CRH2型電力動車組大作業(yè)教學教材

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CRH2型電力動車組大作業(yè)-CRH2動車組輪對與軸箱彈簧CAD/CAE設計班級：車輛1001班姓名：李素乾學號：2010036022013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造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。中國鐵道部將所有引進國外技術、聯(lián)合設計生產的中國鐵路高速（CRH）車輛均命名為“和諧號”。CRH2系列為動力分布式、交流傳動的電力動車組，采用了鋁合金空心型材車體。CRH2轉向架的結構特點

2、為：1、采用無搖枕H型構架2、采用輕量、小型、簡潔的結構3、采用小輪徑（直徑860mm）的車輪以減少簧下重量4、采用內孔為直徑60mm的空心車軸，該內孔同時有利于對車軸進行超聲波探傷5、軸箱采用轉臂式定位，軸箱彈簧采用雙圈鋼圓簧6、二系采用具有高度自動調節(jié)裝置的空氣彈簧，且其輔助風缸由無縫鋼管制成的橫梁內腔承擔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、動車轉向架上采用輕型交流異步電動機10、采用撓性浮動齒式聯(lián)軸式牽引電動機架懸式驅動裝置11、基礎制動裝置采用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、拖車轉向架車軸上裝有機械制動

3、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研究對象，建立其有限元模型。按照相關標準，應用Soidworks2012對其進行CAD/CAE設計分析。CRH2動車組轉向架基本參數(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）一、軸箱彈簧的CAD/CAE分析（一）、問題描述CRH2彈簧參數(shù)如下：（二）、軸箱內彈簧的CAD/CAE設計1、軸箱內彈簧的CAD設計內彈簧的建模過程，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內彈簧2、軸箱內彈簧的CAE分析2.1軸箱內彈簧剛度計算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、應力計算（1）前處理：定類型：CRH2軸箱內彈簧屬于靜態(tài)分析；畫模型：運用solidworks2012建立彈簧模型；設屬性：設彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共15332個節(jié)點，8199個單元。結果如圖1.2所示。圖1.2軸箱內彈簧網(wǎng)格劃分（2）、求結果添約束：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。結果如圖1.3所示圖1.3施加約束與載荷查錯誤：載荷列

5、表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.(3)、后處理列結果：列約束反力，如圖1.4所示圖1.4軸箱內彈簧1mm位移下的合力下結論：軸箱內彈簧的剛度為363N/mm.2.2軸箱內彈簧強度計算2.2.1受力分析由上可知，內彈簧的剛度為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。2.2.2應力分析（1）前處理：定類型：CRH2軸箱內彈簧屬于靜態(tài)分析畫模型：運用solidworks2012建立彈簧模型。設屬性：設彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共16063個節(jié)點，8

6、652個單元。結果如圖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，結果如圖1.5所示。圖1.5軸箱內彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.（3）后處理列結果：列約束反力。繪圖形：軸向彈簧加載后位移圖、應力圖應變圖如圖1.6、圖1.7、圖1、8所示圖1.6軸箱內彈簧應力圖圖1.7軸箱內彈簧位移圖1.8軸箱內彈簧應變2.2.3強度評價（1）確定危險點：由分析結果可以得出，彈簧受到的最大應力為12.049MPA，在彈簧端部。（2）校核強度：應力小于TB/T1335-1996規(guī)定軸箱彈簧的材料的許用應

7、力340MPa，彈簧強度符合設計要求。（二）、軸箱外彈簧的CAD/CAE設計1、軸箱外彈簧的CAD設計外彈簧的建模過程，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、應力分析（1）前處理：定類型：靜態(tài)分析畫模型：運用solidworks2012建立彈簧模型。設屬性：設彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共12469個節(jié)點，6707個單元。結果如圖2.2所示。圖2.2軸箱外彈簧網(wǎng)格劃分

8、（2）、求結果添約束：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。結果如圖2.3所示圖2.3施加約束與載荷查錯誤：載荷列表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.(3)、后處理列結果：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74129.16/936mm=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應力分析（1）前處理：定類型：

9、靜態(tài)分析畫模型：運用solidworks2012建立彈簧模型。設屬性：設彈簧材料為合金鋼分網(wǎng)格：共12585個節(jié)點，6762個單元。結果如圖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，結果如圖2.5所示。圖2.5軸箱內彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.（3）后處理列結果：列約束反力繪圖形：軸向彈簧加載后位移圖、應力圖和應變圖如圖2.6、圖2.7、圖2.8所示圖2.6軸箱外彈簧位移圖2.7軸箱外彈簧應力圖2.8軸箱外彈簧應變2.2.3強度評價（1）確定危險點：由分析結果可以得出，彈簧受到的最

10、大應力為19.538MPA，在彈簧端部。（2）校核強度：應力小于TB/T1335-1996規(guī)定軸箱彈簧的材料的許用應力340MPa，彈簧強度符合設計要求。二、輪對的CAD/CAE分析（一）、車軸的CAD/CAE設計1.問題分析CRH2轉向架車軸按照JISE4501（鐵道車輛車軸強度設計）進行設計，按JISE4502標準進行生產。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設計車軸的建模過程：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設計3.1車軸受力分析

11、2.2應力分析（1）前處理：定類型：靜態(tài)分析畫模型：運用solidworks2012建立CRH2車軸模型。設屬性：設車軸材料為合金鋼分網(wǎng)格：共14450個節(jié)點，9066個單元。結果如圖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。結果如圖3.5所示。圖2.5軸箱內彈簧分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.（3）后處理列結果：列約束反力繪圖形：軸向彈簧加載后位移圖、應力圖和應變圖如圖2.6、圖2.7、圖2.8所示圖2.6車軸位移

12、圖2.7車軸應力圖2.8車軸應變3.3強度評價（1）確定危險點：由分析結果可以得出，車軸受到的最大應力為113.246MPA，在軸頸處。（2）校核強度：CRH2動車組車軸材料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力為147MPa，可見，按照日本標準，該車軸滿足設計要求。經(jīng)分析，車軸結構強度符合設計要求。（三）車輪的CAD/CAE分析車輪是輪對的重要組成部分，其疲勞強度直接關系到動車組運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等。CRH2型動車組轉向架車輪按JISE5402鐵道車輛碳素鋼整體輾壓車輪設計和生產，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、車輪滾動圓直徑為860mm，最大磨耗直徑為790mm。在靠輪輞輪緣側面790mm圓周上，設有磨耗到限標記。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設計車輪的建模過程：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設計3.1受力分析根據(jù)UIC510-5：2003（整體車輪技術）標準進行車輪設計，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。載荷工況垂向力橫向力直線運行Fz1=1.25QFy1=0曲線運行Fz2=1.25QFy2=0.7Q過道岔Fz3=1.25Q

14、Fy3=0.42QQ:每個車輪承擔的重量圖3.3CRH2車輪受力圖根據(jù)UIC510-5：2003（整體車輪技術）標準進行車輪設計，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應力分析（1）前處理：定類型：靜態(tài)分析畫模型：運用solidworks2012建立CRH2車輪模型。設屬性：設車輪材料為合金鋼分網(wǎng)格：共20673個節(jié)點，12125個單元。結果如圖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，結果如圖3.4所示。圖3.4車輪分網(wǎng)格、加約束、加載荷查錯誤：載荷列表后進行檢查。求結果：進行有限元分析.（3）后處

16、理列結果：列約束反力繪圖形：車輪加載后位移圖、應力圖和應變圖如圖3.5、圖3.6、圖3.7所示圖3.5車輪位移圖3.6車輪應力圖3.7車輪應變3.3強度評價車輪輻板上所有節(jié)點的動應力范圍應低于許用應力，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應力低于車輪材料彈性極限（355MPa）經(jīng)分析，車輪受力最大應力為57.907MPa發(fā)生在踏面符合強度評價準則。（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、心得體會及建議經(jīng)過本學期對動車組設計這門課程的學習及動車組的完成過程，我基本掌握了動車組車輛設計的相關知識，動車組總體設計的相關方法，動車組轉向架設計，動車組車體設計，動車組零部件強度設計方法等。本次完成大作業(yè)運用到的軟件是Solidworks2012，在這次大作業(yè)中對Solidworks軟件的應用更全面不僅有CAD建模，還有CAE分析。首先建立CRH2動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、加約束與載荷進行力學分析求解，由求解結果對零部件按