转向架轴箱弹簧及轮对结构分析crh2动车组轮对与轴箱弹簧cadcae设计--本科毕设论文.doc

CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计

动车组设计大作业
CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计

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摘 要:在我国，铁路是国家的重要基础设施、国民经济的大动脉和大众化交通工具，在交通运输行业中起着主导性作用。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。对于高速动车组而言，转向架的重要性更是不言而喻。转向架是铁路车辆的基本零件之一，其性能直接关系到铁路车辆的安全性、稳定性和可靠性。
论文以CRH2动车组轮对与轴箱弹簧为研究对象，并建立其有限元模型。按照UIC标准，应用solidworks对其进行CAD/CAE设计分析。

CRH2动车组拖车转向架基本参数
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

关键词：solidworks 轮对 轴箱弹簧 CAD/CAE
轮对的CAD/CAE分析
车轴的CAD/CAE分析
一、 问题描述
在国际上，机车车辆车轴结构设计主要采用两种设计方法：1、日本工业标准JIS E 450l一1995《铁道车辆一车轴强度设计方法》2、国际铁路联盟标准UIC515—3／1994《铁道车辆／转向架一走行部／车轴计算方法》或欧洲标准EN13103—2002《轮对和转向架／非驱动车轴——设计方法》和EN13104—2002《轮对和转向架/驱动动车轴——设计方法》
拖车转向架用轮对由车轴、车轮(也带有制动盘—简称轮盘)、轴制动盘（简称轴盘）及轴承构成。
车轴：采用空心车轴（φ60mm通孔），车轴表面实施高频淬火。
车轮：采用整体碾钢车轮，磨耗型踏面。车轮直径新制时为860mm，最大磨耗时为790mm。
轮盘：锻造。轮盘外径为725mm（有效外径720mm），组装时的厚度为133mm。
轴盘：轴盘由压装在车轴上的轮毂和通过螺栓安装在轮毂的制动盘构成，仅安装在拖车转向架用的车轴上。
二、 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
车轴零件图：

车轴造型图：

车轴工程图：见附录1：
三、 CAE设计
1. 受力分析
根据欧洲EN 13104对车轴进行计算：

对CRH2动车组，车辆重心到轴中心线高：=1055mm,轴颈中心距2b=2000mm,一根车轴的簧上质量=12.4t（其中g=9.8N／kg）

以上各式中ml近似为轴箱簧上质量，F1和F2分别为左右轴盘的质量，F11和F22分别为左右轮盘的重量，y1和y2分别为左右轴盘中心与左侧轴颈的垂直距离。以上参数的取值见表3，各种载荷的计算结果见表4。
表3 CRH2 动车组拖车车轴参数取值
kg
mm
mm
mm
mm
mm
mm
12400
1055
1000
747
430
393
1093
表4 CRH2 动车组拖车车轴载荷计算结果，单位：KN

2.1
2.1
2.2
2.2
87.2
64.7
42.5
21.3
95.7
54.9

2. 应力分析
1) 前处理：
A. 定类型：静态分析
B. 画模型：
C. 设属性：合金钢
D. 分网格：
2) 求结果：
A. 添约束：
B. 加载荷：
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。
3. 强度评价

CRH2动车组拖车车轴材料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，车轮受力最大处符合强度评价准则。

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→倒角→完成
车轮的零件图：

车轮的造型图：

车轮的工程图：见附录2
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、曲线和道岔时的载荷。

注：考虑我国车轮尺寸，图中尺寸应有所改动。
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图3.2.1所示，有关符号如下：
Q：满轴重静态载荷 Q=7250 kg
g：重力加速度（m.s-2）
FZ：轮轨垂向力，Fz=1.25Q.g（KN）
FY：轮轨横向力，FY=0.7Q.g(KN)
工况1：直线运行
Fz=1.25Q.g1.25×7250×9.8=88.8kN
横向力：Fy1=0
工况2：曲线通过
Fz=1.25Q.g =88．8kN
FY=0.7Q.g =49．7kN
工况3：道岔通过
Fz=1.25Q.g =88．8kN
FY2=O．42Q.g=29．8 kN
2. 应力分析
1) 前处理：
A. 定类型：静态分析
B. 画模型：
C. 设属性：合金钢
D. 分网格：如下图所示
2) 求结果：
A. 添约束：在对称面上施加对称约束
B. 加载荷：由于车轮有蠕滑现象，所以加载区域是一个面而不是一个点，
C. 查错误：载荷列表后进行检查。如下图

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。
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 ＜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。
轮对的造型图、工程图及装配过程
一、 轮对的造型图

二、 轮对的装配

三、 轮对的工程图：见附录3
轴箱弹簧（外簧）的CAD/CAE分析
一、 问题描述

二、 CAD设计（CAD零件工程图）
外簧的建模过程：三段等距螺旋线→组合曲线→画簧条直径扫描→切支撑圈→完成
外簧的造型图：

三、 CAE设计
1. 受力分析
2. 应力分析
1) 前处理：
A. 定类型：静态分析
B. 画模型：
C. 设属性：合金钢
D. 分网格：如下图所示
2) 求结果：
A. 添约束：在对称面上施加对称约束
B. 加载荷：由于给弹簧加力，计算过程中因受力不均将会产生偏斜，所以加载过程中采用加位移的方法加载。
C. 查错误：载荷列表后进行检查。如下图

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。
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，由于支撑全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。经计算内簧的挠度为：43.3mm。
附录
附录1

CRH2车轴工程图
附录2

CRH2车轴工程图
附录3

CRH2轮对工程图

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