动车城轨牵引制动系统试验台轴承座的静强度及模态分析计算
Urban Rail Traction Motor Car Brake System Test Bench Bearing Static Strength Calculation and Modal Analysis
陈雪 1 杨磊 2
（1.青岛理工大学机械工程学院 2.青岛四方车辆研究所有限公司 山东青岛 266031）
摘 要：本文以动车城轨牵引制动系统试验台轴承座为例，基于 HyperWorks 软件对其进行静强度及 模态计算。结果显示，动车城轨牵引制动系统试验台轴承座在规定的载荷工况下，静强度满足相应材料的屈服强度要求，且工作时不会发生共振。 可见，CAE 软件的应用为产品的结构设计及校核提供了参考依据。
关键词：轴承座 有限元 静强度 模态
Abstract：This paper uses an urban rail motor car’s braking system traction bearing as a case study of using HyperWorks software to perform modal analysis and calculate static strength. The result shows that the static strength of urban rail traction motor car brake system test bench bearing meets the requirements of the corresponding yield strength of the material in the specified load conditions, and resonance does not occur during operation. CAE software applications provide a reference and check for structural design.
Key words：Bearing, finite element, static strength, modal
1 概述
动车城轨牵引制动系统试验台是大功率动车城轨进行牵引与制动特性试验的重要平台，而轴承座 作为其轮轴系统中的关键部件，承载着轮对重量以及在轮对上施加的制动载荷。为保证轴承座在牵引 制动试验台上工作时的可靠性和安全性，其静强度及振动特性必须满足一定的条件要求。目前随着仿 真技术在工程领域的不断发展，CAE 软件的应用已成为对工程和产品进行性能和安全性分析的重要手 段[1]。本文将以动车城轨牵引制动系统试验台轴承座为研究对象，利用有限元法及 Altair 公司的 HyperWorks 软件对其进行静强度及模态计算，为获得轴承座工作时的应力分布及其动态特性分析提 供可靠性依据。
2 有限元模型的建立[2,3]
2.1 计算对象简介
动车城轨牵引制动系统试验台包括牵引电机、扭矩传感器、变速箱、飞轮组、轮对（含轴承）、 底座及相应的传动连接装置，长约 9m。动车城轨牵引制动系统试验台外观图见图 1。
图 1 动车城轨牵引制动系统试验台外观图
车城轨轮轴系统属于动车城轨牵引制动系统试验台的一部分，包括动车城轨轮轴、轴承座、安装 平台、扭矩传感器和联轴器等，主要用于模拟在动车城轨轮轴上施加制动载荷。考虑到更换轮对的情 况，轴承座采用剖分式结构，图 2 为动车城轨轮轴系统，图 3 为动车城轨轴承座外观图。
图 2 动车城轨轮轴系统外观图 图 3 动车城轨轴承座外观图 2.2 材料与属性
表 1 为动车城轨轴承座材料属性表。
2.3 坐标系约定
坐标系选取以竖直向上为 Y 正方向，加载制动载荷方向为 X 正方向，Z 轴以右手法则确定，见图4。
图 4 坐标系约定图
2.4 网格划分
根据动车城轨轴承座的结构，本文利用 HyperMesh 软件对模型进行网格划分，主要采用三维实
体单元模拟，单元大小约 5mm。整个模型共计单元 607376 个，节点 333669 个。根据动车城轨轴承座的结构，本文利用 HyperMesh 软件对模型进行网格划分，主要采用三维实
2.5 静强度加载及约束方式
将轮对重力载荷 14.7kN、制动载荷 75kN 以静态力的形式施加在模型的部分节点上，如图 5 所示， 并约束动车城轨轴承座螺栓连接部位的 X、Y、Z 三个方向的平动自由度，如图 6 所示。
图 5 动车城轨轴承座有限元模型 1 图 6 动车城轨轴承座有限元模型 2
3 计算结果分析
动车城轨轴承座主要部位静强度计算的应力云图见图 7-1~图 7-3，应力统计结果见表 2。
图 7-1 整体应力云图 1（MPa）
由图 7-1~图 7-3 及表 2 可见，动车城轨轴承座各部位应力均低于材料的屈服强度，能够满足强度
要求。应力大点主要分布在支撑板与底板交接处，轴承座螺栓约束处，支撑板与轴承套筒交接处。最 大应力发生在支撑板与底板交接处，最大值为 92.33MPa。
4 模态分析
利用有限元模型，对动车城轨轴承座进行模态分析，取前 6 阶模态进行分析，结果如表 3 所示， 各阶振型图见图 8-1~图 8-6。
要求。应力大点主要分布在支撑板与底板交接处，轴承座螺栓约束处，支撑板与轴承套筒交接处。最 大应力发生在支撑板与底板交接处，最大值为 92.33MPa。
4 模态分析
利用有限元模型，对动车城轨轴承座进行模态分析，取前 6 阶模态进行分析，结果如表 3 所示， 各阶振型图见图 8-1~图 8-6。
由表 3 可知，动车城轨轴承座最低频率为 550.3Hz，而动车城轨轮轴转速 1624r/min，频率为27.1Hz，是动车城轨轴承座最低频率的 1/20.3，整个系统不会发生共振。
5 结论
有限元计算结果表明，动车城轨牵引制动系统试验台轴承座在规定的载荷工况下，静强度满足相 应材料的屈服强度要求，并且动车城轨牵引制动系统试验台工作时轴承座不会发生共振。可见，运用 合适可靠的 CAE 软件在产品设计及校核阶段具备高效性的特点，并为最终产品的确定提供了理论依 据和数据支持。
6 参考文献
[1] 姚伟.浅谈 CAE 技术现状及发展趋势[J].科技创新导报 , 2011,(27):67.
[2] 王钰栋，金磊，洪清泉.HyperMesh＆HyperView 应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业 出版 社,2012:50-66.
[3] 张胜兰，郑冬黎，郝琪.基于 HyperWorks 的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版 社,2007:
79-90.
