CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CADCAE设计

..CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计班级：车辆091姓名：wuwuwuww学号：200904802（2012/12/24）摘要:随着时速200km/h高速动车组的引进,如何评价引进动车组的安全性,可靠性等成为十分紧迫和重要的问题.论文以CRH2动车组拖车轮对和轴箱为研究对象,进行疲劳强度计算分析,以期望为我国高速动车组标准的制定提供依据. 从过盈配合强度,静强度和动强度三个方面对CRH2动车组拖车车轮进行疲劳强度分析.按照相关标准,考虑新车轮和磨耗到限车轮的不同,分别建立模型并施加不同的过盈量;考虑到车轮辐板孔的影响,载荷分两个方向施加;分有无制动力两种工况,实施车轮动强度计算.动车组拖车转向架基本参数CRH2项目规格设计最高速度/km/h 250营业最高速度/km/h 200额定轴重/kN 137.2（14t）满员时最大轴重(200%定员/kN) 156.8（16t）编组能通过的最小曲线半径/m 180转向架转角/度 4.0轴距/mm 2500车轮直径/mm 860轮对的CAD/CAE分析车轴的CAD/CAE分析问题描述CRH2转向架车轴按照JIS E 4501进行设计，按JIS E 4502标准进行生产。

为了研究CRH2动车组运行的安全性和可靠性，按照JIS E4501 标准，对该车轴进行强度分析。

（二）、车轴的CAD设计车轴尺寸图：图1.1车轴零件图一、CAD设计（CAD零件工程图）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）→倒角→镜像→完成二、CAE设计1.应力分析1)前处理：A.定类型：静态分析B.画模型：画出加约束和载荷时的分割线C.设属性：碳钢板D.分网格：自动生成2)求结果：A.添约束：高级夹具将中心定位，在轮座处加弹性支撑，弹性刚度为10e11B.加载荷：按轴重14t 算在轴颈处施加70000N的载荷网格和载荷图C.查错误：载荷列表后进行检查。

D.求结果：进行有限元分析3)后处理：A.列结果：列约束反力B.绘图形：绘制变形图、应力图和外边界路径图位移图应变图应力图C.显动画：显示变形动画和应力动画D.下结论：运行结果与受力分析结果比较，相差不大，结果可信。

位移图3.强度评价1)确定危险点：由分析结果可得出，车轴最大应力为36.759MPa，发生在轴颈处。

2）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JIS E4502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。

车轮的CAD/CAE分析一、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，故动车组车轮需进行车轮静强度、动强度和轮轴过盈配合强度等3个方面的分析。

UIC 510—5/2003《整体车轮技术条件》EN 13979—l/2003《铁路应用轮对和转向架车轮技术验收程序》第一部分：锻制和轧制车轮二、CAD设计（CAD零件工程图）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→完成车轮的尺寸图：三、CAE设计1.受力分析根据UIC 510-5：2003（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动车组拖车车轮受力如上图所示，有关符号如下：Q：满轴重静态载荷 Q=160/2 kgFZ：轮轨垂向力，Fz=1.25Q（KN）FY：轮轨横向力，FY=0.7Q(KN)此处只进行直线工况下的CAE分析，受力如下：垂向力：Fz1=1.25Q=1.25*160/2=100kN横向力：Fy1=02.应力分析1)前处理：A.定类型：静态分析B.画模型：用分割线画出受力的接触斑C.设属性：碳钢板D.分网格：如下图所示2)求结果：A.添约束：在轮毂孔处用高级夹具施加约束B.加载荷：在接触斑上施加70000N的力C.查错误：载荷列表后进行检查。

D.求结果：进行有限元分析3)后处理：A.列结果：列约束反力B.绘图形：绘制变形图、应力图和外边界路径图位移图应变图应力图C.显动画：观察变形动画和应力动画D.下结论：运行结果与受力分析结果比较，相差不大，结果可信。

3.强度评价依据相关资料知在标准EN13104中动车组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＜360 MPa；2)未用加工中心加工的车轮＜290 MPa；3)最大Von Mises应力低于车轮材料弹性极限（355 MPa）。

经分析，车轮受力最大处符合强度评价准则。

经过系统分析得最大应力约为176.8MPa，最小应力约为0.018MPa。

最大应力发生在轴承座与防尘座连接处。

最大变形为0.02517mm。

故该车轮分析满足强度要求。

轮对的分析：一、轮对的装配1、轮对压装位置要求：(1)轮对内侧距离L=(1 353±2) mm,且任意3处距离差不大于1 mm。

当内侧距离L不符合规定时,不得向外侧调压,但当轮对内侧距离比规定的最小距离小1 mm以下时或因车轮辗制不均匀而致使任3处距离差超过规定时,可以通过旋削轮辋内侧面进行调整。

(2)轮对轮位差: L1-L2 ≤3 mm。

2、装配过程：添加车轴→固定→添加车轮→同轴心配合→对称约束→添加距离→完成二、轮对的CAE分析1、理论要求：为保证运行过程中，车轮不会与车轴发生相对转动或脱离，轮轴之间应有足够的接触压应力。

在标准EN13260:1998对轮对轮轴过盈量j有如下规定：a)采用收缩装配:0.0009dm≤j≤ 0.0015dm;b)采用压力装配:0.0010dm≤j≤0.0015dm+0.06;其中:dm表示轮座位置轴的平均直径，单位为mm。

dm=194mm时，0.174mm ≤j≤ 0.291mm2、应力分析1)前处理：A定类型：静态分析B画模型：将装配图进行爆炸，方便选择配合的面C设属性：将所有零件材料选择碳钢板，将轴颈和轮毂孔处添加冷缩配合D分网格：自由网格划分2)求结果：添约束：车轴中间面处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：列约束反力绘图形：绘制变形图、应力图和外边界路径图位移图应变图应力图显动画：观察变形动画和应力动画下结论：运行结果与受力分析结果比较3、强度评价车轮和车轴之间的装配属于压装配合。

又因为在车轴的车轮座直径为202+1mm，，车轮的轮毂孔位200-2mm，轮座和轮毂孔间所受的作用力最大。

轴箱弹簧（外簧）的CAD/CAE分析一、问题描述制造工艺过程: 修正下料→端部加热→锻尖→加热→卷绕→淬火→回火→强化处理（喷丸、强压、渗碳）→磨平端面→试验或验收。

三段直线扫描法: 弹簧是由簧条圆绕三条首尾相连的直线扭转而成的，故其造型过程为：先绘制三条首尾相连的直线，再绘制簧条圆，然后利用扫描特征中的沿路径扭转命令依次创建弹簧基体，最后利用拉伸切除特征创建支撑圈。

弹簧的尺寸如图所示，此处以右旋外圈簧为例进行分析。

二、CAD设计（CAD零件工程图）外簧的建模过程：三段直线线→簧条圆→三次扫描→切支撑圈→完成三、CAE设计1.受力分析弹簧下端压在轴箱支座上，上端受压力作用，发生大的弹性变形。

2.应力分析1)前处理：A.定类型：静态分析B.画模型：三段直线法C.设属性：合金钢D.分网格：2)求结果：A.添约束：在底面上添加固定几何体约束。

B.加载荷：采用加位移的方法加载。

C.查错误：载荷列表后进行检查。

D.求结果：进行有限元分析。

3)后处理：A.列结果B.绘图形：绘制变形图、应力图和外边界路径图。

位移图应变图应力图C.显动画：显示变形动画和应力动画D.下结论：运行结果与受力分析结果比较3.强度评价弹簧位移1mm时的力即为弹簧的刚度，可看出的静强度满足要求。

在进行CAE 设计时，由于支撑圈会对计算结果有影响，所以将支撑圈压缩，并将有效圈切割后分析。

螺旋弹簧在压缩变形过程中，弹簧截面所承受的载荷包括剪应力、扭矩、转矩、压应力，加上弹簧丝有一定的曲率，其实际变形以及应力分布相当复杂。

而其位置出现在圆柱螺旋弹簧的位置在内一侧，符合了经典理论对圆柱螺旋弹簧的分析结果在受压缩情况下，圆柱螺旋压缩弹簧任意截面所作的应力分析的基础上得出,与弹簧线材轴线成α=135°斜截面上的为最大正应力。

因此这类弹簧的疲劳开裂大多起裂于内圆表面,沿α=135°斜截面扩展并导致疲劳断裂。

CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计收获：在即将结束的本学期完成了这次轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计，虽然做到的有点匆忙，但还是学到了很多东西。

首先通过商老师的动车组设计我学到了很多关于Solidworks的操作技巧，这是从来都没有学到的，在这次作业的完成过程中深刻的体会了它的奥妙。

其次，通过这次作业，我对Solidworks的CAD/CAE的造型与分析又一次加强了训练。

在作业期间也遇到了不少问题，但通过与同学的讨论让我对问题有了更深的认识。

越学越能发现自己的不足，希望自己在以后的道路能不断地努力学习。

最后感谢同学与老师对本次作业的指导。

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