CRH2型电力动车组大作业.pdf

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1、CRH2CRH2 动车组轮对和轴箱弹簧动车组轮对和轴箱弹簧 CAD/CAECAD/CAE 设计设计班级：车辆 1001 班姓名：李素乾学 号：2010036022013 年 12 月 20 日CRH2 型电力动车组，是中华人民共和国铁道部为国营铁路进行第六次提速及建造中的高速客运专线铁路，向川崎重工及中国南车集团四方机车车辆股份有限公司订购的高速列车车款之一。中国铁道部将所有引进国外技术、联合设计生产的中国铁路高速（CRH）车辆均命名为“和谐号”。CRH2 系列为动力分布式、交流传动的电力动车组，采用了铝合金空心型材车体。CRH2 转向架的结构特点为：1、采用无摇枕 H 型构架2、采用轻量、小

2、型、简洁的结构3、采用小轮径（直径860mm）的车轮以减少簧下重量4、采用内孔为直径 60mm 的空心车轴，该内孔同时有利于对车轴进行超声波探伤5、轴箱采用转臂式定位，轴箱弹簧采用双圈钢圆簧6、二系采用具有高度自动调节装置的空气弹簧，且其辅助风缸由无缝钢管制成的横梁内腔承担7、采用抗蛇行减震器兼顾高速稳定性和曲线通过性能8、采用单拉杆式中央牵引装置传递纵向力9、动车转向架上采用轻型交流异步电动机10、采用挠性浮动齿式联轴式牵引电动机架悬式驱动装置11、基础制动装置采用液压缸卡钳式盘形制动12、全部车轮装有机械制动盘（轮盘）13、拖车转向架车轴上装有机械制动盘（轴盘）14、利用踏面清扫装置改善轮

3、轨间运行噪声和黏着状态本文以 CRH2 动车组轮对和轴箱弹簧为研究对象，建立其有限元模型。按照相关标准，使用Soidworks2012对其进行 CAD/CAE 设计分析。CRH2 动车组转向架基本参数项目最高试验速度/（km/h）运营速度/（km/h）定员时轴重（100%定员）/kN满员时最大轴重（200%定员）/kN参数250200137.2（14t）156.8（16t）一、轴箱弹簧的 CAD/CAE 分析（一）、问题描述CRH2 弹簧参数如下：（二）、轴箱内弹簧的 CAD/CAE 设计1、轴箱内弹簧的 CAD 设计内弹簧的建模过程，采用三段直线扫描法。绘制三段直线扫描下支撑圈扫描有效圈扫描

4、上支撑圈拉伸切除完成如图 1.1 所示图 1.1 内弹簧2、轴箱内弹簧的 CAE 分析2.1 轴箱内弹簧刚度计算2.1.1、受力分析弹簧下端受到轴箱支撑面的支持力，上端施加1mm 的位移，计算支反力即为弹簧刚度的大小。2.1.2、应力计算（1）前处理：定类型：CRH2 轴箱内弹簧属于静态分析；画模型：运用 solidworks2012建立弹簧模型；设属性：设弹簧材料为合金钢分网格：共 15332 个节点，8199 个单元。结果如图 1.2 所示。图 1.2 轴箱内弹簧网格划分（2）、求结果添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。加载荷：在弹簧上端施加1mm 的位移。结果如图1.3 所示图 1.3

5、施加约束和载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.(3)、后处理列结果：列约束反力，如图1.4 所示图 1.4 轴箱内弹簧 1mm 位移下的合力下结论：轴箱内弹簧的刚度为363N/mm.2.2 轴箱内弹簧强度计算2.2.1 受力分析由上可知，内弹簧的刚度为 363N/mm,弹簧所受载荷最大为28700.84N.所以弹簧上端所发生的最大位移为28700.84/363mm=79.066mm,分析时可简化为一端固定，另一端发生79.066mm的位移。2.2.2 应力分析（1）前处理：定类型：CRH2 轴箱内弹簧属于静态分析画模型：运用 solidworks2012建立弹簧模型。设属性

6、：设弹簧材料为合金钢分网格：共 16063 个节点，8652 个单元。结果如图 1.5 所示。（2）、求解添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。加载荷：在弹簧上端施加79.066mm 的位移，结果如图 1.5 所示。图 1.5 轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.（3）后处理列结果：列约束反力。绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力图应变图如图1.6、图 1.7、图 1、8 所示图 1.6 轴箱内弹簧应力图图 1.7 轴箱内弹簧位移图 1.8 轴箱内弹簧应变2.2.3 强度评价（1）确定危险点：由分析结果可以得出，弹簧受到的最大应力为12.049MPA

7、，在弹簧端部。（2）校核强度：应力小于 TB/T1335-1996 规定轴箱弹簧的材料的许用应力340MPa，弹簧强度符合设计要求。（二）、轴箱外弹簧的 CAD/CAE 设计1、轴箱外弹簧的 CAD 设计外弹簧的建模过程，采用三段直线扫描法。绘制三段直线扫描下支撑圈扫描有效圈扫描上支撑圈拉伸切除完成如图 1.1 所示图 1.1 外弹簧2、轴箱外弹簧的 CAE 分析2.1 轴箱外弹簧刚度计算2.1.1、受力分析弹簧下端受到轴箱支撑面的支持力，上端施加1mm 的位移，计算支反力即为弹簧刚度的大小。2.1.2、应力分析（1）前处理：定类型：静态分析画模型：运用 solidworks2012建立弹簧模

8、型。设属性：设弹簧材料为合金钢分网格：共 12469 个节点，6707 个单元。结果如图2.2 所示。图 2.2 轴箱外弹簧网格划分（2）、求结果添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。加载荷：在弹簧上端施加1mm 的位移。结果如图2.3 所示图 2.3 施加约束和载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.(3)、后处理列结果：列约束反力，如图2.4 所示图 2.4 轴箱外弹簧 1mm 位移下的合力下结论：轴箱外弹簧的刚度为936N/mm.2.2 轴箱外弹簧强度计算2.2.1 受力分析由上可知，外弹簧的刚度为 936N/mm,弹簧所受载荷最大为74129.16N.所以弹簧上端所发生的

9、最大位移为74129.16/936mm=79.198mm,分析时可简化为一端固定，另一端发生79.198mm的位移。2.2.2 应力分析（1）前处理：定类型：静态分析画模型：运用 solidworks2012建立弹簧模型。设属性：设弹簧材料为合金钢分网格：共 12585 个节点，6762 个单元。结果如图2.5 所示。（2）、求解添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。加载荷：在弹簧上端施加79.169mm 的位移，结果如图 2.5 所示。图 2.5 轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.（3）后处理列结果：列约束反力绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力

10、图和应变图如图2.6、图 2.7、图 2.8 所示图 2.6 轴箱外弹簧位移图 2.7 轴箱外弹簧应力图 2.8 轴箱外弹簧应变2.2.3 强度评价（1）确定危险点：由分析结果可以得出，弹簧受到的最大应力为19.538MPA，在弹簧端部。（2）校核强度：应力小于 TB/T1335-1996 规定轴箱弹簧的材料的许用应力340MPa，弹簧强度符合设计要求。二、轮对的 CAD/CAE 分析（一）、车轴的 CAD/CAE 设计1.问题分析CRH2 转向架车轴按照 JIS E 4501（铁道车辆车轴强度设计）进行设计，按JIS E 4502 标准进行生产。为提高车轴的疲劳安全性，采用高频淬火热处理和滚

11、压工艺。如图2.0 所示。图 2.0 CRH2 车轴尺寸2.CRH2 车轴的 CAD 设计车轴的建模过程：拉伸轴身切轴颈切防尘板座切轮座（切轴身）倒角镜像完成如图 2.1 所示图 2.1 CRH2 车轴3.CRH2 车轴的 CAE 设计3.1 车轴受力分析M1(j g)W/4,M2vM1,M3 rPQ0(al)yR0b m(M1 M2 M3)/Zn wb/b2.2 应力分析（1）前处理：定类型：静态分析画模型：运用 solidworks2012建立 CRH2 车轴模型。设属性：设车轴材料为合金钢分网格：共 14450 个节点，9066 个单元。结果如图 3.5 所示。（2）、求解添约束：在轴承

12、座下半表面添加弹性约束。加载荷：在左轴颈处施加大小为185.58KN 的力，右轴颈处施加大小为87.95KN 的力，方向均为上视基准面的法线方向。结果如图3.5 所示。图 2.5 轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.（3）后处理列结果：列约束反力绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力图和应变图如图2.6、图 2.7、图 2.8 所示图 2.6 车轴位移图 2.7 车轴应力图 2.8 车轴应变3.3 强度评价（1）确定危险点：由分析结果可以得出，车轴受到的最大应力为113.246MPA，在轴颈处。（2）校核强度：CRH2 动车组车轴材料 S38C，采用

13、高频淬火热处理和滚压工艺，根据JISE4502 取车轴的疲劳许用应力为 147MPa，可见，按照日本标准，该车轴满足设计要求。经分析，车轴结构强度符合设计要求。（三）车轮的 CAD/CAE 分析车轮是轮对的重要组成部分，其疲劳强度直接关系到动车组运行的安全性、可靠性、稳定性等。CRH2 型动车组转向架车轮按 JISE5402铁道车辆碳素钢整体辗压车轮设计和生产，车轮采用整体轧制车轮，轮辋宽度为，踏面形状采用LMA 型。新造车轮滚动圆直径为 860mm，最大磨耗直径为 790mm。在靠轮辋轮缘侧面 790mm圆周上，设有磨耗到限标记。CRH2 车轮踏面形状见图 3.1 所示。图 3.1 CRH2

14、 车轮踏面图 3.1 CRH2 车轮踏面形状2.CRH2 车轮的 CAD 设计车轮的建模过程：拉伸轮胚切左腹板切右腹板旋踏面打轮毂孔倒角完成如图3.2 所示图 3.2 车轮3.CRH2 车轮的 CAE 设计3.1 受力分析根据 UIC 510-5：2003（整体车轮技术）标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷。载荷工况垂向力直线运行Fz1=1.25Q曲线运行Fz2=1.25Q横向力Fy1=0Fy2=0.7Q过道岔Fz3=1.25QFy3=0.42QQ:每个车轮承担的重量图 3.3 CRH2 车轮受力图根据 UIC 510-5：2003（整体车轮技术）标准

15、进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线运行、曲线通过和道岔通过三种工况，CRH2 动车组车轮受力如图3.3 所示，有关符号如下：Q：满轴重静态载荷 Q=7250 kgg：重力加速度（m/s2）Fz：轮轨垂向力，Fz=1.25Q（KN）Fy：轮轨横向力，Fy=0.7Q（KN）工况 1：直线运行F1z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kN横向力：F1y=0工况 2：曲线通过F2z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kNF2y=0.7Q=49.7kN工况 3：道岔通过F3z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kNF3y=O.42Q=0.4272509.

16、8=29.8 kN3.2 应力分析（1）前处理：定类型：静态分析画模型：运用 solidworks2012建立 CRH2 车轮模型。设属性：设车轮材料为合金钢分网格：共 20673 个节点，12125 个单元。结果如图 3.4 所示。（2）、求解添约束：在轮毂孔表面添加弹性约束。加载荷：由于车轮有蠕滑现象，所以踏面加载区域是一个椭圆面，在椭圆斑施加大小为88.8KN 的力，方向为上视基准面的法线方向，结果如图3.4 所示。图 3.4 车轮分网格、加约束、加载荷查错误：载荷列表后进行检查。求结果：进行有限元分析.（3）后处理列结果：列约束反力绘图形：车轮加载后位移图、应力图和应变图如图3.5、图

17、 3.6、图 3.7 所示图 3.5 车轮位移图 3.6 车轮应力图 3.7 车轮应变3.3 强度评价车轮辐板上所有节点的动应力范围应低于许用应力，即：（1）用加工中心加工的车轮360 MPa；（2）未用加工中心加工的车轮290 MPa（3）最大 Von Mises应力低于车轮材料弹性极限（355 MPa）经分析，车轮受力最大应力为57.907MPa发生在踏面符合强度评价准则。（四）轮对的组装轮对组装的工艺过程是轮轴套装定位压装掉头压装，完成如图4.1 所示。图 4.1 轮对组装三、心得体会及建议经过本学期对动车组设计这门课程的学习及动车组的完成过程，我基本掌握了动车组车辆设计的相关知识，动车

18、组总体设计的相关方法，动车组转向架设计，动车组车体设计，动车组零部件强度设计方法等。本次完成大作业运用到的软件是Solidworks2012，在这次大作业中对 Solidworks 软件的使用更全面不仅有CAD 建模，还有 CAE 分析。首先建立 CRH2 动车组轮对和轴箱弹簧的三维CAD 模型，后在 Simulation 插件中对模型划分网格、加约束和载荷进行力学分析求解，由求解结果对零部件按照相关标准进行强度评价分析。通过完成本次大作业，我的收获如下：1.在对零件建模及分析的过程中，对Solidworks 软件的各种命令功能更加熟练，对软件有了更深入的学习。2.将课堂上所学的知识使用到了实践中，掌握了动车组设计的基本思想和方法。3.完成大作业需要查阅大量的标准和相关文献，提高了文献的查阅能力。4.提高了自己动手的能力，将所学的理论知识和 Solidworks 建模紧密联系起来，对动车箱弹簧和轮对有了一个系统的认识和了解。在以后的学习中，自己将严格要求自己，对所做的事要持认真态度。争取使自己动手能力得到更高的提高。