CRH2型電力動車組大作業(yè)

CRH2動車組輪對與軸箱彈簧CAD/CAE設(shè)計

班級：車輛1001班

姓名：李素乾

學(xué)號：202303602

2023年12月20日

CRH2型電力動車組，是中華人民共和國鐵道部為國營鐵路進行第六次提速及建立中的高速

客運專線鐵路，向川崎重工及中國南車集團四方機車車輛股份有限公司訂購的高速列車車

款之一。

中國鐵道部將全部引進國外技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)的中國鐵路高速（CRH）車輛均命名為“和

諧號"。CRH2系列為動力分布式、溝通傳動的電力動車組，接受了鋁合金空心型材車體。

CRH2轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點為：

1、接受無搖枕H型構(gòu)架

2、接受輕量、小型、簡潔的結(jié)構(gòu)

3、接受小輪徑（直徑860mm）的車輪以削減簧下重量

4、接受內(nèi)孔為直徑60mm的空心車軸，該內(nèi)孔同時有利于對車軸進行超聲波探傷

5、軸箱接受轉(zhuǎn)臂式定位，軸箱彈簧接受雙圈鋼圓簧

6、二系接受具有高度自動調(diào)整裝置的空氣彈簧，且其幫助風(fēng)缸由無縫鋼管制成的橫梁內(nèi)腔

擔當

7、接受抗蛇行減震器兼顧高速穩(wěn)定性和曲線通過性能

8、接受單拉桿式中心牽引裝置傳遞縱向力

9、動車轉(zhuǎn)向架上接受輕型溝通異步電動機

10、接受撓性浮動齒式聯(lián)軸式牽引電動機架懸式驅(qū)動裝置

11、基礎(chǔ)制動裝置接受液壓缸卡鉗式盤形制動

12、全部車輪裝有機械制動盤（輪盤）

13、拖車轉(zhuǎn)向架車軸上裝有機械制動盤（軸盤）

14、利用踏面清掃裝置改善輪軌間運行噪聲和黏著狀態(tài)

本文以CRH2動車組輪對與軸箱彈簧為探討對象，建立其有限元模型。依據(jù)相關(guān)標準，應(yīng)用

Soidworks2023對其進行CAD/CAE設(shè)計分析。

CRH2動車組轉(zhuǎn)向架基本參數(shù)

項目參數(shù)

最高試驗速度/（km/h）250

運營速度/（km/h）200

定員時軸重（100%定員）/kN137.2(14t)

滿員時最大軸重（200%定員）/kN156.8(16t)

軸箱彈簧的CAD/CAE分析

（一）、問題描述

CRH2彈簧參數(shù)如下:

項目內(nèi)圈簧外圈簧

簧條直徑/mm2641

簧圈直徑/mm143220

自由高度/mm240256

壓緊高度/mm153.4180.4

總?cè)?shù)/有效圈數(shù)6.4Z4.44.9/2.9

旋向左右

彈性系數(shù)單355.2915.1

/N/mm總1270.3

橫向彈性系數(shù)

/N/mm8000080000

應(yīng)力修正系數(shù)1.2781.286

（二）、軸箱內(nèi)彈簧的CAD/CAE設(shè)計

1、軸箱內(nèi)彈簧的CAD設(shè)計

內(nèi)彈簧的建模過程，接受三段直線掃描法。

繪制三段直線一掃描下支撐圈一掃描有效圈一掃描上支撐圈一拉伸切除一完成如圖1.1所

不

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，計算支反力即為彈簧剛度的大

小。

2.1.2、應(yīng)力計算

(1)前處理：

定類型：CRH2軸箱內(nèi)彈簧屬于靜態(tài)分析；

畫模型：運用solidworks2023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個節(jié)點，8199個單元。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

查錯誤：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

⑶、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)彈簧強度計算

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,分析時可簡化為一端固定，另一端發(fā)生79.066mm

的位移。

222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：運用solidworks2023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個節(jié)點，8652個單元。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。

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圖1.5軸箱內(nèi)彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷

查錯誤：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

（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1.8軸箱內(nèi)彈簧應(yīng)變

2.2.3強度評價

（1）確定緊急點：由分析結(jié)果可以得出，彈簧受到的最大應(yīng)力為12Q49MPA,在彈簧端部。

（2）校核強度：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

強度符合設(shè)計要求。

（二）、軸箱外彈簧的CAD/CAE設(shè)計

1、軸箱外彈簧的CAD設(shè)計

外彈簧的建模過程，接受三段直線掃描法。

繪制三段直線一掃描下支撐圈一掃描有效圈一掃描上支撐圈一拉伸切除一完成如圖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：運用solidworks2023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個節(jié)點，6707個單元。結(jié)果如圖2.2所示。

圖2.2軸箱外彈簧網(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2.3所示

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圖2.3施加約束與載荷

查錯誤：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

⑶、后處理

列結(jié)果：列約束反力，如圖2.4所示

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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軸箱外彈簧強度計算

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74129.1的36mm=79.198mm,分析時可簡化為一端固定,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：靜態(tài)分析

畫模型：運用solidworks2023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個節(jié)點，6762個單元。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。

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圖2.5軸箱內(nèi)彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷

查錯誤：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

(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

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圖2.6軸箱外彈簧位移

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圖2.7軸箱外彈簧應(yīng)力

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圖2.8軸箱外彈簧應(yīng)變

2.2.3強度評價

（1）確定緊急點：由分析結(jié)果可以得出，彈簧受到的最大應(yīng)力為19.538MPA,在彈簧端部。

（2）校核強度：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

強度符合設(shè)計要求。

二、輪對的CAD/CAE分析

（一）、車軸的CAD/CAE設(shè)計

1.問題分析

CRH2轉(zhuǎn)向架車軸依據(jù)JISE4501（鐵道車輛一車軸強度設(shè)計）進行設(shè)計，按JISE4502標準

進行生產(chǎn)。為提高車軸的乏累平安性，接受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

車軸的建模過程：拉伸軸身一切軸頸一切防塵板座一切輪座（切軸身）一倒角一鏡像一完

成如圖2.1所示

圖2.1CRH2車軸

3.CRH2車軸的CAE設(shè)計

3.1車軸受力分析

弧=(j-g)W/4,M,M=廠產(chǎn)+以(a+/)-限

crb=m(M1+M2+M3)/Z>

〃=%//

式中，a為軸頸中心到輪座端部的距離；d為車軸直徑；g為車輪踏面間距；A為車軸中心線

與重心位置的距離；J為軸頸間距；1為輪轂長度；r為車輪半徑；Z為輪座處的抗彎截面模

數(shù)；尸為橫向力；。為尸引起的軸頸上的垂向力；層為尸引起的踏面上的垂向力；/為軸箱彈

簧上的重量：屈、M和JZ分別為尸、垂向加速度和橫向力引起的輪座處的彎矩；人和以分別

為垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)；外、外b分別為輪座處車軸的工作應(yīng)力和疲勞許用應(yīng)力；〃

為疲勞安全系數(shù).

2.2應(yīng)力分析

(1)前處理：

定類型：靜態(tài)分析

畫模型：運用solidworks2023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個節(jié)點，9066個單元。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：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

(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

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圖2.7車軸應(yīng)力

圖2.8車軸應(yīng)變

3.3強度評價

（1）確定緊急點：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）校核強度：CRH2動車組車軸材料S38C,接受高頻淬火熱處理和滾壓工藝，依據(jù)JIS

E4502取車軸的乏累許用應(yīng)力為147MPa,可見，依據(jù)日本標準，該車軸滿足設(shè)計要求。經(jīng)

分析，車軸結(jié)構(gòu)強度符合設(shè)計要求。

（三）車輪的CAD/CAE分析

車輪是輪對的重要組成部分，其乏累強度干脆關(guān)系到動車組運行的平安性、牢靠性、穩(wěn)定

性等。CRH2型動車組轉(zhuǎn)向架車輪按JISE5402《鐵道車輛一碳素鋼整體輾壓車輪》設(shè)計和生

產(chǎn)，車輪接受整體軋制車輪，輪輛寬度為，踏面形態(tài)接受LMA型。

新造車輪滾動圓直徑為0860mm,最大磨耗直徑為0790mm。在靠輪輛輪緣側(cè)面0790mm

圓周上，設(shè)有磨耗到限標記。CRH2車輪踏面形態(tài)見圖3.1所示。

圖3.1CRH2車輪踏面形態(tài)

2.CRH2車輪的CAD設(shè)計

車輪的建模過程：拉伸輪胚一切左腹板一切右腹板一旋踏面一打輪轂孔一倒角一完成如圖

3.2所示

圖3.2車輪

3.CRH2車輪的CAE設(shè)計

3.1受力分析

依據(jù)UIC510-5：2023(整體車輪技術(shù))標準進行車輪設(shè)計，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。

.135mm

108.5mm載荷工況垂向力橫向力

直線運行Fzl=1.25QFyl=0

曲線運行Fz2=1.25QFy2=0.7Q

過道岔Fz3=1.25QFy3=0.42Q

Q：每個車輪擔當?shù)闹亓?/p>

圖3.3CRH2車輪受力圖

依據(jù)UIC510-5：2023(整體車輪技術(shù))標準進行車輪設(shè)計，對于安裝到動軸上的車輪，考

慮車輪通過直線運行、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=7250kg

g：重力加速度(m/s2)Fz：輪軌垂向力，F(xiàn)z=L25Q(KN)

Fy：輪軌橫向力，F(xiàn)y=0.7Q.(KN)

工況1：直線運行

Flz=1.25Q=1.25X7250X9.8=88.8kN

橫向力：Fly=0

工況2：曲線通過

F2z=1.25Q=1.25x7250x9.8=88.8kN

F2y=0.7Q=49.7kN

工況3：道岔通過

F3z=1.25Q=1.25X7250X9.8=88.8kN

F3y=O.42Q=0.42X7250X9,8=29.8kN

3.2應(yīng)力分析

(1)前處理：

定類型：靜態(tài)分析

畫模型：運用solidworks2023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個節(jié)點，12125個單元。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)域是一個橢圓面，在橢圓斑施加大小為

88.8KN的力，方向為上視基準面的法線方向，結(jié)果如圖3.4所示。

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圖3.4車輪分網(wǎng)格、加約束、加載荷

查錯誤：載荷列表后進行檢查。

求結(jié)果：進行有限元分析.

(3)后處理

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

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圖3.5車輪位移

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