CRH2型電力動(dòng)車組大作業(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)車組大作業(yè)-CRH2動(dòng)車組輪對與軸箱彈簧CAD/CAE設(shè)計(jì)班級：車輛1001班姓名：李素乾學(xué)號：2010036022013年12月20日CRH2型電力動(dòng)車組，是中華人民共和國鐵道部為國營鐵路進(jìn)行第六次提速及建造中的高速客運(yùn)專線鐵路，向川崎重工及中國南車集團(tuán)四方機(jī)車車輛股份有限公司訂購的高速列車車款之一。中國鐵道部將所有引進(jìn)國外技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)的中國鐵路高速（CRH）車輛均命名為“和諧號”。CRH2系列為動(dòng)力分布式、交流傳動(dòng)的電力動(dòng)車組，采用了鋁合金空心型材車體。CRH2轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2、為：1、采用無搖枕H型構(gòu)架2、采用輕量、小型、簡潔的結(jié)構(gòu)3、采用小輪徑（直徑860mm）的車輪以減少簧下重量4、采用內(nèi)孔為直徑60mm的空心車軸，該內(nèi)孔同時(shí)有利于對車軸進(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)定性和曲線通過性能8、采用單拉桿式中央牽引裝置傳遞縱向力9、動(dòng)車轉(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形制動(dòng)12、全部車輪裝有機(jī)械制動(dòng)盤（輪盤）13、拖車轉(zhuǎn)向架車軸上裝有機(jī)械制動(dòng)

3、盤（軸盤）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)車組輪對與軸箱彈簧為研究對象，建立其有限元模型。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用Soidworks2012對其進(jìn)行CAD/CAE設(shè)計(jì)分析。CRH2動(dòng)車組轉(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)營速度/（km/h）200定員時(shí)軸重（100%定員）/kN137.2（14t）滿員時(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)彈簧的建模過程，采用三段直線掃描法。繪制三段直線掃描下支撐圈

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：定類型：CRH2軸箱內(nèi)彈簧屬于靜態(tài)分析；畫模型：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：定類型：CRH2軸箱內(nèi)彈簧屬于靜態(tài)分析畫模型：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)外彈簧的建模過程，采用三段直線掃描法。繪制三段直線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：定類型：靜態(tài)分析畫模型：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：定類型：

9、靜態(tài)分析畫模型：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、輪對的CAD/CAE分析（一）、車軸的CAD/CAE設(shè)計(jì)1.問題分析CRH2轉(zhuǎn)向架車軸按照J(rèn)ISE4501（鐵道車輛車軸強(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）倒角鏡像完成如圖2.1所示圖2.1CRH2車軸3.CRH2車軸的CAE設(shè)計(jì)3.1車軸受力分析

11、2.2應(yīng)力分析（1）前處理：定類型：靜態(tài)分析畫模型：運(yùn)用solidworks2012建立CRH2車軸模型。設(shè)屬性：設(shè)車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車軸位移

12、圖2.7車軸應(yīng)力圖2.8車軸應(yīng)變3.3強(qiáng)度評價(jià)（1）確定危險(xiǎn)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(dòng)車組車軸材料S38C，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝，根據(jù)JISE4502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(dòng)車組運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。CRH2型動(dòng)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

13、車輪滾動(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車輪踏面形狀見圖3.1所示。圖3.1CRH2車輪踏面圖3.1CRH2車輪踏面形狀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所示圖3.2車輪3.CRH2車輪的CAE設(shè)計(jì)3.1受力分析根據(jù)UIC510-5：2003（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(dòng)軸上的車輪，考慮車輪通過直線、曲線和道岔時(shí)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=1.25Q

14、Fy3=0.42QQ:每個(gè)車輪承擔(dān)的重量圖3.3CRH2車輪受力圖根據(jù)UIC510-5：2003（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(dòng)軸上的車輪，考慮車輪通過直線運(yùn)行、曲線通過和道岔通過三種工況，CRH2動(dòng)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=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：直線運(yùn)行F1z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kN橫向力：F1y=0工況2：曲線通過F2z=1.25Q=1.2572509.8=88.8kNF2y=0.7Q=49.7kN工況3：道

15、岔通過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：定類型：靜態(tài)分析畫模型：運(yùn)用solidworks2012建立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(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)面的法線方向，結(jié)果如圖3.4所示。圖3.4車輪分網(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車輪位移圖3.6車輪應(yīng)力圖3.7車輪應(yīng)變3.3強(qiáng)度評價(jià)車輪輻板上所有節(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輪360MPa；（2）未用加工中心加工的車輪290MPa（3）最大VonMises應(yīng)力低于車輪材料彈性極限（355MPa）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(jià)準(zhǔn)則。（四）輪對的組裝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輪對組裝三、心得體會(huì)及建議經(jīng)過本學(xué)期對動(dòng)車組設(shè)計(jì)這門課程的學(xué)習(xí)及動(dòng)車組的完成過程，我基本掌握了動(dòng)車組車輛設(shè)計(jì)的相關(guān)知識，動(dòng)車組總體設(shè)計(jì)的相關(guān)方法，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，動(dòng)車組車體設(shè)計(jì)，動(dòng)車組零部件強(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)車組輪對和軸箱彈簧的三維CAD模型，后在Simulation插件中對模型劃分網(wǎng)格、加約束與載荷進(jìn)行力學(xué)分析求解，由求解結(jié)果對零部件按