CRH2动车组轮对与轴箱弹簧

CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计一、轴箱弹簧的CAD/CAE设计（一）问题描述1.CRH2轴箱弹簧组组成参数：图1.1轴箱弹簧组组成及参数1—外圈弹簧；1—内圈弹簧；3—防雪罩2.CRH2轴箱弹簧载荷在双圈弹簧中的载荷分配计算：CRH2动车组当定员数为100人时，定员重量为56t。则有：NP6860088.9100056v；由载荷在双圈弹簧中的分配21vPPP和内外圈弹簧中的变形相等条件2211//kPkP可得：NPNP19182,4941821对CRH2高速动车组，取动载荷系数25.0k，则外簧和内簧的最大载荷分别为：NPkPNPkP5.239771918225.1)1(5.617724941825.1)1(22max11maxCRH2轴箱弹簧外簧圈建模过程如图2-1-1所示：（二）轴箱弹簧组的CAD设计1.轴箱内弹簧的CAD设计采用三段直线扫描法：绘制三条首尾相连的直线→绘制簧条圆→利用扫描特征中的沿路径扭转命令依次创建弹簧基体→利用拉伸切除特征创建支撑圈。完成如下图所示的零件造型：图1.2内弹簧图1.3外弹簧(三）轴箱弹簧组的CAE设计1.轴箱外弹簧的CAE设计1.1刚度计算1.1.1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，计算支撑反力即可得到弹簧刚度的大小。1.1.2应力计算(1)前处理：基本思想：弹簧一端固定，另外一端施加单位位移，所得固定端支反力即为弹簧刚度。定类型：CRH2轴箱外弹簧属于静态分析画模型：调用之前建立好的轴箱外弹簧模型设属性：设弹簧材料为碳钢板分网格：共13137个节点，6999个单元。如下图所示:图1.4网格划分(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1mm的位移；图1.5施加约束与载荷查错误：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：列举约束反力下结论：轴箱外弹簧的刚度为652N/mm。1.2强度计算1.2.1应力计算(1)前处理：定类型：CRH2轴箱外弹簧属于静态分析；画模型：调用之前建立好的轴箱外弹簧模型设属性：设弹簧材料为碳钢板分网格：共19508个节点，10940个单元。如下图所示:图1.7网格划分(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47.2mm的位移载荷；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：绘图形：加载后的应力图、位移图如下所示：由上可知，外弹簧的刚度为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。3.强度评价1.3.1确定危险点：由分析结果可以得出，弹簧受到的最大应力为737.04MPa，在弹簧端部。1.3.2校核强度：由于应力大于TB/T1335-1996规定轴箱弹簧的材料的许用应力340MPa，故弹簧强度不符合设计要求。一方面，这是由于在分析时采用了碳板钢材料，而不是60Si2GrVAT弹簧钢，不符合实际应用中的材料性能要求；另一方面，弹簧的支撑圈会对分析结果产生影响，需要将支撑圈压缩，并将有效圈切割后分析。二、车轴的CAD/CAE分析1.问题分析CRH2转向架车轴按照JISE4501（铁道车辆－车轴强度设计）进行设计，按JISE4502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压工艺。如图2.0所示。图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）→镜像→打通孔→倒角完成如图所示4.CRH2车轴的CAE设计定类型：静态分析画模型：调用CRH2车轴模型。设属性：设车轴材料为碳钢板分网格：共个节点，个单元。结果如图3.5所示。添约束：在轴承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.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车轴应力图2.7车轴位移图2.8车轴应变3.3强度评价（对比分析）（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1.问题描述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Ø860mm，最大磨耗直径为Ø790mm。在靠轮辋轮缘侧面Ø790mm圆周上，设有磨耗到限标记。CRH2车轮踏面形状见图3.1所示。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示图3.2车轮3.CRH2车轮的CAE设计3.1受力分析根据UIC510-5：2003（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。载荷工况垂向力横向力直线运行Fz1=1.25QFy1=0图3.3CRH2车轮受力图根据UIC510-5：2003（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=7250kgg：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=1.25×7250×9.8=88.8kN横向力：F1y=0工况2：曲线通过F2z=1.25Q=1.25×7250×9.8=88.8kNF2y=0.7Q=49.7kN工况3：道岔通过F3z=1.25Q=1.25×7250×9.8=88.8kNF3y=O.42Q=0.42×7250×9.8=29.8kN曲线运行Fz2=1.25QFy2=0.7Q过道岔Fz3=1.25QFy3=0.42QQ:每个车轮承担的重量3.2车轮CAE分析定类型：静态分析画模型：调用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.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3.6、图3.7所示图3.5车轮应力图3.6车轮位移图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＜360MPa；（2）未用加工中心加工的车轮＜290MPa（3）最大VonMises应力低于车轮材料弹性极限（355MPa）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。CRH2型车的工程图四、轮对的组装和冷缩配合1.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2.应力分析2.1前处理：定类型：静态分析；画模型：运用solidworks2014建立轮对模型；设属性：碳钢板，在轴颈与轮毂孔处添加冷缩配合；分网格：共29467个节点，16465个单元。如下图所示：图3.4轮对网格图2.2求结果：添约束：在车轴中间处施加固定几何体约束；加载荷：在轴颈和车轮接触斑处施加70000N的力。如下图所示：图3.5约束与加载图查错误：载荷列表后进行检查；求结果：进行有限元分析。2.3.后处理：绘图形：加载后的应力图、位移图、应变图如下所示：图3.6应力图图3.6位移图图3.7应变图3.强度评价。车轴和车轮之间的配合属于压装配合，又因为车轴轮座处的直径为202mm，车轮轮毂孔处的直径为200mm，所以轮座和轮毂孔处的应力最大。由上分析结果可得，最大应力为2214aMP。五、心得体会及建议通过使用solidworks软件对CRH2型动车组转向架轴箱弹簧、轮对的CAD/CAE分析，使得对solidworks软件的CAD/CAE操作方式，操作技巧有了更深的了解与认识，并对3D建模过程中的加工仿真的应用有了切身的体会。作为车辆工程动车组方向的一名学生，无论将来从事哪项具体工作，都会以不同的方式不同程度地涉及到产品设计与创新。尤其是设计与制造环节的工程技术人员只有熟练地掌握现代设计方法，才能创造出综合性能优良的产品，这也是学习动车组设计这门课程的意义所在。一名出色的设计师一定要是一名出色的工艺师，在大作业的完成过程中对这一点深有体会，尽管我们立志高远但在将来的工作中还应该踏踏实实的从基层做起，一个不了解加工工艺的设计师，就好比是一座空中楼阁，是经不起零件加工工艺性的推敲的。虽然在本次CAD/CAE分析设计中仍存在疏漏之处，但是从总体上领会了动车组设计的基本思想与方法，已初步建立动车组或产品设计流程的基本构架。