新型铝合金牵引拉杆分析研究 Summary：为适应地铁车辆轻量化设计需求，对比分析了7A04铝合金与Q345C材料的机械性能，采用有限元的分析方法，建立地铁车辆转向架牵引拉杆的有限元模型，并在相同工况下进行了对比分析。结果
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明：采用7A04铝合金材料的牵引拉杆完全满足设计强度要求，且相比传统Q345C材料牵引拉杆可大幅减重30%以上。Keys：轻量化；铝合金；牵引拉杆；强度；减重传统地铁车辆转向架牵引拉杆采用Q345钢材料制造，其材料强度较高，但耐蚀性差，密度大，无法适应车辆轻量化的发展趋势。铝合金不仅具有良好的机械性能、优良的成型和加工性能，而且具有质量轻的特点（密度仅为钢材料的1/3），目前已广泛应用于CRH2动车组车体、CRH3动车组车体等。本文通过对铝合金牵引拉杆与传统牵引拉杆有限元强度进行对比，进一步研究了铝合金牵引拉杆的应用前景。一、有限元分析模型1.几何模型的建立。根据地铁车辆牵引拉杆几何图纸，使用三维软件建立牵引拉杆几何模型。2.有限元模型的建立。地铁车辆传统牵引拉杆材料采用Q345C，本文推荐采用7A04铝合金替代传统Q345C，两者机械性能如表1。据此分别设置牵引拉杆的材料属性，采用4节点C3D4四面体单元进行网格划分，共计8803个单元和37111个节点。表1Q345C与7A04铝合金材料的机械性能对比牌号(MPa)(MPa)(%)E(Gpa)Q345C470345112000.277A045304005720.33二、加载求解1.工况组合。列车运行时，牵引力通过轴传递给转向架，然后通过与转向架相连的牵引杆传递到牵引平衡座；牵引平衡座通过中心牵引销将牵引力传递给枕梁和车体，使其车体向前运行。由于缺乏准确实测载荷谱数据，参考相关牵引数据和文献，对牵引杆承受载荷工况情况进行分析和估算。地铁转向架牵引杆各工况受力如表2。表2工况组合表（单位：KN）工况纵向备注145运营2-45运营3563g冲击4-563g冲击5935g冲击6-935g冲击2.约束施加。牵引杆一端直接与牵引杆平衡座相联接，而另一端固定在转向架横梁之上。通过牵引杆，转向架将枕梁和车体以上重量所需牵引力传递给牵引杆平衡座。由转向架牵引杆的连接方式可知，相同工况下，与牵引杆平衡座联接的两个牵引杆，前面的牵引杆拉牵引杆平衡座，而后部的牵引杆推牵引杆平衡座，载荷大小相等，但施加载荷方向相反。因此，对同样的工况和牵引杆类型，应分别按牵引拉杆和牵引推杆两种情形进行加载和计算。图1为地铁稳定运行时转向架牵引杆加载和约束示意图，载荷均匀分布在与牵引杆平衡座接触的二分之一圆柱孔面上的各节点上。约束区域为右侧与转向架横梁联接接触的二分之一圆柱面。对牵引杆，其一端与牵引杆平衡座联接，另一端与转向架横梁联接，两处均为销轴接触。考虑到接触分析为非线性分析，耗时长，计算量大，且缺乏相关数据，故简化为线性静态分析问题进行求解。同时，假设接触表面为二分之一圆柱孔面，且此面上载荷均匀分布。图1地铁转向架牵引杆加载及约束示意图（牵引杆受拉）三、计算结果分析与比较经过分析可知，工况5、6时牵引拉杆受力最大，本文选取工况5时载荷数据进行牵引拉杆的有限元仿真计算。图2为在工况5下Q345C材料牵引拉杆的位移云图。在受拉状态下，联接平衡座的牵引拉杆左端轴孔变形向左侧移动，最大位移为1.585×10-1mm。图3为在工况5下7A04铝合金牵引拉杆的位移云图。在受拉状态下，联接平衡座的牵引拉杆左端轴孔变形向左侧移动，最大位移为4.31×10-1mm。图4为在工况5时Q345C材料牵引拉杆等效应力分布云图。此工况下牵引拉杆最大等效应力为100.0MPa，发生在轴孔与连杆过渡肋板处MX所示位置。图5为在工况5时7A04铝合金牵引拉杆等效应力分布云图。此工况下牵引拉杆最大等效应力为145.0MPa，发生在轴孔与连杆过渡肋板处MX所示位置。图2工况5时Q345C材料牵引拉杆的位移云图图3工况5时7A04铝合金牵引拉杆的位移云图图4工况5时Q345C材料牵引拉杆的等效应力云图图5工况5时7A04铝合金牵引拉杆的等效应力云图四、结论（1）7A04铝合金材料机械性能与Q345C基本相当，屈服强度及抗拉强度略优于Q345C。（2）极限工况下7A04铝合金牵引拉杆最大位移为4.31×10-1mm，略大于Q345C材料牵引拉杆的1.585×10-1mm。（3）极限工况下7A04铝合金牵引拉杆最大等效应力为145.0MPa，大于Q345C材料牵引拉杆的100.0MPa，但远小于材料的屈服极限。综上所述，选用7A04铝合金材料完全能够满足牵引拉杆的强度要求，相比传统Q345C材料牵引拉杆，可实现减重30%以上，符合车辆轻量化设计需求，有较好的运用前景。Reference：[1]陈文宾,丁叁叁.国产化CRH2型200km/h动车组铝合金车体及技术创新[J].机车电传动,2008(2):2-4.[2]晋军辉,罗彦云，孙永鹏.A型地铁车辆铝合金轴箱体的研制[J].电力机车与城轨车辆,2006.(4)21-23.【 -全文完-
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