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軸箱裝置是機(jī)車車輛走行部重要組成部分之一，用來連接輪對(duì)與構(gòu)架，保持軸頸與軸承間的正常位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)滾動(dòng)向構(gòu)架平動(dòng)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)向輪對(duì)傳遞源于一系簧上部分的各種載荷。由于鐵路客貨運(yùn)速度步步提升，軸箱裝置在服役過程中面臨越來越復(fù)雜的載荷環(huán)境，通過有限元分析建模和仿真計(jì)算，對(duì)其各組成部件進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析，是保障軸箱裝置服役可靠性和機(jī)車車輛運(yùn)行安全性的有效手段之一，具有重要的工程實(shí)際意義。
軸箱體是軸箱裝置的骨架，以間隙配合的方式套在軸承外，并通過螺栓連接安裝內(nèi)、外端蓋，同時(shí)設(shè)有一系彈簧座，還可根據(jù)需要設(shè)置軸箱拉桿安裝座、軸箱轉(zhuǎn)臂、垂向止擋凸臺(tái)等。由于缺乏直接指導(dǎo)軸箱體強(qiáng)度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)有限元強(qiáng)度校核，往往需要借鑒針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，現(xiàn)有軸箱體強(qiáng)度有限元研究中，在標(biāo)準(zhǔn)推演、強(qiáng)度計(jì)算等環(huán)節(jié)通常做了較大簡(jiǎn)化，尤其是針對(duì)軸箱體有限元計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置，例如計(jì)算時(shí)僅考慮垂向載荷，模擬軸箱定位結(jié)構(gòu)時(shí)不考慮連接件安裝部位的實(shí)際連接方式等。這些簡(jiǎn)化處理雖然方便了計(jì)算，但同時(shí)影響了強(qiáng)度校核結(jié)果對(duì)軸箱體受力狀況反映的真實(shí)程度。
以出口某國(guó)機(jī)車的拉桿式定位軸箱體為對(duì)象，探討有限元強(qiáng)度分析中引入軸箱拉桿的必要性和合理實(shí)現(xiàn)拉桿模擬的方法。
軸箱裝置按定位方式，可分為拉板式、拉桿式、轉(zhuǎn)臂式、導(dǎo)柱式等7類。我國(guó)干線機(jī)車大多數(shù)采用雙拉桿式軸箱定位裝置，CRH動(dòng)車組也采用了類似的結(jié)構(gòu)，但區(qū)分上、下拉桿。雙拉桿軸箱定位結(jié)構(gòu)緊湊，通常安裝于軸箱的兩個(gè)對(duì)角，近似中心對(duì)稱布置，在機(jī)車或動(dòng)車運(yùn)行時(shí)，通過提供適當(dāng)?shù)目v向與橫向剛度，確保運(yùn)行平穩(wěn)。
圖給出了出口某國(guó)機(jī)車的一系懸掛裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置采用鋼彈簧加軸箱拉桿結(jié)構(gòu)，在軸箱體上設(shè)有兩組螺旋鋼彈簧，軸箱體兩側(cè)安裝有軸箱拉桿。機(jī)車運(yùn)行時(shí)，鋼彈簧主要受垂向力作用，軸箱拉桿主要傳遞牽引力、制動(dòng)力和橫向力。此外，為了達(dá)到衰減振動(dòng)和吸收振動(dòng)能量的目的，配置有一系垂向減振器。軸箱體采用C級(jí)鋼鑄造而成，頂部設(shè)置有垂向止擋凸臺(tái)，軸箱體前端蓋上設(shè)有一系橫向止擋。軸箱體在工作中所受載荷有來自于兩組鋼彈簧的垂向、縱向和橫向載荷；來自于上、下拉桿的縱向及橫向載荷；通過前端蓋傳遞至軸箱體螺栓孔的減振器垂向載荷；構(gòu)架與軸箱體垂向接觸時(shí)作用于止擋凸臺(tái)的垂向載荷；構(gòu)架與軸箱體前端蓋橫向接觸時(shí)，通過前端蓋傳遞至軸箱體螺栓孔的橫向載荷。
圖給出了軸箱拉桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，橫向剛度主要靠橡膠墊的偏轉(zhuǎn)壓縮提供，其次橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)壓縮也提供小部分橫向剛度；縱向剛度主要由橡膠關(guān)節(jié)的徑向剛度提供，而橡膠墊的剪切只能提供不超過10%的縱向剛度。
為盡可能真實(shí)地反映軸箱體在各載荷工況下的應(yīng)力分布，根據(jù)工廠提供的軸箱體及拉桿幾何模型，在ANSYS軟件平臺(tái)上建立了詳細(xì)的有限元力學(xué)計(jì)算模型。軸箱體與拉桿體采用具有中間節(jié)點(diǎn)的四面體Solid187單元進(jìn)行模擬；拉桿的橡膠關(guān)節(jié)則采用具有中間節(jié)點(diǎn)的六面體Solid186單元進(jìn)行模擬;拉桿芯軸兩端頭與軸箱體連接處采用Combin4大剛度彈簧單元模擬螺栓固定。另外，所有部件之間接觸部位均建立了接觸(使用174接觸單元與170目標(biāo)單元)。
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