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畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)
動車組轉(zhuǎn)向架三維實體仿真設(shè)計
學(xué)科、專業(yè) ：
學(xué) 號 ：
作 者 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
摘 要
隨著中國高速鐵路的發(fā)展，鐵路運輸?shù)陌踩絹碓绞艿饺藗兊年P(guān)注。轉(zhuǎn)向架則是保證高速動車組平穩(wěn)、安全運行的基礎(chǔ)。它是車輛的重要組成部分之一，所以它的可靠性影響整個列車的平穩(wěn)運行。這就需要對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進行分析了解，掌握轉(zhuǎn)向架零件的實體造型方法和虛擬裝配方法。
本文主要在對CRH380B動車組轉(zhuǎn)向架進行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，了解轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)及其主要功能。完成了轉(zhuǎn)向架的主要零部件的三維實體模型及虛擬裝配，掌握三維實體仿真設(shè)計在鐵路機車車輛產(chǎn)品的開發(fā)中的應(yīng)用。
1、以SolidWorks為基礎(chǔ)，建立轉(zhuǎn)向架零件三維實體模型并進行虛擬裝配。
2、運用有限元軟件ANSYS WORKBENCH對車輪、車軸進行有限元分析，依據(jù)JIS-E-4501標(biāo)準(zhǔn)車軸靜強度滿足設(shè)計要求。根據(jù)UIC 510-5 標(biāo)準(zhǔn)表明車輪靜強度滿足設(shè)計要求。
3、對一系彈簧懸掛裝置的外簧進行靜強度分析，結(jié)果表明其靜強度滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；CAD；靜強度；有限元
- I -
ABSTRACT
With the development of Chinese high-speed railway, people pay more attention to the safe railway transport. Bogie plays an important role in insures the safe and stable running of the high-speed trains. It is one of the important part of vehicle, so its reliability affects the smooth running of the train. It requires us to analysis and understand the structure of the bogie, master the solid modeling method of bogie parts and virtual assembly method.
This paper mainly bases on the analysis of high-speed multiple units bogie structure to understand the basic structure and main function of the bogie. It completes the 3D solid model of the main parts of bogies and virtual assembly, and grasps the design 3D solid in the development of product application on railway vehicles.
1、 On the basis of solidworks, establishing 3D solid model of bogie parts and proceeding virtual assembly.
2、 Using finite element software accomplish to the wheel, axle of finite element analysis. According to the JIS-E-4501 the static strength of axle is suitable. And according to the UIC 510-5 the static strength of wheel contents the design requests.
3、 Analysising the static strength of the suspension of primary springs strength, its result explains that the static strength contents the design requests.
Key Words：bogie； CAD ；Static strength ；finite element method
- III -
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 2
1.1課題研究的背景和意義 2
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3 本論文主要研究內(nèi)容及研究方法 5
2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析 6
2.1 轉(zhuǎn)向架概要 6
2.1.1 轉(zhuǎn)向架的作用及技術(shù)要求 6
2.1.2 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.2 轉(zhuǎn)向架的組成 8
2.2.1 輪對 8
2.2.2 軸箱 9
2.2.3 一系彈簧懸掛裝置 10
2.2.4 構(gòu)架組成 10
2.2.5 二系中央懸掛裝置 12
2.2.6 電機驅(qū)動裝置 12
2.2.7 基礎(chǔ)制動裝置 13
2.2.8 其他 13
3 三維建模及虛擬裝配 14
3.1 三維建模 14
3.1.1 solidworks軟件介紹 14
3.1.2 基本零件建模 15
3.2 虛擬裝配 19
3.2.1 輪對軸箱裝置的裝配 19
3.2.2 一系彈簧懸掛裝置的裝配 21
3.2.3 牽引裝置的裝配 22
3.2.4 轉(zhuǎn)向架整體裝配 23
4 強度分析 25
4.1 有限元分析 25
4.2 CRH380B一系彈簧強度分析 26
4.2.1 彈簧簡介 26
4.2.2有限元分析過程及結(jié)果 26
4.3 CRH380B動車組車輪強度分析 26
4.3.1 工況分析 26
4.3.2 過程計算 27
4.3.3 有限元分析 27
4.4 CRH380B動車組車軸強度分析 29
4.4.1計算過程 29
4.4.2 有限元分析 31
結(jié) 論 32
致 謝 33
參 考 文 獻 34
1 緒論
1.1課題研究的背景和意義
中國地域廣大、人口眾多，交通運輸對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟的不斷提高，出行方式的選擇越來越多樣化。鐵路因其安全舒適等優(yōu)點而成為人們的首要選擇。早先的鐵路根本無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，國家的多條鐵路出現(xiàn)超負(fù)荷運作，春運、鐵路一票難求等社會性問題的出現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙國民經(jīng)濟的發(fā)展。國人急切希望改善這種不良局面，于是中國高速鐵路應(yīng)運而生。
隨著我國第六次全國鐵路大面積提速的成功實施，CRH高速動車組出現(xiàn)在人們的視線之中，并且在既有線路上實現(xiàn)了最高時速300Km/h的高速運營，我國鐵路一舉進入高鐵時代。
2008年8月以來，京津、武廣、鄭西、滬寧等一批新建世界一流的時速350公里高速鐵路相繼投入運營，大面積、高密度開行“和諧號”高速動車組列車，標(biāo)志著我國鐵路已走在世界高鐵發(fā)展的前列[1]。
2010年12月3日上午11時28分，由中國南車集團研制的“和諧號”380A新一代高速動車組在在京滬高鐵棗莊至蚌埠間的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗中，最高速度達到486.1Km/h，刷新了當(dāng)時的歷史記錄[2]。2011年1月9日中國北車集團自主研制創(chuàng)新的新一代和諧號380BL動車組在京滬高鐵先導(dǎo)段運行試驗中創(chuàng)造了487.3Km/h的世界鐵路運營試驗最高速。
目前，我國高速鐵路運營里程已經(jīng)超過1.6萬里，共有13個鐵路局開行了動車組列車，共建立9個動車段，39個動車運用所。中國高鐵運營里程、動車組保有量均占世界總量一半以上?，F(xiàn)在的中國鐵路已步入世界高速鐵路先列，正以高速、安全、創(chuàng)新的新姿態(tài)引領(lǐng)世界高速鐵路發(fā)展潮流?，F(xiàn)在，高速鐵路以其安全性好、速度快、正點率高、能耗低、舒適度高等優(yōu)點成為人們出行不可或缺的一部分。
隨著列車速度的不斷提高，要求列車各個方面的性能的要求越來越高。轉(zhuǎn)向架在整個車輛中扮演重要角色，它在維持車輛平穩(wěn)安全運行方面起著重要作用。在現(xiàn)有商業(yè)運營的世界各國高速列車中，1998年6月4日德國第一代ICE高速列車客車轉(zhuǎn)向架彈性車輪的輪箍在鐵路橋上發(fā)生疲勞斷裂，給德國的鐵路運輸業(yè)造成巨大損失，也在世界各國引起巨大震動。 7.23追尾事故，給我國車輛制造產(chǎn)業(yè)及鐵路運輸帶來巨大的經(jīng)濟損失。2015年5月13日，美國一列從華盛頓開往紐約的列車在費城附近脫軌，造成五人死亡，十?dāng)?shù)人重傷，給美國人們帶來極大的精神恐慌。鐵路運輸安全越來越受到人們的重視。 輪對直接傳遞輪軌作用力，控制車輛運行等方面起著重要作用。在高速鐵路機車車輛中，輪軸損傷是主要的失效形式。因而動車組運行對車輪車軸的要求特別高。所以研究符合我國實際情況的車輪車軸的強度分析，在現(xiàn)在這個車輪車軸不能完全實現(xiàn)國產(chǎn)化的情況下是十分具有研究意義的。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在世界高速鐵路飛速發(fā)展的幾十年里，國外高速相繼形成了“日本新干線”、“法國TGV”、“德國ICE”三大高速動車組技術(shù)體系。在自身技術(shù)基礎(chǔ)上，各國從本國實際出發(fā)，不斷改進列車性能，研發(fā)新技術(shù)，為世界高速鐵路的發(fā)展做出巨大貢獻。
早在1987年時任國家副總理的鄧小平訪問日本時專程乘坐了日本新干線列車，對其給予高度的評價，自此日本新干線列車進入國人的視線。
20世紀(jì)60年代，“東海道新干線”在日本投入運營，這是世界上第一條高速鐵路。20世紀(jì)80年代后期，日本國鐵民營化之后，新干線網(wǎng)絡(luò)增加，人們對旅行舒適度，列車運行速度的要求越來越高，日本在0系、100系、200系的基礎(chǔ)上開發(fā)了300系動車組。隨著技術(shù)研究的不斷加深，又出現(xiàn)了500系用WDT9101/9102/9103型20余種轉(zhuǎn)向架，他們實現(xiàn)了交流電動機驅(qū)動方式，通過鋁合金軸箱、輕量化焊接結(jié)構(gòu)、空心車軸來實現(xiàn)各部件最大限度的輕量化。隨后，日本又研究了超輕量的500系、700系動車組用轉(zhuǎn)向架，它們通過改善空氣彈簧、橫向減震器等新技術(shù)，降低車廂噪音，提高舒適度和環(huán)境適應(yīng)性實現(xiàn)了較高的性價比。日本高速鐵路長期采用動力分散式動車組轉(zhuǎn)向架，軸重小，安全性能好。在長期發(fā)展中新干線列車在電功率方面、空氣動力學(xué)特性、轉(zhuǎn)向架等機械部分的輕量化取得了顯著進步。
歐洲在早期研究中采用動力集中式轉(zhuǎn)向架。上世紀(jì)70年代，法國鐵路公司SNCF開始進行高速鐵路的研究，終于在1981年，TGV高速列車在巴黎至里昂區(qū)間段實現(xiàn)200Km/h的運行，開啟了歐洲高速鐵路的新篇章。隨后，德國、瑞典、西班牙等國家也相繼出現(xiàn)了高速鐵路。
1990年5月，法國大西洋干線開通，所使用的TGV-A號動車組運行速度達到300Km/h，值得一提的是TGV-A325號試驗運行速度達到515.3Km/h，創(chuàng)造歷史記錄。之后，地中海高速線投入運營，運行時速達到350Km/h。2007年4月3日，AGV-V150以時速574.8Km在東部行駛，打破了17年前由TGV-A創(chuàng)造的時速515.3的世界紀(jì)錄[3]。受到日本新干線動車組的啟迪，法國近些年來開始研究動力分散式動車組用轉(zhuǎn)向架取得了巨大進步。
由于原德國聯(lián)邦政府沒有意識到高速鐵路的重要性，德國高速鐵路出現(xiàn)晚于歐洲其他國家，但這并不影響德國高速鐵路的飛速發(fā)展。20世紀(jì)90年代德國第一代高速鐵路動車組ICE-1投入運行。它借鑒日本新干線列車，成為歐洲第一代氣密性列車。以不污染環(huán)境，快捷便利為突出優(yōu)點。1992年德國統(tǒng)一之后，鐵路重新編組，建成以柏林為中心的鐵路網(wǎng)絡(luò)。隨后經(jīng)過改進的推挽式ICE-2、電動車組式ICE-3相繼出現(xiàn)在大家視野。
2004年4月1日，國務(wù)院召開會議專題研究鐵路機車車輛裝備有關(guān)問題，形成《研究鐵路機車車輛裝備有關(guān)問題的會議紀(jì)要》，明確了“引進先進技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)、打造中國品牌”基本原則，確定重點扶持國內(nèi)幾家機車車輛制造企業(yè)、引進少量原裝、國內(nèi)散件組裝和國內(nèi)生產(chǎn)的項目運作模式[4]。開啟中國高速列車發(fā)展的新篇章。
2007年12月22日，由中國南車青島四方機車車輛股份有限公司消化吸收日本川崎重工技術(shù)研發(fā)制造的首列時速300公里具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高速動車組CRH2-300出廠，標(biāo)志著我國成為第五個能自主設(shè)計并制造出300Km/h動車組的國家。
2008年4月11日，中國北車集團唐山軌道客車有限責(zé)任公司引進德國西門子先進技術(shù)研發(fā)的CRH3型高速動車組成功下線，標(biāo)志著中國鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化取得又一重大成果，標(biāo)志著我國成為世界上僅有的幾個能制造時速350公里高速動車組的國家之一;2008年6月24日，CRH3型動車組在京津城際鐵路創(chuàng)造394.3Km/h的中國鐵路第一速度[5]。
2010年，由中國南車集團青島四方機車車輛股份有限責(zé)任公司在CRH2-300基礎(chǔ)上自主研發(fā)的系列高速動車組CRH380A下線，它在京滬高鐵的出現(xiàn)，極大的緩解了春運鐵路輸送旅客的壓力，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。它的出現(xiàn)是中國高速鐵路史上的自主創(chuàng)新的里程碑，是中國高速鐵路發(fā)展的又一大跨步。
2011年5月，由中國北車集團旗下唐山軌道客車有限責(zé)任公司和長春軌道客車股份有限責(zé)任公司在CRH3型車基礎(chǔ)上聯(lián)合開發(fā)的適合高寒環(huán)境的CRH380B型車下線。它主要服役于哈大高鐵，創(chuàng)造零下40攝氏度下正常行駛的歷史記錄，至此中國高鐵技術(shù)進一步完善。
目前我國動車組用轉(zhuǎn)向架主要采用H型焊接構(gòu)架，磨耗性踏面，無搖枕結(jié)構(gòu)，主動和半主動懸掛裝置，有回轉(zhuǎn)阻尼，加裝彈性定位通過輕量化設(shè)計來減輕輪軌沖擊等。
從20世紀(jì)80年代開始，日本學(xué)者對高速列車輕量化承載結(jié)構(gòu)疲勞強度和可靠性問題進行了廣泛的理論實驗室試驗和線路試驗研究，提出承載結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的工程方法和延長其使用壽命的理論方法。在工程上，對于設(shè)計階段的車輛承載結(jié)構(gòu)，主要依據(jù)JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷工況及載荷組合，利用Haigh形式的Goodman曲線對整體結(jié)構(gòu)進行靜強度和疲勞強度分析；對焊接結(jié)構(gòu)細節(jié)根據(jù)日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會疲勞設(shè)計指南給出的疲勞設(shè)計曲線(即S-N曲線)進一步考核。同時進行概率設(shè)計或按疲勞損傷理論計算當(dāng)量應(yīng)力實施評估[6]。
對于車輪結(jié)構(gòu)，在歐洲鐵路行業(yè)，主要基于國際鐵路聯(lián)盟UIC510-5:2007《Technical approval of solid wheels》和歐洲EN13979-1:2004《Railway application- Wheelsets and bogies- Monobloc wheels-Technical approval procedure – Part 1:Forged and rolled wheels》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機械設(shè)計載荷和載荷工況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元法對車輪輻板進行基于無限壽命設(shè)計準(zhǔn)則的疲勞強度理論計算校；日本鐵路針對鐵道車輛車輪輻板的實驗室疲勞強度試驗研究，也相應(yīng)提出了一套機械設(shè)計載荷和載荷工況確定方法：美國AAR標(biāo)準(zhǔn)S-600-83《機車和貨車車輪設(shè)計分析評定辦法》規(guī)定了計算載荷和工況，采用了安全系數(shù)比較的評定方法；對于車軸，目前國際上鐵道機車車輛車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用以下兩種辦法：日本鐵路JIS標(biāo)準(zhǔn)和歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計方法，強度計算方法采用材料力學(xué)理論確定車軸危險界面的應(yīng)力分布[7]。
我國在高速列車關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研究階段，由于結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和試驗標(biāo)準(zhǔn)滯后于車輛技術(shù)發(fā)展，在承載結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，主要根據(jù)服役環(huán)境和現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計產(chǎn)品進行靜強度和疲勞強度分析。
1.3 本論文主要研究內(nèi)容及研究方法
本論文以中國北車集團唐山軌道客車有限責(zé)任公司和長春軌道客車股份有限責(zé)任公司在CRH3基礎(chǔ)上聯(lián)合生產(chǎn)的和諧號CRH380B型動車組用轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ)，主要對以下工作進行研究分析。
1、對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進行分析。通過結(jié)構(gòu)分析，了解轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)組成及各個零部件的作用。實現(xiàn)從轉(zhuǎn)向架的整體認(rèn)識到精確到個零件的細致認(rèn)識。
2、 在此基礎(chǔ)上，使用solidworks 2013軟件對CRH380B型動車組用轉(zhuǎn)向架的所有零部件進行三維造型，并進行虛擬裝配。
3、將三維造型導(dǎo)入有限元分析軟件ansys workbench中，對車輪、車軸、一系彈簧進行工況分析并根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)進行靜強度校核。
2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析
2.1 轉(zhuǎn)向架概要
2.1.1 轉(zhuǎn)向架的作用及技術(shù)要求
轉(zhuǎn)向架是車輛的重要組成部分之一，它是車體與鋼軌的連接體，承載著車體、電氣設(shè)備和的重量并將這些重量經(jīng)過彈簧懸掛裝置傳遞到鋼軌上。承受并傳遞車體與輪軌之間的各種作用力及載荷。它是列車的傳力裝置，充分利用輪軌的粘著力，通過牽引裝置將列車制動力和牽引力傳至車鉤，實現(xiàn)列車的牽引和制動。它將輪對的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為車輛的走向，引導(dǎo)車輛順利通過各種曲線和道岔。同時，減小列車運行過程中由于線路問題引起的震動，減緩對列車的沖擊，提高列車運行的平穩(wěn)性和安全性。
因此，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)性能的好壞對車輛的使用壽命、行車安全、運行性能、輪軌磨損有著直接的影響[8]。
這就需要轉(zhuǎn)向架具備以下幾點技術(shù)要求：
（1）轉(zhuǎn)向架是車輛的獨立部件，應(yīng)盡量減少它與車輛的連接部件，并且結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便。采用無磨耗 及不需維修的結(jié)構(gòu)形式，減少維修工作量。
（2）在滿足強度要求和使用壽命足夠的情況下盡量減輕自重。
（3）轉(zhuǎn)向架各零部件結(jié)構(gòu)材質(zhì)盡量一致。
（4）轉(zhuǎn)向架應(yīng)保證最佳的黏著條件，制動性能良好，使車輛能在在規(guī)定距離內(nèi)停車。
（5）轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的減震性，減小列車運行過程中帶來的震動和沖擊，提高列車運行舒適感。
2.1.2 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)
CRH380B動車組每列8輛編組，采用“四動四拖”的編組構(gòu)成。主要技術(shù)參數(shù)為：
表2-1 CRH380B的主要技術(shù)參數(shù)
軌距[mm]
1435
最高運營速度[km/h]
380
固定軸距[mm]
2500
輪對內(nèi)側(cè)距[mm]
1353
新輪直徑[mm]
920
全磨損[mm]動/拖
860/830
最大凈軸重（變形載荷）[t]
17±4%（最大17.68t）
一系懸掛
螺旋圓柱鋼彈簧
二系懸掛
空氣彈簧
二系縱向力傳遞方式
枕梁
傳動
軸裝置平行軸傳動裝置
牽引總功率（KW）
9200
機械制動
輪盤制動
連掛運行時通過的最小曲線半徑[m]
150
單車運行時通過的最小曲線半徑[m]：
250
2.2 轉(zhuǎn)向架的組成
CRH380B動車組所用轉(zhuǎn)向架包括動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架兩種形式。轉(zhuǎn)向架主要由輪對、軸箱、一系彈簧懸掛裝置、構(gòu)架、二系彈簧懸掛裝置、驅(qū)動裝置（動力轉(zhuǎn)向架有）、基礎(chǔ)制動裝置7部分組成。
轉(zhuǎn)向架構(gòu)架構(gòu)架為H型焊接構(gòu)架；圓錐滾子軸承單元，軸徑130mm；轉(zhuǎn)臂軸箱定位，一系懸掛是螺旋彈簧加垂向減振器；二系懸掛為帶有輔助橡膠堆的空氣彈簧直接支撐車體；在車體和轉(zhuǎn)向架之間裝有主動控制的抗蛇行減振器；采用Z型拉桿牽引裝置。
2.2.1 輪對
輪對是轉(zhuǎn)向架和鋼軌的直接接觸部分，轉(zhuǎn)向架就是由它直接向鋼軌傳遞車輛重量。通過鋼軌間的黏著產(chǎn)生牽引力和制動力，并通過輪對的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)車輛在鋼軌上的走行和導(dǎo)向。輪對受載情況復(fù)雜而繁重，當(dāng)車輪經(jīng)過鋼軌接頭、道岔等線路不平順處，輪對直接承受全部側(cè)向和垂向的沖擊。因而為了保證車輛高速安全運行，輪對必須具備足夠的強度；在滿足剛度和強度要求的前提下，使其重量盡量小，并具有一定彈性，以減小輪軌間的作用力；為保證轉(zhuǎn)向架的使用壽命阻力小，耐磨性好；能在直線和曲線區(qū)段靈活運行，具有必要的抗脫軌安全性。
輪對由一根車軸和兩個車輪壓裝成一體。輪對分為動車轉(zhuǎn)向架用和拖車轉(zhuǎn)向架用。動車輪對由車軸、車輪（帶有制動盤）、齒輪裝置及軸承構(gòu)成；拖車輪對由車軸、車輪（帶有制動盤）、周制動盤以及軸承構(gòu)成。
（1）車軸
輪對組成中，車軸分為動車軸和拖車軸。車軸為中空軸，中空直徑φ30mm，總長為2180mm。材質(zhì)為EA4T 。車軸設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為EN13260。動車軸由軸向軸承座、輪座、兩個制動盤座，齒輪軸承座和軸身組成。拖車軸由軸箱軸承座、輪座、3個制動盤和軸身組成。
（2）車輪
車輪是車輛的最終受力零件。它把車輛的載荷傳給鋼軌，并在鋼軌上轉(zhuǎn)動，完成車輛運行。CRH380B型車車輪采用整體車輪，包括輪緣、踏面、輪輞、輪轂、輪轂孔、輻板、輻板孔等部分。車輪材質(zhì)為R4T設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為EN132672。車輪內(nèi)外側(cè)均涂有吸音圖層。車輪的幾何參數(shù)為：
表2-2 CRH380B車輪的主要參數(shù)
新輪直徑
φ920mm
車輪全磨耗動/拖
φ860mm/φ830mm
輪輞寬度
135mm
輪轂裝配直徑
φ191mm
輪轂寬度
175mm
2.2.2 軸箱
軸箱裝設(shè)在車軸的軸頸上，用來安設(shè)軸承，將輪對和側(cè)梁或構(gòu)架聯(lián)系在一起，固定軸距，使輪對沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)化為車體沿線路的直線或曲線運動；承受車體的重量，傳遞各方向的作用力；緩沖軸箱以上部分的振動。防止塵土、雨水等物侵入及甩油，從而避免破壞油脂的潤滑。保證良好的潤滑性能，減少磨耗，降低運行阻力。 軸箱裝置是連接輪對與構(gòu)架的活動關(guān)節(jié)，除了傳遞各個方向的力和振動外，軸箱必須保證輪對能夠適應(yīng)線路狀況而相對于構(gòu)架上下跳動和左右橫動。
軸箱裝置包括軸箱體、軸箱壓蓋、軸箱前蓋、軸箱后蓋、軸承組、橡膠彈性定位節(jié)點、軸溫檢測器及橡膠蓋等部件。
軸箱為鑄造件，材質(zhì)為球墨鑄鐵，采用EN-GJS-400-18-LT標(biāo)準(zhǔn)。
軸箱采用圓錐滾動軸承軸箱，圓錐滾子軸承D130×240×160。軸箱裝置如圖2.1所示。
1- 轉(zhuǎn)臂；2-箍；3-防塵擋圈；4-軸承壓蓋； 5、6、7-螺栓、螺母、墊片 ；8、9-密封圈。
圖2.1 軸箱裝置
2.2.3 一系彈簧懸掛裝置
安裝在輪對與構(gòu)架之間的彈簧懸掛裝置稱為一系彈簧懸掛裝置，也成為軸箱懸掛裝置。包括一個由內(nèi)外彈簧組成的圓簧組彈簧裝置、軸箱定位裝置和垂向減震器。外圈彈簧的總?cè)?shù)為4.9圈，工作圈數(shù)為3.2圈。內(nèi)圈彈簧的總?cè)?shù)為6.65圈，工作圈數(shù)為4.95圈。一系垂向減震器壓縮高為334.5mm，拉伸高為502.5mm，行程162mm。、一系彈簧懸掛裝置的作用是緩和鋼軌對機車的沖擊和振動，給各軸一定的重量分配并使所分配重量在車輛行徑不平線路處不致發(fā)生顯著變化。約束軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的縱橫向運動和傳遞縱向力。
一系彈簧懸掛裝置應(yīng)便于一系定位剛度的選擇；零部件數(shù)量盡量減少，結(jié)構(gòu)簡單，便于檢修作業(yè)中的分解和組裝，便于實現(xiàn)輕量化；盡量減少磨耗，實現(xiàn)免維護。
2.2.4 構(gòu)架組成
CRH380B轉(zhuǎn)向架構(gòu)架共有兩種形式，分別是動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架。兩者主體結(jié)構(gòu)基本相同，均采用H型焊接構(gòu)架，中空箱型構(gòu)件。強度依據(jù)UIC515-4和615-4計算。頭車的轉(zhuǎn)向架配備天線支座。構(gòu)架包括兩個平行設(shè)置的側(cè)梁,兩所述側(cè)梁之間設(shè)置有兩個平行設(shè)置的橫梁,所述橫梁與所述側(cè)梁通過曲面連接座焊接在一起,兩所述橫梁之間固定連接兩個平行設(shè)置的縱梁[9]。動力轉(zhuǎn)向架上安裝牽引電機架安裝座和齒輪箱吊座等驅(qū)動裝置，4個制動吊座分別安裝在橫梁內(nèi)側(cè)。非動力轉(zhuǎn)向架的6個制動吊座則分別安裝在橫向止擋座的制動吊座橫梁上。
圖2.2 非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架
圖2.3 動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架
側(cè)梁向輪對傳遞垂向力、縱向力及橫向力，規(guī)定輪對的位置，保證構(gòu)架的剛度及各軸的平行度。它為5塊鋼板焊接而成的封閉箱體，分別為側(cè)梁下蓋板、側(cè)梁上蓋板和三塊立板和空氣彈簧導(dǎo)柱組成。
套筒
轉(zhuǎn)臂定位座
抗蛇形減震器
吊耳
空氣彈簧導(dǎo)柱
圖2.4 橫梁組成
上下蓋板為18mm的鋼板，外側(cè)立板采用14mm的鋼板整體壓型。內(nèi)側(cè)立板采用兩塊12mm的鋼板拼接組成。側(cè)梁上焊有抗蛇形減震器座、垂向減震器座、轉(zhuǎn)臂定位座、吊耳、連桿座等。橫梁為無縫鋼管，中空直徑為φ149.3mm,兩端外徑為φ190mm，中間外徑為φ180mm。材質(zhì)為S355J2H。橫梁上焊有牽引拉桿座，起吊止擋座、橫向止擋座。在動力轉(zhuǎn)向架上焊有齒輪安裝板，電機吊座，內(nèi)外減震器座。非動力轉(zhuǎn)向架則焊有軸盤制動吊座。
2.2.5 二系中央懸掛裝置
二系懸掛裝置由空氣彈簧、抗蛇形減震器、橫向減震器、橫向緩沖器等組成。
橫向懸掛包括橫向減震器和橫向緩沖器。橡膠止擋用于通過其特性限制縱向的位移。保證加速和減速力的傳遞無沖擊。
高度調(diào)整水平閥和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的控制桿是用來調(diào)整輪對磨損帶來的高度變化的。車輛水平閥調(diào)節(jié)車輛垂向位移至死擋高度約±3mm，此時空氣流通停止。這樣就避免了空氣的過度消耗。在死擋之后，空氣流通增加保證懸掛系統(tǒng)的全功能。
二系懸掛采用空氣彈簧?？諝饣墒寝D(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體之間的二級懸掛。空氣簧的橫向距離為1900mm。在壓縮空氣供應(yīng)失效的情況下，車體座落在空氣簧的應(yīng)急支乘上。取決于不同的軌道質(zhì)量，此時列車的旅行速度相應(yīng)降低以保證合適的乘坐舒適度。一個大附加空氣腔直接和空氣簧上方相連，這個空氣腔在轉(zhuǎn)向架上方的枕梁里?？諝鈶覓鞛閮牲c控制。每轉(zhuǎn)向架帶有一個水平閥。
2.2.6 電機驅(qū)動裝置
牽引電機安于懸掛的電機架上。電機架橫向具有彈性。安全桿用于固定電機并防止其向軌道的垂向移動。安全桿插入轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中心橫梁和電機架的座中。為使齒輪裝置可垂向移動，在牽引電機和齒輪裝置中間有一彈性連接器。
齒輪裝置的一端在軸的滾動軸承中運動，另一端通過反力桿在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處懸掛。因此，約三分之二的齒輪質(zhì)重量為簧下質(zhì)量，三分之一的質(zhì)量為一系懸掛質(zhì)量（通過反力桿在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的懸掛）。安全止擋主要作用是當(dāng)反力桿損壞時防止齒輪裝置掉到軌道上。
轉(zhuǎn)向架連接的作用主要是限制車體相對轉(zhuǎn)向架的縱向位移，限制車體的橫向位移和在不卸開任何懸掛系統(tǒng)部件的情況下，轉(zhuǎn)向架可與車體一同被吊起。為此，在二系和一系懸掛處安裝安全吊起裝置。二系和一系懸掛處的安全吊起裝置可用簡單常用的工具分離，使輪對和整個轉(zhuǎn)向架移出。
圖2.5 電機驅(qū)動裝置
2.2.7 基礎(chǔ)制動裝置
與動力車軸和非動力車軸相對應(yīng)，制動設(shè)備包括動力軸的輪盤制動盤和非動力軸的制動盤。動力轉(zhuǎn)向架的制動盤直徑為750mm，拖車轉(zhuǎn)向架的制動盤直徑為640mm。
非動力轉(zhuǎn)向架上安裝軸裝制動盤。每軸有3個制動盤。每軸安一個帶彈簧作動器的制動夾鉗，動力轉(zhuǎn)向架采用輪盤制動，每個輪上安裝輪盤制動盤。
除制動盤和車輪踏面之外裸露金屬表面都應(yīng)涂抹防銹油。
2.2.8 其他
潤滑脂、砂箱安裝在車體上，砂通過軟管送到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的撒砂管。撒砂管主要通過電氣進行加熱。
在每一司機室頭車的外側(cè)轉(zhuǎn)向架上安裝輪緣潤滑裝置。它的作用是通過調(diào)整以適應(yīng)新輪和磨耗輪的噴嘴位置。
此外轉(zhuǎn)向架上還有轉(zhuǎn)向架診斷裝置、車輪防滑保護裝置、自動過分感應(yīng)接收器等。
3 三維建模及虛擬裝配
3.1 三維建模
3.1.1 solidworks軟件介紹
Solidworks是美國solidworks公司推出的功能強大的三維機械設(shè)計軟件系統(tǒng)，自1995年問世以來，以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械工程師的設(shè)計效率，在與同類軟件的激烈競爭中已經(jīng)確立了其市場地位，成為三維機械設(shè)計軟件的標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車、機械、造船、通用機械、醫(yī)療機械和電子等諸多領(lǐng)域[10]。本文中主要通過solidworks 2013 對CRH380B轉(zhuǎn)向架的零部進行三維建模。Solidworks為用戶提供了一個完整的動態(tài)頁面和鼠標(biāo)拖動控制系統(tǒng)，最大程度的減少了多余的對話框，頁面簡單明了。其次，它含有特征模版，里面包含大量的標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)模板，方便用戶的調(diào)取與使用。同時他提供了autoCAD模擬器，用戶可以通過autoCAD的二維制圖習(xí)慣進行三維造型。Solidworks包含工程圖、零件圖、裝配體，用戶可以根據(jù)自己不同的需要，進行同一零件的二維到三維的轉(zhuǎn)換。另外，用戶也可以通過調(diào)整草圖不同參數(shù)，方便快速的創(chuàng)造出相似的零件。Solidworks具有“牽一發(fā)而動全身”的特點，當(dāng)你對某一零件進行改動時，那么相應(yīng)的它的工程圖、裝配體都要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，方便用戶對所有零件進行修正。
圖3.1 solidworks 2013 用戶界面
用solidworks進行三維造型，主要步驟就是通過對二維草圖的進行特征處理，使之成為三維圖形。具體步驟如下：首先要選取某一平面為草圖平面，進行草圖設(shè)計。草圖繪制實體包括：直線、矩形、圓弧、圓、橢圓。在草圖平面上繪制該零件在平面的投影圖形。進行完尺寸標(biāo)注后，退出草圖平面。點擊command manager 工具欄的特征選項，通過拉伸凸臺、旋轉(zhuǎn)凸臺、拉伸切除等功能完成簡單三維造型。再通過圓角等功能完成零件的細節(jié)處理，鏡像、陣列等功能完成相同零件的排列。
3.1.2 基本零件建模
(1)車輪的建模過程
車輪的建模步驟仿照車輪加工工藝過程。在車輪的加工過程中，先加工內(nèi)殼面、內(nèi)輻板、輪緣、內(nèi)輞面，然后翻身找正加工外殼面、外輻板、外輞面、踏面及孔， 其中輪緣、踏面在喉部接刀。
對應(yīng)相應(yīng)的加工過程，solidworks制作過程如圖所示：
1）拉輪坯。通過“拉伸凸臺”命令，根據(jù)尺寸制作出所需圓柱體。如圖3.2（a）所示。
2）切左輻板。對應(yīng)車輪加工過程中的加工內(nèi)殼面、內(nèi)輻板、輪緣、內(nèi)輞面過程。建立草圖后，通過“旋轉(zhuǎn)切除”命令，切除輪坯的多余部分。如圖3.2（b）所示。
3）切右輻板。對應(yīng)車輪加工過程中的加工外殼面、外輻板、輪緣、外輞面過程。與切左輻板建模過程一致。如圖3.2（c）所示。
4）拉輪轂孔。對應(yīng)車輪加工過程中的加工輪轂孔。主要通過“拉伸切除”命令來完成。如圖3.2（d）所示。
5）旋踏面。對應(yīng)車輪加工過程中踏面的加工。通過“旋轉(zhuǎn)切除”命令來完成。如圖3.2（e）所示。
6）添加材料。選擇所需車輪材料，點擊應(yīng)用。
（a）拉輪坯 （b）切左輻板 （c）切右輻板
（d）拉輪轂孔 （e）旋踏面
圖3.2 車輪的造型過程
（2）車軸的造型過程
利用多刀機床進行車軸機械加工的工藝過程：
第工序1是加工端面和中心孔；
第2-3工序是粗加工車軸：
第4工序加工各輪座面和各軸肩進行加工；
第5工序加工車軸中部，
第6工序修整兩個頂尖孔，同時將軸端車到191士0.3mm；
第7工序是粗磨車軸；
第8工序是滾壓抱軸瓦部分及與之相鄰的軸肩表面。
車輪的制作過程：
1） 因車軸是左右對稱圖形，所以只對一側(cè)造型即可。根據(jù)車軸總體尺寸，拉出軸坯。如圖3.3（a）所示。
2） 切軸頸。如圖3.3(b)所示。
3） 依次切出防塵板座、輪座、軸身、制動盤座。如圖3.3（c）所示。
4） 切中心孔。如圖3.3（d）所示。
5） 倒圓角。選取command manager 工具欄的特征選項中“倒角”，選取相關(guān)交線，給定圓角半徑值。如圖3.3（e）所示。
6） 選取command manager 工具欄的特征選項中“鏡像”，選取中間制動盤座左平面為基準(zhǔn)面，選擇鏡像實體選項，點擊右側(cè)實體。如圖3.3（f）所示。
7） 添加材料。選擇所需車輪材料，點擊應(yīng)用，為實體添加材料。
（a）拉軸坯 （b）切軸頸
（c）切防塵板座、輪座、軸身、制動盤座 （d）切中心孔
（f）鏡像 （e） 倒圓角
圖3.3 車軸的制作過程
（3）構(gòu)架的制作
構(gòu)架為對稱部件，仍選取只對其四分之一進行造型，之后分別進行兩次鏡像。如圖3.4所示。
圖3.4 構(gòu)架
（4）彈簧的造型過程
彈簧的制造加工過程為：修正下料→端部加熱→鍛尖→加熱→卷繞→淬火→回火→強化處理（噴丸、強壓、滲碳）→磨平端面→試驗或驗收。
在solidworks中彈簧的造型，采用“三段直線法”造型。造型過程為，按照彈簧尺寸，分別在三張草圖中繪制三段首尾相接的直線，即滾子中心線。在繪制簧條圓。選擇掃描特征，方式為按路徑旋轉(zhuǎn)。使簧條圓依次沿三段直線旋轉(zhuǎn)掃描出上支撐圈、工作圈、下支撐圈。最后利用反側(cè)拉伸切除特征磨平支撐圈。如圖3.5所示。
（a）掃描下支撐圈 （b）掃描工作圈
（c）掃描上支撐圈 （d）磨平支撐圈
圖3.5 彈簧
其他零件按照類似辦法在solidworks軟件中一次造型。
3.2 虛擬裝配
在完成轉(zhuǎn)向架的零部件造型后，分別進行輪對裝配、軸箱裝配、一系彈簧懸掛裝置裝配、牽引裝置及總體裝配。
3.2.1 輪對軸箱裝置的裝配
輪對主要由2個車輪、3個制動盤、1根車軸組成。目前國內(nèi)大多數(shù)工廠采用以輪轂孔外端面定位壓裝車軸的輪對壓裝方法,根據(jù)相關(guān)工藝過程，在solidworks中進行輪對裝配，如表3-1所示。
輪對如圖3.6所示。
表3-1 輪對的裝配過程
工藝過程
裝配過程
劃出車軸的全長中心線,并在車軸兩端軸頸上套上防護套;然后將選配好的車軸輪座表面、制動盤座表面和車輪輪轂孔、制動盤輪轂孔內(nèi)清掃干凈,并均勻地涂抹純凈植物油;最后中心制動盤套裝在車軸的一端。
（1）將車軸插入裝配體內(nèi)，默認(rèn)為“固定”。
（2）依次插入兩個車軸和三個制動盤。分別將它們的輪轂孔面和安裝座面設(shè)置配合方式為同軸心。
（3）依次將它們的前視基準(zhǔn)面與車軸的前視基準(zhǔn)面設(shè)置為重合。
壓裝中間制動盤：通過專用對稱尺劃出的車軸全長中心線, 啟動壓力機進行壓裝。
將中間制動盤的右視基準(zhǔn)面與車軸的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為重合。
壓裝:啟動壓力機進行壓裝。壓裝到位后(操作者目測判斷),關(guān)機停壓(若在壓裝過程中發(fā)現(xiàn)壓力曲線不合格則立即停壓),打開小車開關(guān),將小車復(fù)位。
將左側(cè)制動盤的右視基準(zhǔn)面與中間制動盤的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為平行，距離為430。
調(diào)頭壓裝:將小車旋轉(zhuǎn)180°,再按同樣的過程壓裝另一側(cè)的制動盤。
將右側(cè)制動盤的右視基準(zhǔn)面與中間制動盤的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為平行，距離為430。
按照同樣的過程壓裝兩側(cè)的車輪。
選擇兩車輪的內(nèi)表面，設(shè)置為以車輪右視基準(zhǔn)面為對稱面對稱，距離為1353。
檢測:車輪壓裝完成后,用專用尺仔細測量L和任意3處的距離差,并檢查輪位差和壓裝力大小以及壓力曲線是否合格。
記錄:對壓裝合格的輪對,按照鐵輛[1998]2號文之附件5中的F5、2、7條的規(guī)定完成有關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。對壓裝不合格的輪對,應(yīng)及時退卸并分析原因,妥善處理后重新壓裝。
圖3.6 輪對
軸箱裝置由防塵擋圈、軸承、軸承壓板、轉(zhuǎn)臂、箍、密封圈、軸端壓蓋組成。在裝配過程中將他們按照配合關(guān)系依次與輪對裝配在一起，而不進行單獨組裝。主要配合關(guān)系為：防塵板座和車輪的配合、軸承與防塵板座的配合、軸承與軸承壓板的配合、轉(zhuǎn)臂與防塵板座的配合、轉(zhuǎn)臂與箍的配合以及軸承壓蓋與轉(zhuǎn)臂的配合。輪對軸箱裝置如圖3.7所示。
圖3.7 輪對軸箱裝置
3.2.2 一系彈簧懸掛裝置的裝配
一系彈簧懸掛裝置由圓簧組、疊層彈簧、彈簧墊板、調(diào)整墊、一系垂向減震器、支座、止擋銷等組成。主要配合關(guān)系為疊層彈簧與轉(zhuǎn)臂的配合，內(nèi)外簧的配合及它們和疊層彈簧、調(diào)整墊的配合，止擋銷和彈簧墊板的配合，一系垂向減震器和轉(zhuǎn)臂的配合。一系彈簧懸掛裝置的裝配如圖3.8所示：
圖3.8（a） 輪對軸箱裝置、一系彈簧懸掛裝置的裝配
圖3.8（b） 輪對軸箱裝置、一系彈簧懸掛裝置的爆炸視圖
3.2.3 牽引裝置的裝配
牽引裝置由牽引梁、中心銷套、連桿等組成。牽引裝置的裝配如圖3.9所示
圖3.9（a）牽引裝置 圖3.9（b）牽引裝置的爆炸視圖
3.2.4 轉(zhuǎn)向架整體裝配
轉(zhuǎn)向架模型如圖3.10所示
圖3.10 CRH380B轉(zhuǎn)向架
一系彈簧懸掛裝置
橫向減震器
構(gòu)架
輪對軸箱裝置
扭桿裝配
牽引裝置
二系中央懸掛裝置
圖3.11 轉(zhuǎn)向架爆炸視圖
4 強度分析
4.1 有限元分析
在數(shù)學(xué)研究中，有限元法是一種為求解偏微分方程問題近似解的數(shù)值技術(shù)。如利用多邊形無限逼近圓來求得圓的周長。有限元法的基本思想是“化整為零，積零為整”[13]。有限元分析是通過數(shù)學(xué)方法對真實的物理系統(tǒng)進行模擬，將復(fù)雜問題用簡單問題代替求解。在求解過程中，將復(fù)雜的模型劃分為一個個簡單的有限元部分，每個有限元部分就會有一個通過簡單方法可以得到的解，然后根據(jù)這個模型的多個約束條件，推導(dǎo)演算處這個模型的解。這個解雖然不是準(zhǔn)確解，但誤差極小。并且在實際生活中很多問題都是沒有解的，所以這種方法在工程中得到很廣泛的應(yīng)用。
有限元分析通常分為三個單元：前置處理，計算求解，后置處理。前置處理是建立有限元模型，設(shè)置屬性，劃分單元網(wǎng)格。計算求解就是從單元推倒到總裝求解的過程。后置處理就是處理計算結(jié)果，得出圖形或者動畫，得出結(jié)論以便于用戶對數(shù)據(jù)的提取和使用。
目前國內(nèi)主要使用的有限元分析軟件為Ansys、ADINA、COSMSO、FEPG等。
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。ANSYS的組成如表4-1所示。
表4-1 ANSYS的組成
主要組成
功能
前處理模塊
實體建模、網(wǎng)格劃分，方便用戶構(gòu)建有限元模型
分析計算模塊
結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用。
后處理模塊
將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
ANSYS Workbench 是ANSYS 工程仿真技術(shù)集成平臺，它是用ANSYS求解實際問題的新一代產(chǎn)品，ANSYS Workbench 中提供了與ANSYS系統(tǒng)求解器的強大交互功能，這種環(huán)境為CAD系統(tǒng)和CAE系統(tǒng)設(shè)計提供了全新的協(xié)同仿真環(huán)境平臺，該平臺實現(xiàn)了CAD-CAE參數(shù)雙向互動，即CAD與CAE實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)鏈接與共享，CAD修改設(shè)計參數(shù)，CAE參數(shù)做出相應(yīng)的更改。[13]
4.2 CRH380B一系彈簧強度分析
4.2.1 彈簧簡介
CRH380B所用外卷彈簧材料為60SiCrVAT，中徑為239.6mm，簧條直徑為39.4mm，工作圈數(shù)為3.2圈，總?cè)?shù)為4.9圈，彈簧的自由高度為撓度為75mm。材料參數(shù)：彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3,屈服強度為2000兆帕，剪切和扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力為950兆帕。,
4.2.2有限元分析過程及結(jié)果
圖4.1 彈簧的強度分析結(jié)果
由圖可知，彈簧的最大剪應(yīng)力為610兆帕，小于60SiCrVAT的許用應(yīng)力950兆帕。彈簧強度符合材料要求。我們知道在實際工作中，彈簧的破壞一般發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)由圖可知剪應(yīng)力最大處發(fā)生在彈簧的內(nèi)側(cè)，與實際情況一致。
4.3 CRH380B動車組車輪強度分析
4.3.1 工況分析
車輛在運行過程中車輪主要受到軸向力和橫向力。但由于運行工況的不同，車輪所受到的兩種力的大小和車輪的受力位置是不相同的。
由UIC 510-5規(guī)程中的公式計算各個工況的載荷值如下，總共分為三種工況，車輪的受力分析圖如圖4.2所示：
工況一：直線運行
式（4.1）
工況二：曲線運行
式（4.2）
工況三：道岔運行
式（4.3）
在上式中，Q是每個車輪作用在鋼軌上的平均質(zhì)量；g是重力加速度，取值為9.8m*s2；Fz是垂向力；Fy是橫向力[11]。
圖4.2 車輪踏面上的力和受力點
4.3.2 過程計算
每個車輪作用在鋼軌上的平均質(zhì)量=9009Kg;Q*g=88290N.經(jīng)計算得出：
工況一（直線運行的情況下）：FZ1 =110362.5N; FY1=0N。
工況二（曲線運行的情況下）：FZ2=110362.5N; FY2=61803N。
工礦三（道岔運行的情況下）：FZ3=110362.5N;FZ3=37081.8N。
4.3.3 有限元分析
將車輪三維模型帶入 Ansys workbench ，分別對三種工況下的強度進行分析。
工況一（直線運行的情況下）所得結(jié)果如圖4.2所示。
圖4.3 車輪直線運行的強度分析
通過有限元分析結(jié)果可知，在直線運行的情況下，車輪的最大應(yīng)力為78.8MPa,遠小于車輪材料的許用應(yīng)力。按照日本標(biāo)準(zhǔn)，強度設(shè)計符合要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在踏面與輪軌的接觸面，因不考慮車輪的過盈配合，與實際情況相符。
工況二（曲線運行的情況下）所得結(jié)果如圖4.3所示。
圖4.4 車輪曲線運行的強度分析
通過有限元分析結(jié)果可知 ，曲線運行的情況下，車輪的最大應(yīng)力為198MPa，遠小于日本標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力355MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪轂過渡區(qū)內(nèi)側(cè)圓弧上，與實際情況相符。
工況三（道岔運行的情況下）所得結(jié)果如圖4.4所示。
圖4.5 道岔運行情況下車輪的強度分析
由有限元分析結(jié)果可知，道岔運行情況下，車輪的最大應(yīng)力為128MPa, 遠小于日本標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力355MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車輪輻板與輪轂過渡區(qū)外側(cè)圓弧上，與實際情況相符。
4.4 CRH380B動車組車軸強度分析
4.4.1計算過程
按照日本標(biāo)準(zhǔn)JIS-E-4501對車軸進行靜強度分析。該標(biāo)準(zhǔn)如表4-2所示。
表4-2日本標(biāo)準(zhǔn)中的動態(tài)載荷系數(shù)
線路狀態(tài)
線路等級
速度v/(km/h)
垂向動荷系數(shù)αv
垂向動荷系數(shù)αL
改進的高速線
SA
200~350
0.0027v
0.03+0.0006v
高速線
A
150~280
0.0027v
0.03+0.00085v
改進的即有線
A
60~160
0.0027v
0.04+0.0012v
<60
0.16
0.11
既有線
B
60~130
0.0052v
0.06+0.0018v
<60
0.31
0.17
圖4.6為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的車軸受力簡圖[12]。
圖4.6 日本車軸設(shè)計載荷圖
以下各式確定就算輪座部位車軸的彎曲應(yīng)力：
式（4.4）
式（4.5）
式（4.6）
式（4.7）
式（4.8）
其中
式（4.9）
式（4.10）
式（4.11）
式（4.12）
式（4.13）
式中，a是軸頸中心到輪座端部的距離；d是車軸直徑；g是車輪踏面間距；h是車軸中心線與重心位置的距離；j是軸頸間距；l是輪轂長度；r是車輪半徑；Z是輪座處的抗彎截面模數(shù)；P是橫向力；Q0是P引起的軸頸上的垂向力；R0是P引起的踏面上的垂向力；W是軸箱彈簧上的重量；M1、M2和M3分別是P、垂向加速度和橫向力引起的踏面上的垂向力；αv和αL分別是垂向動荷系數(shù)和橫向動荷系數(shù)；σb、σwb分別是輪座處車軸的工作應(yīng)力和疲勞許用應(yīng)力；n是疲勞安全系數(shù)。
表4-3 CRH380B非動力車軸參數(shù)
d(mm)
r(mm)
j(mm)
g(mm)
h(mm)
l(mm)
a(mm)
191
460
2000
1500
1370
175
165.5
表4-4 CRH380B非動力車軸載荷計算結(jié)果
αv
αL
P(KN)
Q0(KN)
RO(KN)
W(KN)
1.026
0.258
43.8
30.0
53.9
170
表4-5 CRH380B非動力車軸輪座處應(yīng)力計算結(jié)果
M1(KN·㎜)
M2(KN·㎜)
M3(KN·㎜)
σb (Mpa)
n
21250
21802.5
25480.2
66.7
2.2
4.4.2 有限元分析
將solidworks中建立的車軸模型帶入 ansys workbench ，在輪座處施加載荷，一端載荷為200.04KN,另一端為139.96KN。強度分析結(jié)果如圖所示：
圖4.7 車軸的強度分析
由圖4.6可知，拖車車軸的最大應(yīng)力為59.1兆帕，出現(xiàn)在輪座處，根據(jù)JIS-E-4502取車軸輪座處的疲勞許用應(yīng)力為147MPa。顯然，車軸滿足靜強度需求。
結(jié) 論
本文在詳細介紹了國內(nèi)外高速動車組用轉(zhuǎn)向架的發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)外強度分析的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對我國自主研發(fā)的CRH380B型動車組用轉(zhuǎn)向架進行研究。首先對CRH380B動車組用轉(zhuǎn)向架進行結(jié)構(gòu)分析，其次選擇使用solidworks軟件對轉(zhuǎn)向架零部件進行三維建模及虛擬裝配。通過裝配過程了解轉(zhuǎn)向架零部件之間的裝配關(guān)系。通過爆炸視圖，體現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的各個部分組成，配合轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)分析清楚明了了解轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成及各部分功能。
本文選擇了ANSYS WORKBENCH 插件對車輪、車軸、一系彈簧懸掛裝置用外簧進行強度分析。
基于有限元法對彈簧進行靜強度分析，可以發(fā)現(xiàn)彈簧的最大剪應(yīng)力發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)，與彈簧發(fā)生破壞的實際情況一致。彈簧的最大剪應(yīng)力滿足材料的許用應(yīng)力要求。
基于有限元法對車軸進行強度分析。首先按照UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)確定靜強度分析的三種載荷工況，建立車輪的應(yīng)力計算模型，模擬應(yīng)力變化規(guī)律，通過軟件計算得出的應(yīng)力云圖得到以下結(jié)論：直線運行情況下，最大應(yīng)力為78.8兆帕，出現(xiàn)在踏面與輪軌的接觸面。曲線運行情況下，最大應(yīng)力為198兆帕，出現(xiàn)在在車輪輻板與輪轂過渡區(qū)內(nèi)側(cè)圓弧上，道岔運行情況下，最大應(yīng)力為128兆帕，出現(xiàn)在車輪輻板與輪轂過渡區(qū)外側(cè)圓弧上。
車輪運行的最大應(yīng)力發(fā)生在曲線運行的情況下。三種載荷工況下的最大應(yīng)力均遠小于車輪材料的許用應(yīng)力355兆帕，滿足靜強度設(shè)計要求。
基于有限元法車軸進行強度分析，建立拖車車軸的三維模型，將模型帶入到ANSYS Workbench 中，按照J(rèn)IS-E-4501標(biāo)準(zhǔn)進行車軸的靜強度分析，得到以下結(jié)論：拖車車軸的最大應(yīng)力為59.1兆帕，出現(xiàn)在輪座處，遠小于標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力147兆帕，所以拖車車軸