基于ANSYS的CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架測點分析

于 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司,長春 130062)

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基于ANSYS的CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架測點分析

于 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司,長春 130062)

為解決CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動態(tài)檢修過程中有限測試點和無限測試范圍之間的矛盾,以CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象,依據(jù)UIC615-4-2003標準得到CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架超載工況載荷,利用ANSYS仿真軟件對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架建模和仿真分析.仿真結(jié)果表明:該車CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在機械性能方面滿足設(shè)計要求,應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位是空氣彈簧座肋板、側(cè)梁彎角和部分支座處.結(jié)合ANSYS仿真結(jié)果和實際運營經(jīng)驗提出應(yīng)力測試點布點原則,選取長期跟蹤試驗測試點,實現(xiàn)以有限的測試點對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)力進行動態(tài)監(jiān)測的目的.

CRH5; 轉(zhuǎn)向架; ANSYS; 有限測試點; 動態(tài)檢修

隨著我國“高鐵走出去”“一帶一路”國家級頂層戰(zhàn)略的提出,我國高速鐵路飛速發(fā)展[1].與此同時,列車運營里程增長和速度增加,對列車的安全性能提出了更高的要求,保障列車運行安全成為亟待解決的問題[2].因此在列車運行過程中采用相應(yīng)信息化檢修作業(yè),實現(xiàn)列車動態(tài)檢修,及時發(fā)現(xiàn)列車故障,對我國高速鐵路的發(fā)展具有重要意義[3].

關(guān)鍵零部件失效是高速列車出現(xiàn)事故的主要原因之一[4].和諧號CRH5型電動車組關(guān)鍵零部件包括車體、轉(zhuǎn)向架、懸掛系統(tǒng)、車軸和車輪及其踏面等[4].CRH5轉(zhuǎn)向架位于車體與軌道之間,主要用來引導(dǎo)車輛沿鋼軌行駛并且承受來自車體和線路的各種載荷,是保證CRH5運行品質(zhì)的關(guān)鍵部件之一.長期對其進行跟蹤并獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力的時間歷程,對軌道車輛轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的研制生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、理論研究、質(zhì)量控制和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期具有重大意義[5].但CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不可能對其所有位置粘貼應(yīng)變片進行應(yīng)力測試,因此找出CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架容易破壞位置,實現(xiàn)以有限測點對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架重點部位的布點測試,解決CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在進行動態(tài)檢修的過程中測試點有限和測試范圍無限的矛盾,此具有重要意義.

本文以CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象,為解決CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動態(tài)檢修過程中測試點有限和測試范圍無限之間的矛盾,基于ANSYS仿真軟件對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行建模和仿真,結(jié)合仿真結(jié)果和實際運營經(jīng)驗,得出CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強度測試點位置.

1 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型

1.1 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)

CRH5動車組采用“五動三拖”形式,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架分為動車構(gòu)架和拖車構(gòu)架兩種.CRH5動車構(gòu)架和拖車構(gòu)架主要不同是動車構(gòu)架上有齒輪箱.CRH5動車構(gòu)架工作環(huán)境復(fù)雜易產(chǎn)生破壞,因此在CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動態(tài)檢修過程中主要監(jiān)測CRH5動車構(gòu)架應(yīng)力.CRH5動車構(gòu)架由兩根側(cè)梁、動力橫梁、非動力橫梁焊接而成的“H”型箱型結(jié)構(gòu)及其相關(guān)定位安裝座組成,如圖1所示.CRH5動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板材料為S355J2G3型的高強度鋼板,其彈性模量為0.206 MPa,泊松比0.3.

1.制動橫梁座;2.橫梁垂向減震器座;3.空氣彈簧座;4.橫向止擋座;5.抗側(cè)滾扭桿座;6.一位端側(cè)梁;7.軸箱定位座;8.非動力橫梁;9.盤形制動吊座;10.二位端側(cè)梁;11.抗蛇形減震器座;12.一系減震器座;13.齒輪箱吊座;14.動力橫梁;15.垂向止擋座

圖1 CRH5動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架簡圖

Fig.1 CRH5 train bogie frame diagram

1.2 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元模型

依據(jù)CRH5動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計圖紙上的基本參數(shù),利用SolidWorks采用自底向上的設(shè)計方法對其進行三維實體建模.選取Solid187實體單元,對CRH5動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的幾何模型進行網(wǎng)格劃分.整個模型被離散為251 109個單元,592 426個節(jié)點,建立的CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示.

1.3 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架受力分析和邊界條件

依據(jù)UIC615-4-2003標準,CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的超常載荷工況主要是轉(zhuǎn)向架運行時的超常載荷工況和轉(zhuǎn)向架縱向5g加速度超常載荷工況兩種.

超常工況1:轉(zhuǎn)向架運行產(chǎn)生的超常載荷,如圖3所示.

轉(zhuǎn)向架的一位端側(cè)梁空氣彈簧座上超常垂向負載Fz1max,轉(zhuǎn)向架的二位端側(cè)梁空氣彈簧座上超常垂向負載Fz2max:

圖2 CRH5動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元網(wǎng)格模型Fig.2 CRH5 train bogie frame mesh generation of the model

圖3 CRH5動車轉(zhuǎn)向架運行超載加載示意圖Fig.3 CRH5 train bogie frame overloaded load diagram

(1)

式中:g為重力加速度;nb為每個車廂轉(zhuǎn)向架數(shù)目;m+為轉(zhuǎn)向架自重;c1為乘客和貨物總質(zhì)量;mv為不同運營級別的車輛自重.

每側(cè)構(gòu)架的橫向止檔座和二系空氣彈簧座上總的橫向載荷Fymax:

(2)

式中:ne為每個轉(zhuǎn)向架輪對數(shù)目.

橫向止檔座橫向載荷Fyb:

(3)

式中:Fya為單個空氣彈簧座橫向載荷.

超常扭曲載荷Fcmax:

(4)

式中:ld為轉(zhuǎn)向架軸距.

超常工況2:轉(zhuǎn)向架5g縱向加速度引起的超常載荷,如圖4所示.

圖4 CRH5動車轉(zhuǎn)向架5g超載加載示意圖Fig.4 CRH5 train bogie frame 5g overloaded load diagram

轉(zhuǎn)向架動力軸牽引拉桿座牽引力Fx1max,轉(zhuǎn)向架非動力軸牽引拉桿座牽引力Fx2max:

(5)

式中:md為動力軸質(zhì)量;mf為非動力軸質(zhì)量;m1為一系彈性懸掛質(zhì)量.

CRH5動車轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)見表1.采用剛度不同的彈簧單元模擬軸箱彈簧、定位轉(zhuǎn)臂、彈簧托板等實際約束,邊界條件示意圖如圖5所示.

表1 懸掛參數(shù)

圖5 CRH5動車轉(zhuǎn)向架邊界條件示意圖Fig.5 CRH5 train bogie frame boundary conditions diagram

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的仿真結(jié)果和分析

利用ANSYS對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在兩種不同超常工況下的靜強度分析,可以得到CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架運行時對應(yīng)的超常載荷的整體應(yīng)力分布狀況,如圖6,7所示.

由圖中可得,CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超載工況下,母材產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力為221 MPa,位于一位端側(cè)梁上蓋板彎角處(內(nèi)側(cè)),小于最大許用應(yīng)力355 MPa;焊縫區(qū)最大靜應(yīng)力為174 MPa,位于一位端側(cè)梁下蓋板彎角處(內(nèi)側(cè)),小于最大許用應(yīng)力320 MPa.CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在5g縱向加速度工況下,母材最大靜應(yīng)力為172 MPa,位于一位端側(cè)梁上蓋板彎角處(外側(cè)),小于最大許用應(yīng)力355 MPa;焊縫區(qū)最大靜應(yīng)力113 MPa,位于一位端側(cè)梁下蓋板中間處(外側(cè)),小于最大許用應(yīng)力320 MPa.CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在超載工況和5g縱向加速度工況下,母材和焊縫區(qū)的應(yīng)力均沒有超過材料的許用應(yīng)力,滿足設(shè)計要求.

圖6 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架運行時超常載荷應(yīng)力云圖Fig.6 Stress of CRH5 train bogie frame overloaded load

3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度測試點位置

在CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的實際運行過程中,CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸大和受力情況復(fù)雜.在CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上粘貼有限的測試點對其重點部位的應(yīng)力進行監(jiān)測,能夠在不妨礙CRH5動車組正常運營和節(jié)約成本的條件下保證長期跟蹤試驗系統(tǒng),獲得CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力-時間歷程.為此需要測試點能夠準確布置在CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架容易出現(xiàn)裂紋并導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生破壞的部位.基于實際工作中的經(jīng)驗和有限元仿真結(jié)果,測試點主要分布在以下4個位置:

圖7 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架5g縱向加速度應(yīng)力云圖Fig.7 Stress of CRH5 train bogie frame 5goverloaded load

(1) 有限元仿真中母材靜應(yīng)力較大的部位.

(2) 有限元仿真中焊接處靜應(yīng)力較大的部位.兩個分離的部件焊接方法連接容易焊接不牢,同時長期的振動進一步造成焊縫處出現(xiàn)疲勞裂紋.

(3) 振動劇烈部位.部分位置其靜應(yīng)力處于一般水平,但在列車運行過程中產(chǎn)生的振動使其承受較大動應(yīng)力,在較大動應(yīng)力情況下易出現(xiàn)疲勞破壞.

(4) 實際運營中曾出現(xiàn)過疲勞裂紋或者破壞的部位.

綜合以上各個因素,在進行CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動應(yīng)力長期跟蹤試驗時,主要在一位端側(cè)梁彎角、空氣彈簧座附近、牽引拉桿座和動力梁抗側(cè)滾扭桿座連接處重點布置測試點,如圖8所示.圖8中:GJ001為一位端側(cè)梁下蓋板彎曲焊接處;GJ002為一位端側(cè)梁與空氣彈簧座焊接處;GJ003為一位端側(cè)梁橫向止擋座彎曲處;GJ004為一位端側(cè)梁空氣彈簧座肋板;GJ005為一位端側(cè)梁蓋板彎曲處(內(nèi)側(cè));GJ006為一位端側(cè)梁上蓋板彎曲處(外側(cè));GJ007為一位端側(cè)梁蓋板彎曲處焊接處;GJ008,GJ009為非動力橫梁牽引拉桿座連接處;GJ010,GJ011為動力梁抗側(cè)滾扭桿座連接處;GJ012為一位端側(cè)梁下蓋板中部斜面焊接處;GJ013為一位端側(cè)梁下蓋板中部焊接處;GJ014為一位端側(cè)梁下蓋板中間;GJ015為一位端側(cè)梁下蓋板焊接處.

圖8 CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度測試點分布圖Fig.8 Test points distribution of CRH5 train bogie frame

4 結(jié)論

為解決有限測試點和無限測試范圍之間的矛盾,實現(xiàn)以有限測試點對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行長期跟蹤的試驗?zāi)康?

(1) 基于ANSYS建立了CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型,分析了CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在2種超常工況下的應(yīng)力情況,確定了CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位是空氣彈簧座肋板、側(cè)梁彎角和部分支座處.

(2) 對CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的有限元分析結(jié)果表明:CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有足夠的剛性和強度承載整個列車,在機械性能方面滿足設(shè)計要求.

(3) 依據(jù)CRH5轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架計算分析結(jié)果,確定了CRH5轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度應(yīng)力測試貼片的位置,為CRH5動車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵部位進行應(yīng)力長期跟蹤試驗提供了參考.

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ANSYS-based testing point analysis on CRH5 bogie frame

YU Chuang

(Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062,Jilin,China)

In order to resolve the conflicts between limited testing points and unlimited desired testing scopes of CRH5 bogie frame for dynamic maintenance, the static performance under overloading conditions is analyzed via ANSYSTMbased on UIC615-4-2003 standards. Accordingly, it is shown from simulation results that the vehicle meets the design requirements in terms of mechanical properties, whereas the key parts with the stress concentration are air spring floor, side beam angle and partial pedestal. By combining simulation results with actual situations, the stress distributions, together with long-term tracked testing points, can be applied for dynamic monitoring on limited testing points.

CRH5; bogie; ANSYS; limited testing points; dynamic maintenance

于 闖,(1984-),男,工程師.E-mail:cccar_yuchuang@163.com

U 266

A

1672-5581(2017)01-0057-05