盖板中央截面相对于两侧的最大垂向位移为4.8mm，小于允许最大垂向位移5.2mm，满足垂向弯曲刚度设计要求，垂向位移如图1所示；摇枕在强度计算工况1下的最大Von Mises等效应力为223MPa，发生在摇枕下心盘与上盖板相交处，小于许用应力230MPa，满足静强度设计要求，Von Mises等效应力分布如图2所示；在强度计算工况2下，摇枕的最大Von Mises等效应力为178MPa，发生在摇枕下心盘与上盖板相交处，小于许用应力230MPa，满足静强度设计要求，Von Mises等效应力分布如图3所示
4 结论
（1）本文基于TB/T1335-1996和TB/T1959-2006标准对熄焦车转向架摇枕进行了静强度评定，通过ANSYS有限元计算分析，刚度计算工况下最大垂向位移为4.8mm，强度计算工况下最大Von Mises等效应力分别为223MPa和178MPa，均满足性能指标的要求。通过计算分析得到的摇枕应力分布和变形情况，能为摇枕的进一步结构改进及优化设计提供有价值的参考依据。
（2）通过有限元计算分析方法在设计阶段对摇枕进行静强度校核，能缩短产品的设计周期，降低生产成本。另外，该分析方法还可以应用于其它类似产品的设计中。
参考文献：
[1] 刘运斌，卜继玲，王小中，等.基于CAE的转K6转向架摇枕结构优化[J]. 铁道机车车辆，2010，30（5）：40-43.
[2] 黄健，卜继玲，傅茂海，等.ZK6型转向架摇枕疲劳寿命分析[J].内燃机车，2010，431（1）：14-17
[3] 同金叶，李文斌.基于ANSYS的转K2转向架摇枕结构分析[J].机械工程与自动化，2010，3：45-47.
[4] 江建东.转向架摇枕强度的计算及结构优化[J].机车车辆工艺，206，3：4-6.
[5] 廖永亮，卜继玲，傅茂海.重载货车转向架摇枕有限元分析及结构优化[J].铁道机车车辆，2008，28（5）：28-31.
[6] 黄孝亮，孙丽萍，王玉艳，等.铁路货车转向架摇枕结构拓扑优化设计[J].大连交通大学学报，2013，34（2）：1-5.