MT—2型缓冲器弹簧座结构强度分析

摘 要：建立了MT-2型缓冲器弹簧座有限元模型，通过商业有限元分析软件ANSYS对其进行前、后处理和计算，分析得到弹簧座在车辆最大发生最大纵向力条件下的应力分布云图，并校核其强度。经对结果的分析，弹簧座在缓冲器最大压缩状态时满足强度设计的要求。

关键词：MT-2型缓冲器；弹簧座；强度；有限元

中图分类号：TG162.74

近年来，中国铁路重载货运技术得到了快速发展，提速货车技术得到了全面推广应用。车钩缓冲系统是铁路机车车辆连接与起缓冲作用的重要零部件，是降低列车纵向冲动的核心部件之一。结合试验对缓冲器进行动、静态力学分析，是改善缓冲器性能，避免行车事故的重要任务[1]。本文对MT-2型缓冲器的弹簧座进行有限元结构强度分析，研究缓冲器完成缓冲作用时弹簧座的应力分布，研究结论为缓冲器的技术改造和优化设计提供有益参考。

1 MT-2型缓冲器及楔块概况

我国的缓冲器的应用和研究，从建国初期的2号、3号缓冲器开始，先后开发了MX-1型橡胶缓冲器、MT-2型、MT-3型缓冲器以及大容量弹性胶泥HM-1型缓冲器等产品。缓冲器的容量水平从早期的20kJ、35kJ、50kJ提高到了100kJ。目前，我国铁路货车上装用的缓冲器主要是2号、ST型及MT-3型、MT-2型缓冲器。

MT-2型弹簧式摩擦缓冲器由箱体、摩擦机构和弹性元件组成，摩擦机构采用两楔块、单压头带两动板的摩擦机构，弹性元件采用多组钢弹簧组合，箱体不直接参与摩擦作用，缓冲器以预压缩状态交货。MT-2缓冲器性能参数如表1所示。

表1 MT-2型缓冲器的主要技术参数

弹簧座是缓冲器摩擦机构中的重要组件，上承缓冲器摩擦系统的冲击，下接弹簧系统的缓冲，对其进行力学分析具有必要的意义。

2 弹簧座的建模

采用美国ANSYS公司开发的大型商业有限元分析软件ANSYS对弹簧座结构进行力学分析，该软件可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，因此它广泛应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

ANSYS中建立模型可以从低级单元到高级单元，即先建立关键点，然后由点连接成线由线围成面，再由多个面组成的封闭的面生成体。也称为从下至上的建模。另一种建模方式是从上至下建模，即直接生成体然后再根据波尔运算将体剪接成想要的模型[2]。本文基于楔块的结构特点，采用的建模方式是从下至上建模，即先建立模型的关键点，再联结成线、面，最后形成体模型。MT-2型缓冲器的弹簧座是1/4对称结构，因此对于整体模型可进行1/4结构简化，其模型如图1所示。

图1 MT-2缓冲器弹簧座模型

弹簧座的受力面作用有垂直于法向的摩擦力，因此作用面剖分为surf154面单元（图2）；弹簧座结构划分为solid95体单元（图3），体单元在受力面处ANSYS按照受力面的网格进行匹配划分，体单元划分的节点数在17万左右。

图2 弹簧座受力面网格划分

图3 弹簧座的网格划分

3 结果分析

弹簧座的材料为E级钢，弹性模量为2.0611（GPa），泊松比为0.3。弹簧座的外载荷在《铁道车辆强度设定及试验鉴定规范》中有规定，车辆最大纵向力为2500kN[3]，再根据力学分析得到弹簧座不同受力面上的载荷[4]，并施加到模型上。

弹簧座的应力云图如图4所示，最大应力发生在弹簧座与楔块的接触面上，最大值为634MPa，小于E级钢的屈服极限690MPa，满足强度设计要求。

图4 最大纵向力条件下弹簧座应力分布

4 结论

有限元分析软件ANSYS的应用，使复杂的机构模型得以力学求解。本文以有限元分析理论为基础，利用ANSYS软件建立了MT-2型弹簧摩擦式缓冲器弹簧座的有限元模型，并进行力学分析，对缓冲器的强度做出评价。在缓冲器承受调车作业等强冲击工况时，整车发生最大的纵向冲击力，此时弹簧座最大应力为634MPa，发生在弹簧座与楔块接触面位置，略小于E级钢的屈服极限690MPa，满足强度设计要求。以上研究结果为弹簧座以及MT-2型缓冲器的改进和更新设计提供强度数据参考。

参考文献：

[l]孙竹生，孙翔.组合列车断钩原因的列车动力学分析[J].西南交通大学报，1987，4：1-2.

[2]王庆五.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例[M].机械工业出版社.

[3]严隽耄，傅茂海.车辆工程（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[4]李国军.HM-1型缓冲器弹簧座结构强度分析[D].大连：大连交通大学学士学位论文，2010.

作者简介：张军（1979-），男，辽宁省盖州市人，讲师，博士，研究方向：力学。

作者单位：大连交通大学辽宁省载运工具先进技术重点实验室，辽宁大连116028

基金项目：辽宁省高等学校科研计划项目（LS2010030）；铁道部科技研究开发计划课题（2012J012-F）。