CRH3型動車組裙板掛鉤故障分析及改進措施

李福祿，姜樹學

（唐山軌道客車有限責任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

CRH3型動車組裙板掛鉤故障分析及改進措施

李福祿，姜樹學

（唐山軌道客車有限責任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

CRH3型動車組在武廣客運專線運營已3年有余，隨著高速動車組運行里程的增長，持續(xù)運營時間的增加，線路工況復雜程度的增大，車外部件承受著越來越嚴峻的載荷，一些部件結(jié)構(gòu)的薄弱點逐漸暴露出來。同時由于維護工作存在一些不恰當?shù)牟僮?，造成了部分部件的損壞。以CRH3型動車組裙板安全掛鉤為例，對在運營、維護中出現(xiàn)的斷裂故障進行了描述和原因分析，根據(jù)有限元分析計算結(jié)果制定了結(jié)構(gòu)改進措施和維護建議。

強度分析；動車組；安全掛鉤

國內(nèi)已開通的武廣客運專線，氣候條件差異大，橋梁、隧道眾多，列車要持續(xù)高速運營上千公里，車下設(shè)備承受空氣壓力、輪軌相互作用以及車下設(shè)備的工作自激振動等因素引起的復雜交變載荷，且時常發(fā)生石頭、冰塊或其他物體與車下設(shè)備發(fā)生高速打擊的意外情況，嚴重危及高速列車的運用安全。徐煉等［1］系統(tǒng)研究了高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并首次實測出武廣線的氣動載荷數(shù)值和規(guī)律，本文結(jié)合復雜載荷條件下仿真計算分析，提出一種將裙板安全掛鉤優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

1 故障描述

CRH3型動車組車下設(shè)備均集成到有足夠強度的自身框架上，再通過彈性吊裝座與車體底架通過螺栓連接。設(shè)備框架上部安裝固定裙板安裝座，安裝座又通過裙板鎖與裙板上部連接；設(shè)備框架下部通過安裝角碼先于底部橫梁通過螺栓連接，再由底部橫梁的折頁結(jié)構(gòu)與裙板下部連接，實現(xiàn)裙板在車下設(shè)備的固結(jié)。

裙板安全掛鉤是在安裝裙板過程中的一個工藝件，在松開裙板時起到防止裙板落下砸傷的作用，也可在安裝維護過程中提供裙板的臨時懸掛位置，減少對裙板鎖的多次緊固等操作程序。在調(diào)試階段和檢修階段都不可缺少。如圖1所示。

截止2011年已更換故障裙板掛鉤40余次。故障現(xiàn)象為掛鉤與車體連接部位裂紋，如圖2所示。根據(jù)售后反饋的車輛統(tǒng)計，更換平均走行公里數(shù)為860 015.43 km。

其中，制動閥板處裙板掛鉤的故障率最高，占比54%；風管截斷閥處次之，占比25%。而制動閥板處的裙板每次換閘片需開啟，使用的頻率也較其他的裙板高，說明裙板掛鉤故障跟裙板的使用頻率有關(guān)系。

2 原因分析

從制動閥板處裙板掛鉤的故障率最高，風管截斷閥處次之統(tǒng)計分析可以看出，裙板頻繁開啟部位的掛鉤易發(fā)生裂紋。造成掛鉤裂紋的原因與關(guān)閉過程中多次撞擊掛鉤有直接關(guān)系。如圖3所示，在裙板關(guān)閉時，裙板上的限位桿，首先與掛鉤的底部接觸，此時如未事先將裙板掛鉤手動抬起（掛鉤不會因發(fā)生接觸而自動或順勢抬起），裙板上的限位桿會直接撞擊掛鉤，超出鋁制掛鉤的彈性變形區(qū)而發(fā)生開裂。

針對此碰撞，建模后進行了有限元分析計算［2］，材料特性見表1。計算結(jié)果表明裙板在關(guān)閉時如果施加了除克服裙板自身重力之外的110 N的載荷（相當于僅11 kgf的力），掛鉤的支座根部就已達到了材質(zhì)的屈服極限，而發(fā)生塑性變形，甚至開裂，應力云圖如圖4所示，仿真計算撞擊裙板掛鉤工況下應力最大位置和開裂位置相吻合［4］。

經(jīng)現(xiàn)場模擬，用力將裙板關(guān)閉，對掛鉤實施碰撞時，掛鉤支座確實發(fā)生變形，并影響到裙板正常關(guān)閉。

3 優(yōu)化措施及效果驗證

3.1 明確操作規(guī)程

針對裙板在操作過程中存在的撞擊風險，補充細化了開、關(guān)裙板的操作規(guī)程，規(guī)定關(guān)閉裙板必須手動抬起安全掛鉤，避免人為撞擊造成損壞。

圖5為裙板關(guān)閉過程示意圖，階段2到階段3的過程需手動將掛鉤抬起。

3.2 明確關(guān)鍵公差尺寸

針對裙板氣動載荷進行了模擬仿真計算，計算結(jié)果表明在裙板鎖鎖閉情況下，裙板受到6 kPa載荷的情況下，掛鉤位置附近裙板最大變形為1.528 mm，圖6為裙板模塊整體位移云圖，圖7為裙板在安全掛鉤處的位移云圖。經(jīng)過武廣線的氣動載荷線路測試結(jié)果表明列車在最惡劣工況下，即隧道內(nèi)以300 km/h以上的速度交匯時的裙板表面氣動載荷壓力差不到2 k Pa［1］。

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合三維設(shè)計理論數(shù)值最小3 mm，規(guī)定了裙板掛鉤與裙板之間的最小間隙2 mm。

3.3 優(yōu)化掛鉤結(jié)構(gòu)

針對掛鉤承受撞擊能力不足的問題，優(yōu)化掛鉤結(jié)構(gòu)，提高掛鉤的強度。

（1）增大掛鉤支座與底架邊梁的接觸面積；

（2）將掛鉤支座與邊梁的安裝孔由開口U型孔改成封閉式長圓孔；

（3）將掛鉤支座材質(zhì)由鋁合金改為不銹鋼，厚度增加到4 mm；

（4）重新設(shè)計掛鉤支座結(jié)構(gòu)，由分體式改為整體式，根據(jù)受力情況調(diào)整結(jié)構(gòu)。

改進后的掛鉤如圖8所示。通過模擬仿真計算，優(yōu)化后的掛鉤方案在施加784 N的載荷時，掛鉤的根部最大應力為209.9 MPa，達到材料的屈服極限210 MPa，抗撞擊能力提高700%，應力云圖見圖9?？捎行Х乐谷拱逶陂_閉過程中，因誤操作對掛鉤撞擊造成的開裂。

3.4 效果驗證

對經(jīng)過上述改進后的CRH3型動車組進行跟蹤統(tǒng)計，在3個月的運營考核期內(nèi)，沒有再發(fā)生一起安全掛鉤裂紋事故。

4 結(jié)束語

借助于ANSYS有限元分析軟件，通過對動車組車下裙板安全掛鉤進行強度分析和校核，基本得出了掛鉤開裂故障的原因及其掛鉤整體的應力水平及其安全余量，對掛鉤結(jié)構(gòu)的改進優(yōu)化具有一定的指導意義。而對于車下部件而言，由于動車組高速運行過程中，設(shè)備承受振動、沖擊、氣動壓力等交變載荷，其工況更加復雜惡劣。因此，整個結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性更是至關(guān)重要［5］，尤其是吊裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［6］。這些問題有待在今后工作中進一步探索和研究。

［1］ 徐煉，馬紀軍，范樂天，等.高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法［J］.大連交通大學學報2012.333（5）：11-13，37.

［2］ 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［4］ EN 12663：2000《鐵道應用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》.

［5］ 徐鳳妹，勞世定.客車車下設(shè)備吊掛方式的研究［J］.鐵道車輛，2009.47（4）：12-14，38.

［6］ 李曉峰，謝素明，時慧焯，兆文忠.車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法研究［J］.中國鐵道科學，2007，28（3）：74-78.

Cause Analysis and Improvement of Safety Hook for CRH3EMU

LI Fulu，JIANG Shuxue
（Manufacture Technology Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

CRH3EMUs have been operated more than 3 years in Wuhan-Guangzhou passenger line.With the increase of running mileage，sustained operation time and line condition complexity，the exterior components have suffered increasingly severe load，and the structure of some components has gradually exposed weak points.At the same time，some components are damaged due to the improper operation of maintenance work.Taking the skirt-board safety hook of CRH3EMU as example，this paper describes the rupture faults during operation and maintenance，analyzes the fault reason，and formulates the structure improvement measures and maintenance proposal according to the calculation results of finite-element analysis.

strength analysis；EMU；safety hook

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.19

1008－7842（2014）05－0074－03

3—）男，工程師（

2014－02－16）