CRH2動車組輪對與軸箱彈簧

1、CRH2動車組輪對與軸箱彈簧CAD/CAE設(shè)計(jì)一、軸箱彈簧的CAD/CAE設(shè)計(jì)（一）問題描述1.CRH2軸箱彈簧組組成參數(shù)：圖1.1 軸箱彈簧組組成及參數(shù)1外圈彈簧；1內(nèi)圈彈簧；3防雪罩2.CRH2軸箱彈簧載荷在雙圈彈簧中的載荷分配計(jì)算：CRH2動車組當(dāng)定員數(shù)為100人時，定員重量為56t。則有：；由載荷在雙圈彈簧中的分配和內(nèi)外圈彈簧中的變形相等條件可得：對CRH2高速動車組，取動載荷系數(shù)，則外簧和內(nèi)簧的最大載荷分別為：CRH2軸箱彈簧外簧圈建模過程如圖2-1-1所示：（二）軸箱彈簧組的CAD設(shè)計(jì)1.軸箱內(nèi)彈簧的CAD設(shè)計(jì)采用三段直線掃描法：繪制三條首尾相連的直線繪制簧條圓利用掃描特征中的沿路

2、徑扭轉(zhuǎn)命令依次創(chuàng)建彈簧基體利用拉伸切除特征創(chuàng)建支撐圈。完成如下圖所示的零件造型：圖1.2 內(nèi)彈簧 圖1.3 外彈簧(3） 軸箱彈簧組的CAE設(shè)計(jì)1. 軸箱外彈簧的CAE設(shè)計(jì)1.1剛度計(jì)算1.1.1受力分析彈簧下端受到軸箱支撐面的支持力，上端施加1mm的位移，計(jì)算支撐 反力即可得到彈簧剛度的大小。1.1.2應(yīng)力計(jì)算(1)前處理：基本思想：彈簧一端固定，另外一端施加單位位移，所得固定端支反力即為彈簧剛度。定類型：CRH2軸箱外彈簧屬于靜態(tài)分析 畫模型：調(diào)用之前建立好的軸箱外彈簧模型 設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為碳鋼板 分網(wǎng)格：共13137個節(jié)點(diǎn)，6999個單元。如下圖所示: 圖1.4 網(wǎng)格劃分(2)求解：

3、添約束：在彈簧下端加固定幾何體約束；加載荷：在彈簧上端施加1mm的位移； 圖1.5 施加約束與載荷查錯誤：載荷列表后進(jìn)行檢查；求結(jié)果：進(jìn)行有限元分析。(3)后處理：列結(jié)果：列舉約束反力下結(jié)論：軸箱外彈簧的剛度為652N/mm。1.2強(qiáng)度計(jì)算1.2.1應(yīng)力計(jì)算(1)前處理：定類型：CRH2軸箱外彈簧屬于靜態(tài)分析； 畫模型：調(diào)用之前建立好的軸箱外彈簧模型 設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為碳鋼板 分網(wǎng)格：共19508個節(jié)點(diǎn)，10940個單元。如下圖所示: 圖1.7 網(wǎng)格劃分(2)求解：添約束：在彈簧下端加固定幾何體約束；加載荷：在彈簧上端施加47.2mm的位移載荷；查錯誤：載荷列表后進(jìn)行檢查；求結(jié)果：進(jìn)行有限元

4、分析。(3)后處理：繪圖形：加載后的應(yīng)力圖、位移圖如下所示：由上可知，外彈簧的剛度為363N/mm,彈簧所受載荷最大為28700.84N.所以彈簧上端所發(fā)生的最大位移為28700.84/363mm=79.066mm,分析時可簡化為一端固定，另一端發(fā)生79.066mm的位移。3.強(qiáng)度評價1.3.1確定危險點(diǎn)：由分析結(jié)果可以得出，彈簧受到的最大應(yīng)力為737.04MPa，在彈簧端部。1.3.2校核強(qiáng)度：由于應(yīng)力大于TB/T1335-1996規(guī)定軸箱彈簧的材料的許用應(yīng)力340MPa，故彈簧強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求。一方面，這是由于在分析時采用了碳板鋼材料，而不是60Si2GrVAT彈簧鋼，不符合實(shí)際應(yīng)用中的

5、材料性能要求；另一方面，彈簧的支撐圈會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，需要將支撐圈壓縮，并將有效圈切割后分析。 二、車軸的CAD/CAE分析1.問題分析CRH2轉(zhuǎn)向架車軸按照J(rèn)IS E 4501（鐵道車輛車軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)）進(jìn)行設(shè)計(jì)，按JIS E 4502標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。為提高車軸的疲勞安全性，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝。如圖2.0所示。圖 CRH2車軸尺寸2.CRH2車軸的CAD設(shè)計(jì)車軸的建模過程：拉伸軸身切軸頸切防塵板座切輪座（切軸身）鏡像打通孔倒角完成如圖所示4.CRH2車軸的CAE設(shè)計(jì)定類型：靜態(tài)分析 畫模型：調(diào)用CRH2車軸模型。 設(shè)屬性：設(shè)車軸材料為碳鋼板分網(wǎng)格：共個節(jié)點(diǎn)，個單元。結(jié)果如圖3.5所示

6、。 添約束：在軸承座下半表面添加彈性約束。 加載荷：在左軸頸處施加大小為185.58KN的力，右軸頸處施加大小為87.95KN的力，方向均為上視基準(zhǔn)面的法線方向。結(jié)果如圖3.5所示。 圖2.5 軸箱內(nèi)彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進(jìn)行檢查。 求結(jié)果：進(jìn)行有限元分析.列結(jié)果：列約束反力繪圖形：軸向彈簧加載后位移圖、應(yīng)力圖和應(yīng)變圖如圖2.6、圖2.7、圖2.8所示 圖2.6 車軸應(yīng)力 圖2.7 車軸位移 圖2.8 車軸應(yīng)變3.3強(qiáng)度評價（對比分析）（1）確定危險點(diǎn)：由分析結(jié)果可以得出，車軸受到的最大應(yīng)力為113.246MPA，在軸頸處。 （2）校核強(qiáng)度： CRH2動車組車軸材料S38

7、C，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝，根據(jù)JIS E4502取車軸的疲勞許用應(yīng)力為147MPa，可見，按照日本標(biāo)準(zhǔn)，該車軸滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)分析，車軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。 三、車輪的CAD/CAE分析1.問題描述車輪是輪對的重要組成部分，其疲勞強(qiáng)度直接關(guān)系到動車組運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。CRH2 型動車組轉(zhuǎn)向架車輪按JISE5402鐵道車輛碳素鋼整體輾壓車輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，車輪采用整體軋制車輪，輪輞寬度為，踏面形狀采用LMA型。新造車輪滾動圓直徑為Ø860mm，最大磨耗直徑為Ø790mm。在靠輪輞輪緣側(cè)面Ø790mm圓周上，設(shè)有磨耗到限標(biāo)記。CRH2車輪踏面形狀見

8、圖3.1所示。2.CRH2車輪的CAD設(shè)計(jì)車輪的建模過程：拉伸輪胚切左腹板切右腹板旋踏面打輪轂孔倒角完成如圖3.2示圖3.2 車輪3.CRH2車輪的CAE設(shè)計(jì)3.1受力分析根據(jù)UIC 510-5：2003（整體車輪技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車輪設(shè)計(jì)，對于安裝到動軸上的車輪，考慮車輪通過直線、曲線和道岔時的載荷。 載荷工況垂向力橫向力直線運(yùn)行Fz1=1.25QFy1=0曲線運(yùn)行Fz2=1.25QFy2=0.7Q過道岔Fz3=1.25QFy3=0.42QQ:每個車輪承擔(dān)的重量圖3.3 CRH2車輪受力圖根據(jù)UIC 510-5：2003（整體車輪技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車輪設(shè)計(jì)，對于安裝到動軸上的車輪，考慮車輪通過直線運(yùn)

9、行、曲線通過和道岔通過三種工況，CRH2動車組車輪受力如圖3.3所示，有關(guān)符號如下： Q：滿軸重靜態(tài)載荷 Q=7250 kg g：重力加速度（m/s2） Fz：輪軌垂向力，F(xiàn)z=1.25Q（KN） Fy：輪軌橫向力，F(xiàn)y=0.7Q（KN） 工況1：直線運(yùn)行 F1z=1.25Q=1.25×7250×9.8=88.8kN 橫向力：F1y=0 工況2：曲線通過 F2z=1.25Q =1.25×7250×9.8=88.8kN F2y=0.7Q =49.7kN 工況3：道岔通過 F3z=1.25Q =1.25×7250×9.8=88.8kN F

10、3y=O.42Q=0.42×7250×9.8=29.8 kN3.2 車輪CAE分析定類型：靜態(tài)分析 畫模型：調(diào)用CRH2車輪模型 設(shè)屬性：設(shè)車輪材料為合金鋼 分網(wǎng)格：共20673個節(jié)點(diǎn)，12125個單元添約束：在輪轂孔表面添加彈性約束。 加載荷：由于車輪有蠕滑現(xiàn)象，所以踏面加載區(qū)域是一個橢圓面，在橢圓斑施加大小為88.8KN的力，方向?yàn)樯弦暬鶞?zhǔn)面的法線方向，結(jié)果如圖所示。 圖3.4車輪分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進(jìn)行檢查。 求結(jié)果：進(jìn)行有限元分析.列結(jié)果：列約束反力繪圖形：車輪加載后位移圖、應(yīng)力圖和應(yīng)變圖如圖3.5、圖3.6、圖3.7所示圖3.5車輪應(yīng)力圖3.6

11、 車輪位移圖3.7 車輪應(yīng)變3.3強(qiáng)度評價車輪輻板上所有節(jié)點(diǎn)的動應(yīng)力范圍應(yīng)低于許用應(yīng)力，即：（1） 用加工中心加工的車輪 360 MPa；（2）未用加工中心加工的車輪290 MPa（3） 最大Von Mises應(yīng)力低于車輪材料彈性極限（355 MPa）經(jīng)分析，車輪受力最大應(yīng)力為57.907MPa發(fā)生在踏面符合強(qiáng)度評價準(zhǔn)則。CRH2型車的工程圖 四、輪對的組裝和冷縮配合1.輪對組裝的工藝過程是輪軸套裝定位壓裝掉頭壓裝，完成如圖4.1所示。 圖4.1 輪對組裝2. 應(yīng)力分析2.1前處理：定類型：靜態(tài)分析；畫模型：運(yùn)用solidworks2014建立輪對模型；設(shè)屬性：碳鋼板，在軸頸與輪轂孔處添加冷縮

12、配合；分網(wǎng)格：共29467個節(jié)點(diǎn)，16465個單元。如下圖所示：圖3.4 輪對網(wǎng)格圖2.2求結(jié)果： 添約束：在車軸中間處施加固定幾何體約束；加載荷：在軸頸和車輪接觸斑處施加70000N的力。如下圖所示： 圖3.5 約束與加載圖查錯誤：載荷列表后進(jìn)行檢查；求結(jié)果：進(jìn)行有限元分析。2.3.后處理：繪圖形：加載后的應(yīng)力圖、位移圖、應(yīng)變圖如下所示： 圖3.6 應(yīng)力圖圖3.6 位移圖圖3.7 應(yīng)變圖3.強(qiáng)度評價。車軸和車輪之間的配合屬于壓裝配合，又因?yàn)檐囕S輪座處的直徑為202mm，車輪輪轂孔處的直徑為200mm，所以輪座和輪轂孔處的應(yīng)力最大。由上分析結(jié)果可得，最大應(yīng)力為2214。五、心得體會及建議通過使用solidworks軟件對CRH2型動車組轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧、輪對的CAD/CAE分析，使得對solidworks軟件的CAD/CAE操作方式，操作技巧有了更深的了解與認(rèn)識，并對3D建模過程中的加工仿真的應(yīng)用有了切身的體會。作為車輛工程動車組方向的一名學(xué)生，無論將來從事哪項(xiàng)具體工作，都會以不同的方式不同程度地涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。尤其是設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的工程技術(shù)人員只有熟練地掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，才能創(chuàng)造出綜合性能優(yōu)良的產(chǎn)品，