CRH2型電力動(dòng)車(chē)組大作業(yè)教學(xué)教材

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CRH2型電力動(dòng)車(chē)組大作業(yè)-CRH2動(dòng)車(chē)組輪對(duì)與軸箱彈簧CAD/CAE設(shè)計(jì)班級(jí)：車(chē)輛1001班姓名：李素乾學(xué)號(hào)：2010036022013年12月20日CRH2型電力動(dòng)車(chē)組，是中華人民共和國(guó)鐵道部為國(guó)營(yíng)鐵路進(jìn)行第六次提速及建造中的高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路，向川崎重工及中國(guó)南車(chē)集團(tuán)四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司訂購(gòu)的高速列車(chē)車(chē)款之一。中國(guó)鐵道部將所有引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)的中國(guó)鐵路高速（CRH）車(chē)輛均命名為“和諧號(hào)”。CRH2系列為動(dòng)力分布式、交流傳動(dòng)的電力動(dòng)車(chē)組，采用了鋁合金空心型材車(chē)體。CRH2轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2、為：1、采用無(wú)搖枕H型構(gòu)架2、采用輕量、小型、簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)3、采用小輪徑（直徑860mm）的車(chē)輪以減少簧下重量4、采用內(nèi)孔為直徑60mm的空心車(chē)軸，該內(nèi)孔同時(shí)有利于對(duì)車(chē)軸進(jìn)行超聲波探傷5、軸箱采用轉(zhuǎn)臂式定位，軸箱彈簧采用雙圈鋼圓簧6、二系采用具有高度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的空氣彈簧，且其輔助風(fēng)缸由無(wú)縫鋼管制成的橫梁內(nèi)腔承擔(dān)7、采用抗蛇行減震器兼顧高速穩(wěn)定性和曲線(xiàn)通過(guò)性能8、采用單拉桿式中央牽引裝置傳遞縱向力9、動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架上采用輕型交流異步電動(dòng)機(jī)10、采用撓性浮動(dòng)齒式聯(lián)軸式牽引電動(dòng)機(jī)架懸式驅(qū)動(dòng)裝置11、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用液壓缸卡鉗式盤(pán)形制動(dòng)12、全部車(chē)輪裝有機(jī)械制動(dòng)盤(pán)（輪盤(pán)）13、拖車(chē)轉(zhuǎn)向架車(chē)軸上裝有機(jī)械制動(dòng)

3、盤(pán)（軸盤(pán)）14、利用踏面清掃裝置改善輪軌間運(yùn)行噪聲和黏著狀態(tài)本文以CRH2動(dòng)車(chē)組輪對(duì)與軸箱彈簧為研究對(duì)象，建立其有限元模型。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用Soidworks2012對(duì)其進(jìn)行CAD/CAE設(shè)計(jì)分析。CRH2動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架基本參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)最高試驗(yàn)速度/（km/h）250運(yùn)營(yíng)速度/（km/h）200定員時(shí)軸重（100%定員）/kN137.2（14t）滿(mǎn)員時(shí)最大軸重（200%定員）/kN156.8（16t）一、軸箱彈簧的CAD/CAE分析（一）、問(wèn)題描述CRH2彈簧參數(shù)如下：（二）、軸箱內(nèi)彈簧的CAD/CAE設(shè)計(jì)1、軸箱內(nèi)彈簧的CAD設(shè)計(jì)內(nèi)彈簧的建模過(guò)程，采用三段直線(xiàn)掃描法。繪制三段直線(xiàn)掃描下支撐圈

4、掃描有效圈掃描上支撐圈拉伸切除完成如圖1.1所示圖1.1內(nèi)彈簧2、軸箱內(nèi)彈簧的CAE分析2.1軸箱內(nèi)彈簧剛度計(jì)算2.1.1、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)算支反力即為彈簧剛度的大小。2.1.2、應(yīng)力計(jì)算（1）前處理：定類(lèi)型：CRH2軸箱內(nèi)彈簧屬于靜態(tài)分析；畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立彈簧模型；設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共15332個(gè)節(jié)點(diǎn)，8199個(gè)單元。結(jié)果如圖1.2所示。圖1.2軸箱內(nèi)彈簧網(wǎng)格劃分（2）、求結(jié)果添約束：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。結(jié)果如圖1.3所示圖1.3施加約束與載荷查錯(cuò)誤：載荷列

5、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：列約束反力，如圖1.4所示圖1.4軸箱內(nèi)彈簧1mm位移下的合力下結(jié)論：軸箱內(nèi)彈簧的剛度為363N/mm.2.2軸箱內(nèi)彈簧強(qiáng)度計(jì)算2.2.1受力分析由上可知，內(nèi)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(shí)可簡(jiǎn)化為一端固定，另一端發(fā)生79.066mm的位移。2.2.2應(yīng)力分析（1）前處理：定類(lèi)型：CRH2軸箱內(nèi)彈簧屬于靜態(tài)分析畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立彈簧模型。設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共16063個(gè)節(jié)點(diǎn)，8

6、652個(gè)單元。結(jié)果如圖1.5所示。（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79.066mm的位移，結(jié)果如圖1.5所示。圖1.5軸箱內(nèi)彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯(cuò)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：列約束反力。繪圖形：軸向彈簧加載后位移圖、應(yīng)力圖應(yīng)變圖如圖1.6、圖1.7、圖1、8所示圖1.6軸箱內(nèi)彈簧應(yīng)力圖圖1.7軸箱內(nèi)彈簧位移圖1.8軸箱內(nèi)彈簧應(yīng)變2.2.3強(qiáng)度評(píng)價(jià)（1）確定危險(xiǎn)點(diǎn)：由分析結(jié)果可以得出，彈簧受到的最大應(yīng)力為12.049MPA，在彈簧端部。（2）校核強(qiáng)度：應(yīng)力小于TB/T1335-1996規(guī)定軸箱彈簧的材料的許用應(yīng)

7、力340MPa，彈簧強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。（二）、軸箱外彈簧的CAD/CAE設(shè)計(jì)1、軸箱外彈簧的CAD設(shè)計(jì)外彈簧的建模過(guò)程，采用三段直線(xiàn)掃描法。繪制三段直線(xiàn)掃描下支撐圈掃描有效圈掃描上支撐圈拉伸切除完成如圖1.1所示圖1.1外彈簧2、軸箱外彈簧的CAE分析2.1軸箱外彈簧剛度計(jì)算2.1.1、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)算支反力即為彈簧剛度的大小。2.1.2、應(yīng)力分析（1）前處理：定類(lèi)型：靜態(tài)分析畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立彈簧模型。設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共12469個(gè)節(jié)點(diǎn)，6707個(gè)單元。結(jié)果如圖2.2所示。圖2.2軸箱外彈簧網(wǎng)格劃分

8、（2）、求結(jié)果添約束：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。結(jié)果如圖2.3所示圖2.3施加約束與載荷查錯(cuò)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：列約束反力，如圖2.4所示圖2.4軸箱外彈簧1mm位移下的合力下結(jié)論：軸箱外彈簧的剛度為936N/mm.2.2軸箱外彈簧強(qiáng)度計(jì)算2.2.1受力分析由上可知，外彈簧的剛度為936N/mm,彈簧所受載荷最大為74129.16N.所以彈簧上端所發(fā)生的最大位移為74129.16/936mm=79.198mm,分析時(shí)可簡(jiǎn)化為一端固定，另一端發(fā)生79.198mm的位移。2.2.2應(yīng)力分析（1）前處理：定類(lèi)型：

9、靜態(tài)分析畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立彈簧模型。設(shè)屬性：設(shè)彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共12585個(gè)節(jié)點(diǎn)，6762個(gè)單元。結(jié)果如圖2.5所示。（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79.169mm的位移，結(jié)果如圖2.5所示。圖2.5軸箱內(nèi)彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯(cuò)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軸箱外彈簧位移圖2.7軸箱外彈簧應(yīng)力圖2.8軸箱外彈簧應(yīng)變2.2.3強(qiáng)度評(píng)價(jià)（1）確定危險(xiǎn)點(diǎn)：由分析結(jié)果可以得出，彈簧受到的最

10、大應(yīng)力為19.538MPA，在彈簧端部。（2）校核強(qiáng)度：應(yīng)力小于TB/T1335-1996規(guī)定軸箱彈簧的材料的許用應(yīng)力340MPa，彈簧強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。二、輪對(duì)的CAD/CAE分析（一）、車(chē)軸的CAD/CAE設(shè)計(jì)1.問(wèn)題分析CRH2轉(zhuǎn)向架車(chē)軸按照J(rèn)ISE4501（鐵道車(chē)輛車(chē)軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)）進(jìn)行設(shè)計(jì)，按JISE4502標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。為提高車(chē)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2.0CRH2車(chē)軸尺寸2.CRH2車(chē)軸的CAD設(shè)計(jì)車(chē)軸的建模過(guò)程：拉伸軸身切軸頸切防塵板座切輪座（切軸身）倒角鏡像完成如圖2.1所示圖2.1CRH2車(chē)軸3.CRH2車(chē)軸的CAE設(shè)計(jì)3.1車(chē)軸受力分析

11、2.2應(yīng)力分析（1）前處理：定類(lèi)型：靜態(tài)分析畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立CRH2車(chē)軸模型。設(shè)屬性：設(shè)車(chē)軸材料為合金鋼分網(wǎng)格：共14450個(gè)節(jié)點(diǎn)，9066個(gè)單元。結(jié)果如圖3.5所示。（2）、求解添約束：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(xiàn)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(cuò)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(chē)軸位移

12、圖2.7車(chē)軸應(yīng)力圖2.8車(chē)軸應(yīng)變3.3強(qiáng)度評(píng)價(jià)（1）確定危險(xiǎn)點(diǎn)：由分析結(jié)果可以得出，車(chē)軸受到的最大應(yīng)力為113.246MPA，在軸頸處。（2）校核強(qiáng)度：CRH2動(dòng)車(chē)組車(chē)軸材料S38C，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝，根據(jù)JISE4502取車(chē)軸的疲勞許用應(yīng)力為147MPa，可見(jiàn)，按照日本標(biāo)準(zhǔn)，該車(chē)軸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)分析，車(chē)軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。（三）車(chē)輪的CAD/CAE分析車(chē)輪是輪對(duì)的重要組成部分，其疲勞強(qiáng)度直接關(guān)系到動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。CRH2型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架車(chē)輪按JISE5402鐵道車(chē)輛碳素鋼整體輾壓車(chē)輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，車(chē)輪采用整體軋制車(chē)輪，輪輞寬度為，踏面形狀采用LMA型。新造

13、車(chē)輪滾動(dòng)圓直徑為860mm，最大磨耗直徑為790mm。在靠輪輞輪緣側(cè)面790mm圓周上，設(shè)有磨耗到限標(biāo)記。CRH2車(chē)輪踏面形狀見(jiàn)圖3.1所示。圖3.1CRH2車(chē)輪踏面圖3.1CRH2車(chē)輪踏面形狀2.CRH2車(chē)輪的CAD設(shè)計(jì)車(chē)輪的建模過(guò)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所示圖3.2車(chē)輪3.CRH2車(chē)輪的CAE設(shè)計(jì)3.1受力分析根據(jù)UIC510-5：2003（整體車(chē)輪技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車(chē)輪設(shè)計(jì)，對(duì)于安裝到動(dòng)軸上的車(chē)輪，考慮車(chē)輪通過(guò)直線(xiàn)、曲線(xiàn)和道岔時(shí)的載荷。載荷工況垂向力橫向力直線(xiàn)運(yùn)行Fz1=1.25QFy1=0曲線(xiàn)運(yùn)行Fz2=1.25QFy2=0.7Q過(guò)道岔Fz3=1.25Q

14、Fy3=0.42QQ:每個(gè)車(chē)輪承擔(dān)的重量圖3.3CRH2車(chē)輪受力圖根據(jù)UIC510-5：2003（整體車(chē)輪技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車(chē)輪設(shè)計(jì)，對(duì)于安裝到動(dòng)軸上的車(chē)輪，考慮車(chē)輪通過(guò)直線(xiàn)運(yùn)行、曲線(xiàn)通過(guò)和道岔通過(guò)三種工況，CRH2動(dòng)車(chē)組車(chē)輪受力如圖3.3所示，有關(guān)符號(hào)如下：Q：滿(mǎn)軸重靜態(tài)載荷Q=7250kgg：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(xiàn)運(yùn)行F1z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kN橫向力：F1y=0工況2：曲線(xiàn)通過(guò)F2z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kNF2y=0.7Q=49.7kN工況3：道

15、岔通過(guò)F3z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kNF3y=O.42Q=0.4272509.8=29.8kN3.2應(yīng)力分析（1）前處理：定類(lèi)型：靜態(tài)分析畫(huà)模型：運(yùn)用solidworks2012建立CRH2車(chē)輪模型。設(shè)屬性：設(shè)車(chē)輪材料為合金鋼分網(wǎng)格：共20673個(gè)節(jié)點(diǎn)，12125個(gè)單元。結(jié)果如圖3.4所示。（2）、求解添約束：在輪轂孔表面添加彈性約束。加載荷：由于車(chē)輪有蠕滑現(xiàn)象，所以踏面加載區(qū)域是一個(gè)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(xiàn)方向，結(jié)果如圖3.4所示。圖3.4車(chē)輪分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯(cuò)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

16、理列結(jié)果：列約束反力繪圖形：車(chē)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(chē)輪位移圖3.6車(chē)輪應(yīng)力圖3.7車(chē)輪應(yīng)變3.3強(qiáng)度評(píng)價(jià)車(chē)輪輻板上所有節(jié)點(diǎn)的動(dòng)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(chē)輪360MPa；（2）未用加工中心加工的車(chē)輪290MPa（3）最大VonMises應(yīng)力低于車(chē)輪材料彈性極限（355MPa）經(jīng)分析，車(chē)輪受力最大應(yīng)力為57.907MPa發(fā)生在踏面符合強(qiáng)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。（四）輪對(duì)的組裝輪對(duì)組裝的工藝過(guò)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(duì)組裝三、心得體會(huì)及建議經(jīng)過(guò)本學(xué)期對(duì)動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)及動(dòng)車(chē)組的完成過(guò)程，我基本掌握了動(dòng)車(chē)組車(chē)輛設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)的相關(guān)方法，動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，動(dòng)車(chē)組車(chē)體設(shè)計(jì)，動(dòng)車(chē)組零部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法等。本次完成大作業(yè)運(yùn)用到的軟件是Solidworks2012，在這次大作業(yè)中對(duì)Solidworks軟件的應(yīng)用更全面不僅有CAD建模，還有CAE分析。首先建立CRH2動(dòng)車(chē)組輪對(duì)和軸箱彈簧的三維CAD模型，后在Simulation插件中對(duì)模型劃分網(wǎng)格、加約束與載荷進(jìn)行力學(xué)分析求解，由求解結(jié)果對(duì)零部件按