CRH380B 动车组转向架三维实体仿真设计-带答辩ppt【含三维SW模型图纸】
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CRH380B
动车组转向架三维实体仿真设计-带答辩ppt【含三维SW模型图纸
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毕 业 设 计(论 文)动车组转向架三维实体仿真设计学科、专业 ：学 号 ：作 者 姓 名：指 导 教 师：摘 要随着中国高速铁路的发展，铁路运输的安全越来越受到人们的关注。转向架则是保证高速动车组平稳、安全运行的基础。它是车辆的重要组成部分之一，所以它的可靠性影响整个列车的平稳运行。这就需要对转向架结构进行分析了解，掌握转向架零件的实体造型方法和虚拟装配方法。本文主要在对CRH380B动车组转向架进行结构分析的基础上，了解转向架的基本结构及其主要功能。完成了转向架的主要零部件的三维实体模型及虚拟装配，掌握三维实体仿真设计在铁路机车车辆产品的开发中的应用。1、以SolidWorks为基础，建立转向架零件三维实体模型并进行虚拟装配。2、运用有限元软件ANSYS WORKBENCH对车轮、车轴进行有限元分析，依据JIS-E-4501标准车轴静强度满足设计要求。根据UIC 510-5 标准表明车轮静强度满足设计要求。3、对一系弹簧悬挂装置的外簧进行静强度分析，结果表明其静强度满足设计要求。关键词：转向架；CAD；静强度；有限元- I -ABSTRACTWith 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 录摘 要IABSTRACTII1 绪论21.1课题研究的背景和意义21.2 国内外研究现状31.3 本论文主要研究内容及研究方法52 转向架结构分析62.1 转向架概要62.1.1 转向架的作用及技术要求62.1.2 转向架的主要技术参数62.2 转向架的组成82.2.1 轮对82.2.2 轴箱92.2.3 一系弹簧悬挂装置102.2.4 构架组成102.2.5 二系中央悬挂装置122.2.6 电机驱动装置122.2.7 基础制动装置132.2.8 其他133 三维建模及虚拟装配143.1 三维建模143.1.1 solidworks软件介绍143.1.2 基本零件建模153.2 虚拟装配193.2.1 轮对轴箱装置的装配193.2.2 一系弹簧悬挂装置的装配213.2.3 牵引装置的装配223.2.4 转向架整体装配234 强度分析254.1 有限元分析254.2 CRH380B一系弹簧强度分析264.2.1 弹簧简介264.2.2有限元分析过程及结果264.3 CRH380B动车组车轮强度分析264.3.1 工况分析264.3.2 过程计算274.3.3 有限元分析274.4 CRH380B动车组车轴强度分析294.4.1计算过程294.4.2 有限元分析31结 论32致 谢33参 考 文 献341 绪论1.1课题研究的背景和意义中国地域广大、人口众多，交通运输对国民经济的发展起着举足轻重的作用。随着科学技术、国民经济的不断提高，出行方式的选择越来越多样化。铁路因其安全舒适等优点而成为人们的首要选择。早先的铁路根本无法满足人们日益增长的需求，国家的多条铁路出现超负荷运作，春运、铁路一票难求等社会性问题的出现，严重阻碍国民经济的发展。国人急切希望改善这种不良局面，于是中国高速铁路应运而生。随着我国第六次全国铁路大面积提速的成功实施，CRH高速动车组出现在人们的视线之中，并且在既有线路上实现了最高时速300Km/h的高速运营，我国铁路一举进入高铁时代。2008年8月以来，京津、武广、郑西、沪宁等一批新建世界一流的时速350公里高速铁路相继投入运营，大面积、高密度开行“和谐号”高速动车组列车，标志着我国铁路已走在世界高铁发展的前列1。2010年12月3日上午11时28分，由中国南车集团研制的“和谐号”380A新一代高速动车组在在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中，最高速度达到486.1Km/h，刷新了当时的历史记录2。2011年1月9日中国北车集团自主研制创新的新一代和谐号380BL动车组在京沪高铁先导段运行试验中创造了487.3Km/h的世界铁路运营试验最高速。目前，我国高速铁路运营里程已经超过1.6万里，共有13个铁路局开行了动车组列车，共建立9个动车段，39个动车运用所。中国高铁运营里程、动车组保有量均占世界总量一半以上。现在的中国铁路已步入世界高速铁路先列，正以高速、安全、创新的新姿态引领世界高速铁路发展潮流。现在，高速铁路以其安全性好、速度快、正点率高、能耗低、舒适度高等优点成为人们出行不可或缺的一部分。 随着列车速度的不断提高，要求列车各个方面的性能的要求越来越高。转向架在整个车辆中扮演重要角色，它在维持车辆平稳安全运行方面起着重要作用。在现有商业运营的世界各国高速列车中，1998年6月4日德国第一代ICE高速列车客车转向架弹性车轮的轮箍在铁路桥上发生疲劳断裂，给德国的铁路运输业造成巨大损失，也在世界各国引起巨大震动。 7.23追尾事故，给我国车辆制造产业及铁路运输带来巨大的经济损失。2015年5月13日，美国一列从华盛顿开往纽约的列车在费城附近脱轨，造成五人死亡，十数人重伤，给美国人们带来极大的精神恐慌。铁路运输安全越来越受到人们的重视。 轮对直接传递轮轨作用力，控制车辆运行等方面起着重要作用。在高速铁路机车车辆中，轮轴损伤是主要的失效形式。因而动车组运行对车轮车轴的要求特别高。所以研究符合我国实际情况的车轮车轴的强度分析，在现在这个车轮车轴不能完全实现国产化的情况下是十分具有研究意义的。1.2 国内外研究现状在世界高速铁路飞速发展的几十年里，国外高速相继形成了“日本新干线”、“法国TGV”、“德国ICE”三大高速动车组技术体系。在自身技术基础上，各国从本国实际出发，不断改进列车性能，研发新技术，为世界高速铁路的发展做出巨大贡献。早在1987年时任国家副总理的邓小平访问日本时专程乘坐了日本新干线列车，对其给予高度的评价，自此日本新干线列车进入国人的视线。20世纪60年代，“东海道新干线”在日本投入运营，这是世界上第一条高速铁路。20世纪80年代后期，日本国铁民营化之后，新干线网络增加，人们对旅行舒适度，列车运行速度的要求越来越高，日本在0系、100系、200系的基础上开发了300系动车组。随着技术研究的不断加深，又出现了500系用WDT9101/9102/9103型20余种转向架，他们实现了交流电动机驱动方式，通过铝合金轴箱、轻量化焊接结构、空心车轴来实现各部件最大限度的轻量化。随后，日本又研究了超轻量的500系、700系动车组用转向架，它们通过改善空气弹簧、横向减震器等新技术，降低车厢噪音，提高舒适度和环境适应性实现了较高的性价比。日本高速铁路长期采用动力分散式动车组转向架，轴重小，安全性能好。在长期发展中新干线列车在电功率方面、空气动力学特性、转向架等机械部分的轻量化取得了显著进步。欧洲在早期研究中采用动力集中式转向架。上世纪70年代，法国铁路公司SNCF开始进行高速铁路的研究，终于在1981年，TGV高速列车在巴黎至里昂区间段实现200Km/h的运行，开启了欧洲高速铁路的新篇章。随后，德国、瑞典、西班牙等国家也相继出现了高速铁路。1990年5月，法国大西洋干线开通，所使用的TGV-A号动车组运行速度达到300Km/h，值得一提的是TGV-A325号试验运行速度达到515.3Km/h，创造历史记录。之后，地中海高速线投入运营，运行时速达到350Km/h。2007年4月3日，AGV-V150以时速574.8Km在东部行驶，打破了17年前由TGV-A创造的时速515.3的世界纪录3。受到日本新干线动车组的启迪，法国近些年来开始研究动力分散式动车组用转向架取得了巨大进步。由于原德国联邦政府没有意识到高速铁路的重要性，德国高速铁路出现晚于欧洲其他国家，但这并不影响德国高速铁路的飞速发展。20世纪90年代德国第一代高速铁路动车组ICE-1投入运行。它借鉴日本新干线列车，成为欧洲第一代气密性列车。以不污染环境，快捷便利为突出优点。1992年德国统一之后，铁路重新编组，建成以柏林为中心的铁路网络。随后经过改进的推挽式ICE-2、电动车组式ICE-3相继出现在大家视野。2004年4月1日，国务院召开会议专题研究铁路机车车辆装备有关问题，形成研究铁路机车车辆装备有关问题的会议纪要，明确了“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”基本原则，确定重点扶持国内几家机车车辆制造企业、引进少量原装、国内散件组装和国内生产的项目运作模式4。开启中国高速列车发展的新篇章。2007年12月22日，由中国南车青岛四方机车车辆股份有限公司消化吸收日本川崎重工技术研发制造的首列时速300公里具有自主知识产权的国产高速动车组CRH2-300出厂，标志着我国成为第五个能自主设计并制造出300Km/h动车组的国家。2008年4月11日，中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司引进德国西门子先进技术研发的CRH3型高速动车组成功下线，标志着中国铁路技术装备现代化取得又一重大成果，标志着我国成为世界上仅有的几个能制造时速350公里高速动车组的国家之一;2008年6月24日，CRH3型动车组在京津城际铁路创造394.3Km/h的中国铁路第一速度5。2010年，由中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限责任公司在CRH2-300基础上自主研发的系列高速动车组CRH380A下线，它在京沪高铁的出现，极大的缓解了春运铁路输送旅客的压力，促进国民经济的发展。它的出现是中国高速铁路史上的自主创新的里程碑，是中国高速铁路发展的又一大跨步。2011年5月，由中国北车集团旗下唐山轨道客车有限责任公司和长春轨道客车股份有限责任公司在CRH3型车基础上联合开发的适合高寒环境的CRH380B型车下线。它主要服役于哈大高铁，创造零下40摄氏度下正常行驶的历史记录，至此中国高铁技术进一步完善。目前我国动车组用转向架主要采用H型焊接构架，磨耗性踏面，无摇枕结构，主动和半主动悬挂装置，有回转阻尼，加装弹性定位通过轻量化设计来减轻轮轨冲击等。从20世纪80年代开始，日本学者对高速列车轻量化承载结构疲劳强度和可靠性问题进行了广泛的理论实验室试验和线路试验研究，提出承载结构疲劳设计的工程方法和延长其使用寿命的理论方法。在工程上，对于设计阶段的车辆承载结构，主要依据JIS标准规定的载荷工况及载荷组合，利用Haigh形式的Goodman曲线对整体结构进行静强度和疲劳强度分析；对焊接结构细节根据日本钢结构协会疲劳设计指南给出的疲劳设计曲线(即S-N曲线)进一步考核。同时进行概率设计或按疲劳损伤理论计算当量应力实施评估6。对于车轮结构，在欧洲铁路行业，主要基于国际铁路联盟UIC510-5:2007Technical approval of solid wheels和欧洲EN13979-1:2004Railway application- Wheelsets and bogies- Monobloc wheels-Technical approval procedure Part 1:Forged and rolled wheels标准规定的机械设计载荷和载荷工况，应用结构有限元法对车轮辐板进行基于无限寿命设计准则的疲劳强度理论计算校；日本铁路针对铁道车辆车轮辐板的实验室疲劳强度试验研究，也相应提出了一套机械设计载荷和载荷工况确定方法：美国AAR标准S-600-83机车和货车车轮设计分析评定办法规定了计算载荷和工况，采用了安全系数比较的评定方法；对于车轴，目前国际上铁道机车车辆车轴结构设计主要采用以下两种办法：日本铁路JIS标准和欧洲EN标准中规定设计方法，强度计算方法采用材料力学理论确定车轴危险界面的应力分布7。我国在高速列车关键技术预研究阶段，由于结构强度设计和试验标准滞后于车辆技术发展，在承载结构设计阶段，主要根据服役环境和现有相关设计标准对设计产品进行静强度和疲劳强度分析。1.3 本论文主要研究内容及研究方法本论文以中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司和长春轨道客车股份有限责任公司在CRH3基础上联合生产的和谐号CRH380B型动车组用转向架为基础，主要对以下工作进行研究分析。1、对转向架结构进行分析。通过结构分析，了解转向架的结构组成及各个零部件的作用。实现从转向架的整体认识到精确到个零件的细致认识。2、 在此基础上，使用solidworks 2013软件对CRH380B型动车组用转向架的所有零部件进行三维造型，并进行虚拟装配。3、将三维造型导入有限元分析软件ansys workbench中，对车轮、车轴、一系弹簧进行工况分析并根据日本标准进行静强度校核。2 转向架结构分析2.1 转向架概要2.1.1 转向架的作用及技术要求转向架是车辆的重要组成部分之一，它是车体与钢轨的连接体，承载着车体、电气设备和的重量并将这些重量经过弹簧悬挂装置传递到钢轨上。承受并传递车体与轮轨之间的各种作用力及载荷。它是列车的传力装置，充分利用轮轨的粘着力，通过牵引装置将列车制动力和牵引力传至车钩，实现列车的牵引和制动。它将轮对的转动转化为车辆的走向，引导车辆顺利通过各种曲线和道岔。同时，减小列车运行过程中由于线路问题引起的震动，减缓对列车的冲击，提高列车运行的平稳性和安全性。因此，转向架结构性能的好坏对车辆的使用寿命、行车安全、运行性能、轮轨磨损有着直接的影响8。这就需要转向架具备以下几点技术要求：（1）转向架是车辆的独立部件，应尽量减少它与车辆的连接部件，并且结构简单、拆装方便。采用无磨耗 及不需维修的结构形式，减少维修工作量。（2）在满足强度要求和使用寿命足够的情况下尽量减轻自重。（3）转向架各零部件结构材质尽量一致。（4）转向架应保证最佳的黏着条件，制动性能良好，使车辆能在在规定距离内停车。（5）转向架的结构应具有良好的减震性，减小列车运行过程中带来的震动和冲击，提高列车运行舒适感。2.1.2 转向架的主要技术参数CRH380B动车组每列8辆编组，采用“四动四拖”的编组构成。主要技术参数为：表2-1 CRH380B的主要技术参数轨距mm1435最高运营速度km/h380固定轴距mm2500轮对内侧距mm1353新轮直径mm920全磨损mm动/拖860/830最大净轴重（变形载荷）t174%（最大17.68t）一系悬挂螺旋圆柱钢弹簧二系悬挂空气弹簧二系纵向力传递方式枕梁传动轴装置平行轴传动装置牵引总功率（KW）9200机械制动轮盘制动连挂运行时通过的最小曲线半径m150单车运行时通过的最小曲线半径m：2502.2 转向架的组成CRH380B动车组所用转向架包括动力转向架和非动力转向架两种形式。转向架主要由轮对、轴箱、一系弹簧悬挂装置、构架、二系弹簧悬挂装置、驱动装置（动力转向架有）、基础制动装置7部分组成。转向架构架构架为H型焊接构架；圆锥滚子轴承单元，轴径130mm；转臂轴箱定位，一系悬挂是螺旋弹簧加垂向减振器；二系悬挂为带有辅助橡胶堆的空气弹簧直接支撑车体；在车体和转向架之间装有主动控制的抗蛇行减振器；采用Z型拉杆牵引装置。2.2.1 轮对轮对是转向架和钢轨的直接接触部分，转向架就是由它直接向钢轨传递车辆重量。通过钢轨间的黏着产生牵引力和制动力，并通过轮对的转动实现车辆在钢轨上的走行和导向。轮对受载情况复杂而繁重，当车轮经过钢轨接头、道岔等线路不平顺处，轮对直接承受全部侧向和垂向的冲击。因而为了保证车辆高速安全运行，轮对必须具备足够的强度；在满足刚度和强度要求的前提下，使其重量尽量小，并具有一定弹性，以减小轮轨间的作用力；为保证转向架的使用寿命阻力小，耐磨性好；能在直线和曲线区段灵活运行，具有必要的抗脱轨安全性。轮对由一根车轴和两个车轮压装成一体。轮对分为动车转向架用和拖车转向架用。动车轮对由车轴、车轮（带有制动盘）、齿轮装置及轴承构成；拖车轮对由车轴、车轮（带有制动盘）、周制动盘以及轴承构成。（1）车轴轮对组成中，车轴分为动车轴和拖车轴。车轴为中空轴，中空直径30mm，总长为2180mm。材质为EA4T 。车轴设计标准为EN13260。动车轴由轴向轴承座、轮座、两个制动盘座，齿轮轴承座和轴身组成。拖车轴由轴箱轴承座、轮座、3个制动盘和轴身组成。（2）车轮车轮是车辆的最终受力零件。它把车辆的载荷传给钢轨，并在钢轨上转动，完成车辆运行。CRH380B型车车轮采用整体车轮，包括轮缘、踏面、轮辋、轮毂、轮毂孔、辐板、辐板孔等部分。车轮材质为R4T设计标准为EN132672。车轮内外侧均涂有吸音图层。车轮的几何参数为：表2-2 CRH380B车轮的主要参数新轮直径920mm车轮全磨耗动/拖860mm/830mm轮辋宽度135mm轮毂装配直径191mm轮毂宽度175mm2.2.2 轴箱轴箱装设在车轴的轴颈上，用来安设轴承，将轮对和侧梁或构架联系在一起，固定轴距，使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的直线或曲线运动；承受车体的重量，传递各方向的作用力；缓冲轴箱以上部分的振动。防止尘土、雨水等物侵入及甩油，从而避免破坏油脂的润滑。保证良好的润滑性能，减少磨耗，降低运行阻力。 轴箱装置是连接轮对与构架的活动关节，除了传递各个方向的力和振动外，轴箱必须保证轮对能够适应线路状况而相对于构架上下跳动和左右横动。 轴箱装置包括轴箱体、轴箱压盖、轴箱前盖、轴箱后盖、轴承组、橡胶弹性定位节点、轴温检测器及橡胶盖等部件。轴箱为铸造件，材质为球墨铸铁，采用EN-GJS-400-18-LT标准。轴箱采用圆锥滚动轴承轴箱，圆锥滚子轴承D130240160。轴箱装置如图2.1所示。1- 转臂；2-箍；3-防尘挡圈；4-轴承压盖； 5、6、7-螺栓、螺母、垫片 ；8、9-密封圈。 图2.1 轴箱装置2.2.3 一系弹簧悬挂装置安装在轮对与构架之间的弹簧悬挂装置称为一系弹簧悬挂装置，也成为轴箱悬挂装置。包括一个由内外弹簧组成的圆簧组弹簧装置、轴箱定位装置和垂向减震器。外圈弹簧的总圈数为4.9圈，工作圈数为3.2圈。内圈弹簧的总圈数为6.65圈，工作圈数为4.95圈。一系垂向减震器压缩高为334.5mm，拉伸高为502.5mm，行程162mm。、一系弹簧悬挂装置的作用是缓和钢轨对机车的冲击和振动，给各轴一定的重量分配并使所分配重量在车辆行径不平线路处不致发生显著变化。约束轴箱和转向架构架之间的纵横向运动和传递纵向力。一系弹簧悬挂装置应便于一系定位刚度的选择；零部件数量尽量减少，结构简单，便于检修作业中的分解和组装，便于实现轻量化；尽量减少磨耗，实现免维护。2.2.4 构架组成CRH380B转向架构架共有两种形式，分别是动力转向架和非动力转向架。两者主体结构基本相同，均采用H型焊接构架，中空箱型构件。强度依据UIC515-4和615-4计算。头车的转向架配备天线支座。构架包括两个平行设置的侧梁,两所述侧梁之间设置有两个平行设置的横梁,所述横梁与所述侧梁通过曲面连接座焊接在一起,两所述横梁之间固定连接两个平行设置的纵梁9。动力转向架上安装牵引电机架安装座和齿轮箱吊座等驱动装置，4个制动吊座分别安装在横梁内侧。非动力转向架的6个制动吊座则分别安装在横向止挡座的制动吊座横梁上。图2.2 非动力转向架构架图2.3 动力转向架构架侧梁向轮对传递垂向力、纵向力及横向力，规定轮对的位置，保证构架的刚度及各轴的平行度。它为5块钢板焊接而成的封闭箱体，分别为侧梁下盖板、侧梁上盖板和三块立板和空气弹簧导柱组成。套筒转臂定位座抗蛇形减震器吊耳空气弹簧导柱图2.4 横梁组成上下盖板为18mm的钢板，外侧立板采用14mm的钢板整体压型。内侧立板采用两块12mm的钢板拼接组成。侧梁上焊有抗蛇形减震器座、垂向减震器座、转臂定位座、吊耳、连杆座等。横梁为无缝钢管，中空直径为149.3mm,两端外径为190mm，中间外径为180mm。材质为S355J2H。横梁上焊有牵引拉杆座，起吊止挡座、横向止挡座。在动力转向架上焊有齿轮安装板，电机吊座，内外减震器座。非动力转向架则焊有轴盘制动吊座。2.2.5 二系中央悬挂装置二系悬挂装置由空气弹簧、抗蛇形减震器、横向减震器、横向缓冲器等组成。横向悬挂包括横向减震器和横向缓冲器。橡胶止挡用于通过其特性限制纵向的位移。保证加速和减速力的传递无冲击。高度调整水平阀和转向架构架之间的控制杆是用来调整轮对磨损带来的高度变化的。车辆水平阀调节车辆垂向位移至死挡高度约3mm，此时空气流通停止。这样就避免了空气的过度消耗。在死挡之后，空气流通增加保证悬挂系统的全功能。 二系悬挂采用空气弹簧。空气簧是转向架构架和车体之间的二级悬挂。空气簧的横向距离为1900mm。在压缩空气供应失效的情况下，车体座落在空气簧的应急支乘上。取决于不同的轨道质量，此时列车的旅行速度相应降低以保证合适的乘坐舒适度。一个大附加空气腔直接和空气簧上方相连，这个空气腔在转向架上方的枕梁里。空气悬挂为两点控制。每转向架带有一个水平阀。2.2.6 电机驱动装置 牵引电机安于悬挂的电机架上。电机架横向具有弹性。安全杆用于固定电机并防止其向轨道的垂向移动。安全杆插入转向架构架中心横梁和电机架的座中。为使齿轮装置可垂向移动，在牵引电机和齿轮装置中间有一弹性连接器。齿轮装置的一端在轴的滚动轴承中运动，另一端通过反力杆在转向架构架处悬挂。因此，约三分之二的齿轮质重量为簧下质量，三分之一的质量为一系悬挂质量（通过反力杆在转向架构架上的悬挂）。安全止挡主要作用是当反力杆损坏时防止齿轮装置掉到轨道上。 转向架连接的作用主要是限制车体相对转向架的纵向位移，限制车体的横向位移和在不卸开任何悬挂系统部件的情况下，转向架可与车体一同被吊起。为此，在二系和一系悬挂处安装安全吊起装置。二系和一系悬挂处的安全吊起装置可用简单常用的工具分离，使轮对和整个转向架移出。 图2.5 电机驱动装置2.2.7 基础制动装置与动力车轴和非动力车轴相对应，制动设备包括动力轴的轮盘制动盘和非动力轴的制动盘。动力转向架的制动盘直径为750mm，拖车转向架的制动盘直径为640mm。非动力转向架上安装轴装制动盘。每轴有3个制动盘。每轴安一个带弹簧作动器的制动夹钳，动力转向架采用轮盘制动，每个轮上安装轮盘制动盘。 除制动盘和车轮踏面之外裸露金属表面都应涂抹防锈油。2.2.8 其他 润滑脂、砂箱安装在车体上，砂通过软管送到转向架构架上的撒砂管。撒砂管主要通过电气进行加热。在每一司机室头车的外侧转向架上安装轮缘润滑装置。它的作用是通过调整以适应新轮和磨耗轮的喷嘴位置。此外转向架上还有转向架诊断装置、车轮防滑保护装置、自动过分感应接收器等。3 三维建模及虚拟装配3.1 三维建模3.1.1 solidworks软件介绍 Solidworks是美国solidworks公司推出的功能强大的三维机械设计软件系统，自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立了其市场地位，成为三维机械设计软件的标准，其应用范围涉及航空航天、汽车、机械、造船、通用机械、医疗机械和电子等诸多领域10。本文中主要通过solidworks 2013 对CRH380B转向架的零部进行三维建模。Solidworks为用户提供了一个完整的动态页面和鼠标拖动控制系统，最大程度的减少了多余的对话框，页面简单明了。其次，它含有特征模版，里面包含大量的标准件和标准模板，方便用户的调取与使用。同时他提供了autoCAD模拟器，用户可以通过autoCAD的二维制图习惯进行三维造型。Solidworks包含工程图、零件图、装配体，用户可以根据自己不同的需要，进行同一零件的二维到三维的转换。另外，用户也可以通过调整草图不同参数，方便快速的创造出相似的零件。Solidworks具有“牵一发而动全身”的特点，当你对某一零件进行改动时，那么相应的它的工程图、装配体都要进行相应的转换，方便用户对所有零件进行修正。图3.1 solidworks 2013 用户界面用solidworks进行三维造型，主要步骤就是通过对二维草图的进行特征处理，使之成为三维图形。具体步骤如下：首先要选取某一平面为草图平面，进行草图设计。草图绘制实体包括：直线、矩形、圆弧、圆、椭圆。在草图平面上绘制该零件在平面的投影图形。进行完尺寸标注后，退出草图平面。点击command manager 工具栏的特征选项，通过拉伸凸台、旋转凸台、拉伸切除等功能完成简单三维造型。再通过圆角等功能完成零件的细节处理，镜像、阵列等功能完成相同零件的排列。3.1.2 基本零件建模(1)车轮的建模过程车轮的建模步骤仿照车轮加工工艺过程。在车轮的加工过程中，先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面，然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔， 其中轮缘、踏面在喉部接刀。对应相应的加工过程，solidworks制作过程如图所示：1）拉轮坯。通过“拉伸凸台”命令，根据尺寸制作出所需圆柱体。如图3.2（a）所示。2）切左辐板。对应车轮加工过程中的加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面过程。建立草图后，通过“旋转切除”命令，切除轮坯的多余部分。如图3.2（b）所示。3）切右辐板。对应车轮加工过程中的加工外壳面、外辐板、轮缘、外辋面过程。与切左辐板建模过程一致。如图3.2（c）所示。4）拉轮毂孔。对应车轮加工过程中的加工轮毂孔。主要通过“拉伸切除”命令来完成。如图3.2（d）所示。5）旋踏面。对应车轮加工过程中踏面的加工。通过“旋转切除”命令来完成。如图3.2（e）所示。6）添加材料。选择所需车轮材料，点击应用。（a）拉轮坯 （b）切左辐板 （c）切右辐板 （d）拉轮毂孔 （e）旋踏面图3.2 车轮的造型过程（2）车轴的造型过程利用多刀机床进行车轴机械加工的工艺过程：第工序1是加工端面和中心孔；第2-3工序是粗加工车轴：第4工序加工各轮座面和各轴肩进行加工；第5工序加工车轴中部，第6工序修整两个顶尖孔，同时将轴端车到191士0.3mm；第7工序是粗磨车轴；第8工序是滚压抱轴瓦部分及与之相邻的轴肩表面。 车轮的制作过程：1） 因车轴是左右对称图形，所以只对一侧造型即可。根据车轴总体尺寸，拉出轴坯。如图3.3（a）所示。2） 切轴颈。如图3.3(b)所示。3） 依次切出防尘板座、轮座、轴身、制动盘座。如图3.3（c）所示。4） 切中心孔。如图3.3（d）所示。5） 倒圆角。选取command manager 工具栏的特征选项中“倒角”，选取相关交线，给定圆角半径值。如图3.3（e）所示。6） 选取command manager 工具栏的特征选项中“镜像”，选取中间制动盘座左平面为基准面，选择镜像实体选项，点击右侧实体。如图3.3（f）所示。7） 添加材料。选择所需车轮材料，点击应用，为实体添加材料。 （a）拉轴坯 （b）切轴颈（c）切防尘板座、轮座、轴身、制动盘座 （d）切中心孔 （f）镜像 （e） 倒圆角图3.3 车轴的制作过程（3）构架的制作构架为对称部件，仍选取只对其四分之一进行造型，之后分别进行两次镜像。如图3.4所示。图3.4 构架（4）弹簧的造型过程弹簧的制造加工过程为：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。在solidworks中弹簧的造型，采用“三段直线法”造型。造型过程为，按照弹簧尺寸，分别在三张草图中绘制三段首尾相接的直线，即滚子中心线。在绘制簧条圆。选择扫描特征，方式为按路径旋转。使簧条圆依次沿三段直线旋转扫描出上支撑圈、工作圈、下支撑圈。最后利用反侧拉伸切除特征磨平支撑圈。如图3.5所示。 （a）扫描下支撑圈 （b）扫描工作圈 （c）扫描上支撑圈 （d）磨平支撑圈图3.5 弹簧其他零件按照类似办法在solidworks软件中一次造型。3.2 虚拟装配在完成转向架的零部件造型后，分别进行轮对装配、轴箱装配、一系弹簧悬挂装置装配、牵引装置及总体装配。3.2.1 轮对轴箱装置的装配轮对主要由2个车轮、3个制动盘、1根车轴组成。目前国内大多数工厂采用以轮毂孔外端面定位压装车轴的轮对压装方法,根据相关工艺过程，在solidworks中进行轮对装配，如表3-1所示。 轮对如图3.6所示。表3-1 轮对的装配过程工艺过程装配过程划出车轴的全长中心线,并在车轴两端轴颈上套上防护套;然后将选配好的车轴轮座表面、制动盘座表面和车轮轮毂孔、制动盘轮毂孔内清扫干净,并均匀地涂抹纯净植物油;最后中心制动盘套装在车轴的一端。（1）将车轴插入装配体内，默认为“固定”。（2）依次插入两个车轴和三个制动盘。分别将它们的轮毂孔面和安装座面设置配合方式为同轴心。（3）依次将它们的前视基准面与车轴的前视基准面设置为重合。压装中间制动盘：通过专用对称尺划出的车轴全长中心线, 启动压力机进行压装。将中间制动盘的右视基准面与车轴的右视基准面设置为重合。压装:启动压力机进行压装。压装到位后(操作者目测判断),关机停压(若在压装过程中发现压力曲线不合格则立即停压),打开小车开关,将小车复位。将左侧制动盘的右视基准面与中间制动盘的右视基准面设置为平行，距离为430。调头压装:将小车旋转180,再按同样的过程压装另一侧的制动盘。将右侧制动盘的右视基准面与中间制动盘的右视基准面设置为平行，距离为430。按照同样的过程压装两侧的车轮。选择两车轮的内表面，设置为以车轮右视基准面为对称面对称，距离为1353。检测:车轮压装完成后,用专用尺仔细测量L和任意3处的距离差,并检查轮位差和压装力大小以及压力曲线是否合格。记录:对压装合格的轮对,按照铁辆19982号文之附件5中的F5、2、7条的规定完成有关数据的记录。对压装不合格的轮对,应及时退卸并分析原因,妥善处理后重新压装。图3.6 轮对轴箱装置由防尘挡圈、轴承、轴承压板、转臂、箍、密封圈、轴端压盖组成。在装配过程中将他们按照配合关系依次与轮对装配在一起，而不进行单独组装。主要配合关系为：防尘板座和车轮的配合、轴承与防尘板座的配合、轴承与轴承压板的配合、转臂与防尘板座的配合、转臂与箍的配合以及轴承压盖与转臂的配合。轮对轴箱装置如图3.7所示。图3.7 轮对轴箱装置3.2.2 一系弹簧悬挂装置的装配一系弹簧悬挂装置由圆簧组、叠层弹簧、弹簧垫板、调整垫、一系垂向减震器、支座、止挡销等组成。主要配合关系为叠层弹簧与转臂的配合，内外簧的配合及它们和叠层弹簧、调整垫的配合，止挡销和弹簧垫板的配合，一系垂向减震器和转臂的配合。一系弹簧悬挂装置的装配如图3.8所示：图3.8（a） 轮对轴箱装置、一系弹簧悬挂装置的装配图3.8（b） 轮对轴箱装置、一系弹簧悬挂装置的爆炸视图3.2.3 牵引装置的装配牵引装置由牵引梁、中心销套、连杆等组成。牵引装置的装配如图3.9所示图3.9（a）牵引装置 图3.9（b）牵引装置的爆炸视图 3.2.4 转向架整体装配转向架模型如图3.10所示图3.10 CRH380B转向架一系弹簧悬挂装置横向减震器构架轮对轴箱装置扭杆装配牵引装置二系中央悬挂装置图3.11 转向架爆炸视图4 强度分析4.1 有限元分析 在数学研究中，有限元法是一种为求解偏微分方程问题近似解的数值技术。如利用多边形无限逼近圆来求得圆的周长。有限元法的基本思想是“化整为零，积零为整”13。有限元分析是通过数学方法对真实的物理系统进行模拟，将复杂问题用简单问题代替求解。在求解过程中，将复杂的模型划分为一个个简单的有限元部分，每个有限元部分就会有一个通过简单方法可以得到的解，然后根据这个模型的多个约束条件，推导演算处这个模型的解。这个解虽然不是准确解，但误差极小。并且在实际生活中很多问题都是没有解的，所以这种方法在工程中得到很广泛的应用。有限元分析通常分为三个单元：前置处理，计算求解，后置处理。前置处理是建立有限元模型，设置属性，划分单元网格。计算求解就是从单元推倒到总装求解的过程。后置处理就是处理计算结果，得出图形或者动画，得出结论以便于用户对数据的提取和使用。目前国内主要使用的有限元分析软件为Ansys、ADINA、COSMSO、FEPG等。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD）软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS的组成如表4-1所示。表4-1 ANSYS的组成主要组成功能前处理模块实体建模、网格划分，方便用户构建有限元模型分析计算模块结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，模拟多种物理介质的相互作用。后处理模块将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS Workbench 是ANSYS 工程仿真技术集成平台，它是用ANSYS求解实际问题的新一代产品，ANSYS Workbench 中提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能，这种环境为CAD系统和CAE系统设计提供了全新的协同仿真环境平台，该平台实现了CAD-CAE参数双向互动，即CAD与CAE实现模型数据链接与共享，CAD修改设计参数，CAE参数做出相应的更改。134.2 CRH380B一系弹簧强度分析4.2.1 弹簧简介CRH380B所用外卷弹簧材料为60SiCrVAT，中径为239.6mm，簧条直径为39.4mm，工作圈数为3.2圈，总圈数为4.9圈，弹簧的自由高度为挠度为75mm。材料参数：弹性模量E=2.06105 MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3,屈服强度为2000兆帕，剪切和扭转许用应力为950兆帕。,4.2.2有限元分析过程及结果图4.1 弹簧的强度分析结果由图可知，弹簧的最大剪应力为610兆帕，小于60SiCrVAT的许用应力950兆帕。弹簧强度符合材料要求。我们知道在实际工作中，弹簧的破坏一般发生在弹簧内侧由图可知剪应力最大处发生在弹簧的内侧，与实际情况一致。 4.3 CRH380B动车组车轮强度分析4.3.1 工况分析车辆在运行过程中车轮主要受到轴向力和横向力。但由于运行工况的不同，车轮所受到的两种力的大小和车轮的受力位置是不相同的。由UIC 510-5规程中的公式计算各个工况的载荷值如下，总共分为三种工况，车轮的受力分析图如图4.2所示：工况一：直线运行 式（4.1）工况二：曲线运行 式（4.2）工况三：道岔运行 式（4.3）在上式中，Q是每个车轮作用在钢轨上的平均质量；g是重力加速度，取值为9.8m*s；Fz是垂向力；Fy是横向力11。图4.2 车轮踏面上的力和受力点4.3.2 过程计算每个车轮作用在钢轨上的平均质量=9009Kg;Q*g=88290N.经计算得出：工况一（直线运行的情况下）：FZ1 =110362.5N; FY1=0N。工况二（曲线运行的情况下）：FZ2=110362.5N; FY2=61803N。工矿三（道岔运行的情况下）：FZ3=110362.5N;FZ3=37081.8N。4.3.3 有限元分析将车轮三维模型带入 Ansys workbench ，分别对三种工况下的强度进行分析。工况一（直线运行的情况下）所得结果如图4.2所示。图4.3 车轮直线运行的强度分析通过有限元分析结果可知，在直线运行的情况下，车轮的最大应力为78.8MPa,远小于车轮材料的许用应力。按照日本标准，强度设计符合要求。最大应力出现在踏面与轮轨的接触面，因不考虑车轮的过盈配合，与实际情况相符。工况二（曲线运行的情况下）所得结果如图4.3所示。图4.4 车轮曲线运行的强度分析通过有限元分析结果可知 ，曲线运行的情况下，车轮的最大应力为198MPa，远小于日本标准中给出的许用应力355MPa。最大应力出现在车轮辐板与轮毂过渡区内侧圆弧上，与实际情况相符。工况三（道岔运行的情况下）所得结果如图4.4所示。图4.5 道岔运行情况下车轮的强度分析由有限元分析结果可知，道岔运行情况下，车轮的最大应力为128MPa, 远小于日本标准中给出的许用应力355MPa。最大应力出现在车轮辐板与轮毂过渡区外侧圆弧上，与实际情况相符。4.4 CRH380B动车组车轴强度分析4.4.1计算过程按照日本标准JIS-E-4501对车轴进行静强度分析。该标准如表4-2所示。表4-2日本标准中的动态载荷系数线路状态线路等级速度v/(km/h)垂向动荷系数v垂向动荷系数L改进的高速线SA2003500.0027v0.03+0.0006v高速线A1502800.0027v0.03+0.00085v改进的即有线A601600.0027v0.04+0.0012v600.160.11既有线B601300.0052v0.06+0.0018v600.310.17图4.6为标准中规定的车轴受力简图12。图4.6 日本车轴设计载荷图以下各式确定就算轮座部位车轴的弯曲应力： 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是轴颈中心到轮座端部的距离；d是车轴直径；g是车轮踏面间距；h是车轴中心线与重心位置的距离；j是轴颈间距；l是轮毂长度；r是车轮半径；Z是轮座处的抗弯截面模数；P是横向力；Q0是P引起的轴颈上的垂向力；R0是P引起的踏面上的垂向力；W是轴箱弹簧上的重量；M1、M2和M3分别是P、垂向加速度和横向力引起的踏面上的垂向力；v和L分别是垂向动荷系数和横向动荷系数；b、wb分别是轮座处车轴的工作应力和疲劳许用应力；n是疲劳安全系数。表4-3 CRH380B非动力车轴参数d(mm)r(mm)j(mm)g(mm)h(mm)l(mm)a(mm)191460200015001370175165.5表4-4 CRH380B非动力车轴载荷计算结果vLP(KN)Q0(KN)RO(KN)W(KN)1.0260.25843.830.053.9170表4-5 CRH380B非动力车轴轮座处应力计算结果M1(KN)M2(KN)M3(KN)b (Mpa)n2125021802.525480.266.72.24.4.2 有限元分析将solidworks中建立的车轴模型带入 ansys workbench ，在轮座处施加载荷，一端载荷为200.04KN,另一端为139.96KN。强度分析结果如图所示：图4.7 车轴的强度分析由图4.6可知，拖车车轴的最大应力为59.1兆帕，出现在轮
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