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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)
動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架三維實(shí)體仿真設(shè)計(jì)
學(xué)科、專(zhuān)業(yè) ：
學(xué) 號(hào) ：
作 者 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
摘 要
隨著中國(guó)高速鐵路的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩絹?lái)越受到人們的關(guān)注。轉(zhuǎn)向架則是保證高速動(dòng)車(chē)組平穩(wěn)、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。它是車(chē)輛的重要組成部分之一，所以它的可靠性影響整個(gè)列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。這就需要對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析了解，掌握轉(zhuǎn)向架零件的實(shí)體造型方法和虛擬裝配方法。
本文主要在對(duì)CRH380B動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，了解轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)及其主要功能。完成了轉(zhuǎn)向架的主要零部件的三維實(shí)體模型及虛擬裝配，掌握三維實(shí)體仿真設(shè)計(jì)在鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。
1、以SolidWorks為基礎(chǔ)，建立轉(zhuǎn)向架零件三維實(shí)體模型并進(jìn)行虛擬裝配。
2、運(yùn)用有限元軟件ANSYS WORKBENCH對(duì)車(chē)輪、車(chē)軸進(jìn)行有限元分析，依據(jù)JIS-E-4501標(biāo)準(zhǔn)車(chē)軸靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)UIC 510-5 標(biāo)準(zhǔn)表明車(chē)輪靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3、對(duì)一系彈簧懸掛裝置的外簧進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，結(jié)果表明其靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；CAD；靜強(qiáng)度；有限元
- I -
ABSTRACT
With 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 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 2
1.1課題研究的背景和意義 2
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3 本論文主要研究?jī)?nèi)容及研究方法 5
2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析 6
2.1 轉(zhuǎn)向架概要 6
2.1.1 轉(zhuǎn)向架的作用及技術(shù)要求 6
2.1.2 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.2 轉(zhuǎn)向架的組成 8
2.2.1 輪對(duì) 8
2.2.2 軸箱 9
2.2.3 一系彈簧懸掛裝置 10
2.2.4 構(gòu)架組成 10
2.2.5 二系中央懸掛裝置 12
2.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置 12
2.2.7 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置 13
2.2.8 其他 13
3 三維建模及虛擬裝配 14
3.1 三維建模 14
3.1.1 solidworks軟件介紹 14
3.1.2 基本零件建模 15
3.2 虛擬裝配 19
3.2.1 輪對(duì)軸箱裝置的裝配 19
3.2.2 一系彈簧懸掛裝置的裝配 21
3.2.3 牽引裝置的裝配 22
3.2.4 轉(zhuǎn)向架整體裝配 23
4 強(qiáng)度分析 25
4.1 有限元分析 25
4.2 CRH380B一系彈簧強(qiáng)度分析 26
4.2.1 彈簧簡(jiǎn)介 26
4.2.2有限元分析過(guò)程及結(jié)果 26
4.3 CRH380B動(dòng)車(chē)組車(chē)輪強(qiáng)度分析 26
4.3.1 工況分析 26
4.3.2 過(guò)程計(jì)算 27
4.3.3 有限元分析 27
4.4 CRH380B動(dòng)車(chē)組車(chē)軸強(qiáng)度分析 29
4.4.1計(jì)算過(guò)程 29
4.4.2 有限元分析 31
結(jié) 論 32
致 謝 33
參 考 文 獻(xiàn) 34
1 緒論
1.1課題研究的背景和意義
中國(guó)地域廣大、人口眾多，交通運(yùn)輸對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提高，出行方式的選擇越來(lái)越多樣化。鐵路因其安全舒適等優(yōu)點(diǎn)而成為人們的首要選擇。早先的鐵路根本無(wú)法滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，國(guó)家的多條鐵路出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)作，春運(yùn)、鐵路一票難求等社會(huì)性問(wèn)題的出現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國(guó)人急切希望改善這種不良局面，于是中國(guó)高速鐵路應(yīng)運(yùn)而生。
隨著我國(guó)第六次全國(guó)鐵路大面積提速的成功實(shí)施，CRH高速動(dòng)車(chē)組出現(xiàn)在人們的視線(xiàn)之中，并且在既有線(xiàn)路上實(shí)現(xiàn)了最高時(shí)速300Km/h的高速運(yùn)營(yíng)，我國(guó)鐵路一舉進(jìn)入高鐵時(shí)代。
2008年8月以來(lái)，京津、武廣、鄭西、滬寧等一批新建世界一流的時(shí)速350公里高速鐵路相繼投入運(yùn)營(yíng)，大面積、高密度開(kāi)行“和諧號(hào)”高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)，標(biāo)志著我國(guó)鐵路已走在世界高鐵發(fā)展的前列[1]。
2010年12月3日上午11時(shí)28分，由中國(guó)南車(chē)集團(tuán)研制的“和諧號(hào)”380A新一代高速動(dòng)車(chē)組在在京滬高鐵棗莊至蚌埠間的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)中，最高速度達(dá)到486.1Km/h，刷新了當(dāng)時(shí)的歷史記錄[2]。2011年1月9日中國(guó)北車(chē)集團(tuán)自主研制創(chuàng)新的新一代和諧號(hào)380BL動(dòng)車(chē)組在京滬高鐵先導(dǎo)段運(yùn)行試驗(yàn)中創(chuàng)造了487.3Km/h的世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)最高速。
目前，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)超過(guò)1.6萬(wàn)里，共有13個(gè)鐵路局開(kāi)行了動(dòng)車(chē)組列車(chē)，共建立9個(gè)動(dòng)車(chē)段，39個(gè)動(dòng)車(chē)運(yùn)用所。中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程、動(dòng)車(chē)組保有量均占世界總量一半以上?，F(xiàn)在的中國(guó)鐵路已步入世界高速鐵路先列，正以高速、安全、創(chuàng)新的新姿態(tài)引領(lǐng)世界高速鐵路發(fā)展潮流?，F(xiàn)在，高速鐵路以其安全性好、速度快、正點(diǎn)率高、能耗低、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)成為人們出行不可或缺的一部分。
隨著列車(chē)速度的不斷提高，要求列車(chē)各個(gè)方面的性能的要求越來(lái)越高。轉(zhuǎn)向架在整個(gè)車(chē)輛中扮演重要角色，它在維持車(chē)輛平穩(wěn)安全運(yùn)行方面起著重要作用。在現(xiàn)有商業(yè)運(yùn)營(yíng)的世界各國(guó)高速列車(chē)中，1998年6月4日德國(guó)第一代ICE高速列車(chē)客車(chē)轉(zhuǎn)向架彈性車(chē)輪的輪箍在鐵路橋上發(fā)生疲勞斷裂，給德國(guó)的鐵路運(yùn)輸業(yè)造成巨大損失，也在世界各國(guó)引起巨大震動(dòng)。 7.23追尾事故，給我國(guó)車(chē)輛制造產(chǎn)業(yè)及鐵路運(yùn)輸帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2015年5月13日，美國(guó)一列從華盛頓開(kāi)往紐約的列車(chē)在費(fèi)城附近脫軌，造成五人死亡，十?dāng)?shù)人重傷，給美國(guó)人們帶來(lái)極大的精神恐慌。鐵路運(yùn)輸安全越來(lái)越受到人們的重視。 輪對(duì)直接傳遞輪軌作用力，控制車(chē)輛運(yùn)行等方面起著重要作用。在高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛中，輪軸損傷是主要的失效形式。因而動(dòng)車(chē)組運(yùn)行對(duì)車(chē)輪車(chē)軸的要求特別高。所以研究符合我國(guó)實(shí)際情況的車(chē)輪車(chē)軸的強(qiáng)度分析，在現(xiàn)在這個(gè)車(chē)輪車(chē)軸不能完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的情況下是十分具有研究意義的。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在世界高速鐵路飛速發(fā)展的幾十年里，國(guó)外高速相繼形成了“日本新干線(xiàn)”、“法國(guó)TGV”、“德國(guó)ICE”三大高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)體系。在自身技術(shù)基礎(chǔ)上，各國(guó)從本國(guó)實(shí)際出發(fā)，不斷改進(jìn)列車(chē)性能，研發(fā)新技術(shù)，為世界高速鐵路的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。
早在1987年時(shí)任國(guó)家副總理的鄧小平訪(fǎng)問(wèn)日本時(shí)專(zhuān)程乘坐了日本新干線(xiàn)列車(chē)，對(duì)其給予高度的評(píng)價(jià)，自此日本新干線(xiàn)列車(chē)進(jìn)入國(guó)人的視線(xiàn)。
20世紀(jì)60年代，“東海道新干線(xiàn)”在日本投入運(yùn)營(yíng)，這是世界上第一條高速鐵路。20世紀(jì)80年代后期，日本國(guó)鐵民營(yíng)化之后，新干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增加，人們對(duì)旅行舒適度，列車(chē)運(yùn)行速度的要求越來(lái)越高，日本在0系、100系、200系的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了300系動(dòng)車(chē)組。隨著技術(shù)研究的不斷加深，又出現(xiàn)了500系用WDT9101/9102/9103型20余種轉(zhuǎn)向架，他們實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)鋁合金軸箱、輕量化焊接結(jié)構(gòu)、空心車(chē)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)各部件最大限度的輕量化。隨后，日本又研究了超輕量的500系、700系動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架，它們通過(guò)改善空氣彈簧、橫向減震器等新技術(shù)，降低車(chē)廂噪音，提高舒適度和環(huán)境適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)了較高的性?xún)r(jià)比。日本高速鐵路長(zhǎng)期采用動(dòng)力分散式動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架，軸重小，安全性能好。在長(zhǎng)期發(fā)展中新干線(xiàn)列車(chē)在電功率方面、空氣動(dòng)力學(xué)特性、轉(zhuǎn)向架等機(jī)械部分的輕量化取得了顯著進(jìn)步。
歐洲在早期研究中采用動(dòng)力集中式轉(zhuǎn)向架。上世紀(jì)70年代，法國(guó)鐵路公司SNCF開(kāi)始進(jìn)行高速鐵路的研究，終于在1981年，TGV高速列車(chē)在巴黎至里昂區(qū)間段實(shí)現(xiàn)200Km/h的運(yùn)行，開(kāi)啟了歐洲高速鐵路的新篇章。隨后，德國(guó)、瑞典、西班牙等國(guó)家也相繼出現(xiàn)了高速鐵路。
1990年5月，法國(guó)大西洋干線(xiàn)開(kāi)通，所使用的TGV-A號(hào)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度達(dá)到300Km/h，值得一提的是TGV-A325號(hào)試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到515.3Km/h，創(chuàng)造歷史記錄。之后，地中海高速線(xiàn)投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)行時(shí)速達(dá)到350Km/h。2007年4月3日，AGV-V150以時(shí)速574.8Km在東部行駛，打破了17年前由TGV-A創(chuàng)造的時(shí)速515.3的世界紀(jì)錄[3]。受到日本新干線(xiàn)動(dòng)車(chē)組的啟迪，法國(guó)近些年來(lái)開(kāi)始研究動(dòng)力分散式動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架取得了巨大進(jìn)步。
由于原德國(guó)聯(lián)邦政府沒(méi)有意識(shí)到高速鐵路的重要性，德國(guó)高速鐵路出現(xiàn)晚于歐洲其他國(guó)家，但這并不影響德國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展。20世紀(jì)90年代德國(guó)第一代高速鐵路動(dòng)車(chē)組ICE-1投入運(yùn)行。它借鑒日本新干線(xiàn)列車(chē)，成為歐洲第一代氣密性列車(chē)。以不污染環(huán)境，快捷便利為突出優(yōu)點(diǎn)。1992年德國(guó)統(tǒng)一之后，鐵路重新編組，建成以柏林為中心的鐵路網(wǎng)絡(luò)。隨后經(jīng)過(guò)改進(jìn)的推挽式ICE-2、電動(dòng)車(chē)組式ICE-3相繼出現(xiàn)在大家視野。
2004年4月1日，國(guó)務(wù)院召開(kāi)會(huì)議專(zhuān)題研究鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備有關(guān)問(wèn)題，形成《研究鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備有關(guān)問(wèn)題的會(huì)議紀(jì)要》，明確了“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)、打造中國(guó)品牌”基本原則，確定重點(diǎn)扶持國(guó)內(nèi)幾家機(jī)車(chē)車(chē)輛制造企業(yè)、引進(jìn)少量原裝、國(guó)內(nèi)散件組裝和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的項(xiàng)目運(yùn)作模式[4]。開(kāi)啟中國(guó)高速列車(chē)發(fā)展的新篇章。
2007年12月22日，由中國(guó)南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司消化吸收日本川崎重工技術(shù)研發(fā)制造的首列時(shí)速300公里具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)高速動(dòng)車(chē)組CRH2-300出廠(chǎng)，標(biāo)志著我國(guó)成為第五個(gè)能自主設(shè)計(jì)并制造出300Km/h動(dòng)車(chē)組的國(guó)家。
2008年4月11日，中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子先進(jìn)技術(shù)研發(fā)的CRH3型高速動(dòng)車(chē)組成功下線(xiàn)，標(biāo)志著中國(guó)鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化取得又一重大成果，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上僅有的幾個(gè)能制造時(shí)速350公里高速動(dòng)車(chē)組的國(guó)家之一;2008年6月24日，CRH3型動(dòng)車(chē)組在京津城際鐵路創(chuàng)造394.3Km/h的中國(guó)鐵路第一速度[5]。
2010年，由中國(guó)南車(chē)集團(tuán)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限責(zé)任公司在CRH2-300基礎(chǔ)上自主研發(fā)的系列高速動(dòng)車(chē)組CRH380A下線(xiàn)，它在京滬高鐵的出現(xiàn)，極大的緩解了春運(yùn)鐵路輸送旅客的壓力，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。它的出現(xiàn)是中國(guó)高速鐵路史上的自主創(chuàng)新的里程碑，是中國(guó)高速鐵路發(fā)展的又一大跨步。
2011年5月，由中國(guó)北車(chē)集團(tuán)旗下唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司和長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限責(zé)任公司在CRH3型車(chē)基礎(chǔ)上聯(lián)合開(kāi)發(fā)的適合高寒環(huán)境的CRH380B型車(chē)下線(xiàn)。它主要服役于哈大高鐵，創(chuàng)造零下40攝氏度下正常行駛的歷史記錄，至此中國(guó)高鐵技術(shù)進(jìn)一步完善。
目前我國(guó)動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架主要采用H型焊接構(gòu)架，磨耗性踏面，無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)，主動(dòng)和半主動(dòng)懸掛裝置，有回轉(zhuǎn)阻尼，加裝彈性定位通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)來(lái)減輕輪軌沖擊等。
從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本學(xué)者對(duì)高速列車(chē)輕量化承載結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和可靠性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的理論實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和線(xiàn)路試驗(yàn)研究，提出承載結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的工程方法和延長(zhǎng)其使用壽命的理論方法。在工程上，對(duì)于設(shè)計(jì)階段的車(chē)輛承載結(jié)構(gòu)，主要依據(jù)JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷工況及載荷組合，利用Haigh形式的Goodman曲線(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析；對(duì)焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)根據(jù)日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)疲勞設(shè)計(jì)指南給出的疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)(即S-N曲線(xiàn))進(jìn)一步考核。同時(shí)進(jìn)行概率設(shè)計(jì)或按疲勞損傷理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力實(shí)施評(píng)估[6]。
對(duì)于車(chē)輪結(jié)構(gòu)，在歐洲鐵路行業(yè)，主要基于國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC510-5:2007《Technical approval of solid wheels》和歐洲EN13979-1:2004《Railway application- Wheelsets and bogies- Monobloc wheels-Technical approval procedure – Part 1:Forged and rolled wheels》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機(jī)械設(shè)計(jì)載荷和載荷工況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元法對(duì)車(chē)輪輻板進(jìn)行基于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的疲勞強(qiáng)度理論計(jì)算校；日本鐵路針對(duì)鐵道車(chē)輛車(chē)輪輻板的實(shí)驗(yàn)室疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究，也相應(yīng)提出了一套機(jī)械設(shè)計(jì)載荷和載荷工況確定方法：美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)S-600-83《機(jī)車(chē)和貨車(chē)車(chē)輪設(shè)計(jì)分析評(píng)定辦法》規(guī)定了計(jì)算載荷和工況，采用了安全系數(shù)比較的評(píng)定方法；對(duì)于車(chē)軸，目前國(guó)際上鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用以下兩種辦法：日本鐵路JIS標(biāo)準(zhǔn)和歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)度計(jì)算方法采用材料力學(xué)理論確定車(chē)軸危險(xiǎn)界面的應(yīng)力分布[7]。
我國(guó)在高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研究階段，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)滯后于車(chē)輛技術(shù)發(fā)展，在承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，主要根據(jù)服役環(huán)境和現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。
1.3 本論文主要研究?jī)?nèi)容及研究方法
本論文以中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司和長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限責(zé)任公司在CRH3基礎(chǔ)上聯(lián)合生產(chǎn)的和諧號(hào)CRH380B型動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ)，主要對(duì)以下工作進(jìn)行研究分析。
1、對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，了解轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)組成及各個(gè)零部件的作用。實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)向架的整體認(rèn)識(shí)到精確到個(gè)零件的細(xì)致認(rèn)識(shí)。
2、 在此基礎(chǔ)上，使用solidworks 2013軟件對(duì)CRH380B型動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架的所有零部件進(jìn)行三維造型，并進(jìn)行虛擬裝配。
3、將三維造型導(dǎo)入有限元分析軟件ansys workbench中，對(duì)車(chē)輪、車(chē)軸、一系彈簧進(jìn)行工況分析并根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。
2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析
2.1 轉(zhuǎn)向架概要
2.1.1 轉(zhuǎn)向架的作用及技術(shù)要求
轉(zhuǎn)向架是車(chē)輛的重要組成部分之一，它是車(chē)體與鋼軌的連接體，承載著車(chē)體、電氣設(shè)備和的重量并將這些重量經(jīng)過(guò)彈簧懸掛裝置傳遞到鋼軌上。承受并傳遞車(chē)體與輪軌之間的各種作用力及載荷。它是列車(chē)的傳力裝置，充分利用輪軌的粘著力，通過(guò)牽引裝置將列車(chē)制動(dòng)力和牽引力傳至車(chē)鉤，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的牽引和制動(dòng)。它將輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為車(chē)輛的走向，引導(dǎo)車(chē)輛順利通過(guò)各種曲線(xiàn)和道岔。同時(shí)，減小列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中由于線(xiàn)路問(wèn)題引起的震動(dòng)，減緩對(duì)列車(chē)的沖擊，提高列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。
因此，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)性能的好壞對(duì)車(chē)輛的使用壽命、行車(chē)安全、運(yùn)行性能、輪軌磨損有著直接的影響[8]。
這就需要轉(zhuǎn)向架具備以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：
（1）轉(zhuǎn)向架是車(chē)輛的獨(dú)立部件，應(yīng)盡量減少它與車(chē)輛的連接部件，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便。采用無(wú)磨耗 及不需維修的結(jié)構(gòu)形式，減少維修工作量。
（2）在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和使用壽命足夠的情況下盡量減輕自重。
（3）轉(zhuǎn)向架各零部件結(jié)構(gòu)材質(zhì)盡量一致。
（4）轉(zhuǎn)向架應(yīng)保證最佳的黏著條件，制動(dòng)性能良好，使車(chē)輛能在在規(guī)定距離內(nèi)停車(chē)。
（5）轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的減震性，減小列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的震動(dòng)和沖擊，提高列車(chē)運(yùn)行舒適感。
2.1.2 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)
CRH380B動(dòng)車(chē)組每列8輛編組，采用“四動(dòng)四拖”的編組構(gòu)成。主要技術(shù)參數(shù)為：
表2-1 CRH380B的主要技術(shù)參數(shù)
軌距[mm]
1435
最高運(yùn)營(yíng)速度[km/h]
380
固定軸距[mm]
2500
輪對(duì)內(nèi)側(cè)距[mm]
1353
新輪直徑[mm]
920
全磨損[mm]動(dòng)/拖
860/830
最大凈軸重（變形載荷）[t]
17±4%（最大17.68t）
一系懸掛
螺旋圓柱鋼彈簧
二系懸掛
空氣彈簧
二系縱向力傳遞方式
枕梁
傳動(dòng)
軸裝置平行軸傳動(dòng)裝置
牽引總功率（KW）
9200
機(jī)械制動(dòng)
輪盤(pán)制動(dòng)
連掛運(yùn)行時(shí)通過(guò)的最小曲線(xiàn)半徑[m]
150
單車(chē)運(yùn)行時(shí)通過(guò)的最小曲線(xiàn)半徑[m]：
250
2.2 轉(zhuǎn)向架的組成
CRH380B動(dòng)車(chē)組所用轉(zhuǎn)向架包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架兩種形式。轉(zhuǎn)向架主要由輪對(duì)、軸箱、一系彈簧懸掛裝置、構(gòu)架、二系彈簧懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置（動(dòng)力轉(zhuǎn)向架有）、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置7部分組成。
轉(zhuǎn)向架構(gòu)架構(gòu)架為H型焊接構(gòu)架；圓錐滾子軸承單元，軸徑130mm；轉(zhuǎn)臂軸箱定位，一系懸掛是螺旋彈簧加垂向減振器；二系懸掛為帶有輔助橡膠堆的空氣彈簧直接支撐車(chē)體；在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架之間裝有主動(dòng)控制的抗蛇行減振器；采用Z型拉桿牽引裝置。
2.2.1 輪對(duì)
輪對(duì)是轉(zhuǎn)向架和鋼軌的直接接觸部分，轉(zhuǎn)向架就是由它直接向鋼軌傳遞車(chē)輛重量。通過(guò)鋼軌間的黏著產(chǎn)生牽引力和制動(dòng)力，并通過(guò)輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在鋼軌上的走行和導(dǎo)向。輪對(duì)受載情況復(fù)雜而繁重，當(dāng)車(chē)輪經(jīng)過(guò)鋼軌接頭、道岔等線(xiàn)路不平順處，輪對(duì)直接承受全部側(cè)向和垂向的沖擊。因而為了保證車(chē)輛高速安全運(yùn)行，輪對(duì)必須具備足夠的強(qiáng)度；在滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求的前提下，使其重量盡量小，并具有一定彈性，以減小輪軌間的作用力；為保證轉(zhuǎn)向架的使用壽命阻力小，耐磨性好；能在直線(xiàn)和曲線(xiàn)區(qū)段靈活運(yùn)行，具有必要的抗脫軌安全性。
輪對(duì)由一根車(chē)軸和兩個(gè)車(chē)輪壓裝成一體。輪對(duì)分為動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架用和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架用。動(dòng)車(chē)輪對(duì)由車(chē)軸、車(chē)輪（帶有制動(dòng)盤(pán)）、齒輪裝置及軸承構(gòu)成；拖車(chē)輪對(duì)由車(chē)軸、車(chē)輪（帶有制動(dòng)盤(pán)）、周制動(dòng)盤(pán)以及軸承構(gòu)成。
（1）車(chē)軸
輪對(duì)組成中，車(chē)軸分為動(dòng)車(chē)軸和拖車(chē)軸。車(chē)軸為中空軸，中空直徑φ30mm，總長(zhǎng)為2180mm。材質(zhì)為EA4T 。車(chē)軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為EN13260。動(dòng)車(chē)軸由軸向軸承座、輪座、兩個(gè)制動(dòng)盤(pán)座，齒輪軸承座和軸身組成。拖車(chē)軸由軸箱軸承座、輪座、3個(gè)制動(dòng)盤(pán)和軸身組成。
（2）車(chē)輪
車(chē)輪是車(chē)輛的最終受力零件。它把車(chē)輛的載荷傳給鋼軌，并在鋼軌上轉(zhuǎn)動(dòng)，完成車(chē)輛運(yùn)行。CRH380B型車(chē)車(chē)輪采用整體車(chē)輪，包括輪緣、踏面、輪輞、輪轂、輪轂孔、輻板、輻板孔等部分。車(chē)輪材質(zhì)為R4T設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為EN132672。車(chē)輪內(nèi)外側(cè)均涂有吸音圖層。車(chē)輪的幾何參數(shù)為：
表2-2 CRH380B車(chē)輪的主要參數(shù)
新輪直徑
φ920mm
車(chē)輪全磨耗動(dòng)/拖
φ860mm/φ830mm
輪輞寬度
135mm
輪轂裝配直徑
φ191mm
輪轂寬度
175mm
2.2.2 軸箱
軸箱裝設(shè)在車(chē)軸的軸頸上，用來(lái)安設(shè)軸承，將輪對(duì)和側(cè)梁或構(gòu)架聯(lián)系在一起，固定軸距，使輪對(duì)沿鋼軌的滾動(dòng)轉(zhuǎn)化為車(chē)體沿線(xiàn)路的直線(xiàn)或曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；承受車(chē)體的重量，傳遞各方向的作用力；緩沖軸箱以上部分的振動(dòng)。防止塵土、雨水等物侵入及甩油，從而避免破壞油脂的潤(rùn)滑。保證良好的潤(rùn)滑性能，減少磨耗，降低運(yùn)行阻力。 軸箱裝置是連接輪對(duì)與構(gòu)架的活動(dòng)關(guān)節(jié)，除了傳遞各個(gè)方向的力和振動(dòng)外，軸箱必須保證輪對(duì)能夠適應(yīng)線(xiàn)路狀況而相對(duì)于構(gòu)架上下跳動(dòng)和左右橫動(dòng)。
軸箱裝置包括軸箱體、軸箱壓蓋、軸箱前蓋、軸箱后蓋、軸承組、橡膠彈性定位節(jié)點(diǎn)、軸溫檢測(cè)器及橡膠蓋等部件。
軸箱為鑄造件，材質(zhì)為球墨鑄鐵，采用EN-GJS-400-18-LT標(biāo)準(zhǔn)。
軸箱采用圓錐滾動(dòng)軸承軸箱，圓錐滾子軸承D130×240×160。軸箱裝置如圖2.1所示。
1- 轉(zhuǎn)臂；2-箍；3-防塵擋圈；4-軸承壓蓋； 5、6、7-螺栓、螺母、墊片 ；8、9-密封圈。
圖2.1 軸箱裝置
2.2.3 一系彈簧懸掛裝置
安裝在輪對(duì)與構(gòu)架之間的彈簧懸掛裝置稱(chēng)為一系彈簧懸掛裝置，也成為軸箱懸掛裝置。包括一個(gè)由內(nèi)外彈簧組成的圓簧組彈簧裝置、軸箱定位裝置和垂向減震器。外圈彈簧的總?cè)?shù)為4.9圈，工作圈數(shù)為3.2圈。內(nèi)圈彈簧的總?cè)?shù)為6.65圈，工作圈數(shù)為4.95圈。一系垂向減震器壓縮高為334.5mm，拉伸高為502.5mm，行程162mm。、一系彈簧懸掛裝置的作用是緩和鋼軌對(duì)機(jī)車(chē)的沖擊和振動(dòng)，給各軸一定的重量分配并使所分配重量在車(chē)輛行徑不平線(xiàn)路處不致發(fā)生顯著變化。約束軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的縱橫向運(yùn)動(dòng)和傳遞縱向力。
一系彈簧懸掛裝置應(yīng)便于一系定位剛度的選擇；零部件數(shù)量盡量減少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于檢修作業(yè)中的分解和組裝，便于實(shí)現(xiàn)輕量化；盡量減少磨耗，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。
2.2.4 構(gòu)架組成
CRH380B轉(zhuǎn)向架構(gòu)架共有兩種形式，分別是動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。兩者主體結(jié)構(gòu)基本相同，均采用H型焊接構(gòu)架，中空箱型構(gòu)件。強(qiáng)度依據(jù)UIC515-4和615-4計(jì)算。頭車(chē)的轉(zhuǎn)向架配備天線(xiàn)支座。構(gòu)架包括兩個(gè)平行設(shè)置的側(cè)梁,兩所述側(cè)梁之間設(shè)置有兩個(gè)平行設(shè)置的橫梁,所述橫梁與所述側(cè)梁通過(guò)曲面連接座焊接在一起,兩所述橫梁之間固定連接兩個(gè)平行設(shè)置的縱梁[9]。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上安裝牽引電機(jī)架安裝座和齒輪箱吊座等驅(qū)動(dòng)裝置，4個(gè)制動(dòng)吊座分別安裝在橫梁內(nèi)側(cè)。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的6個(gè)制動(dòng)吊座則分別安裝在橫向止擋座的制動(dòng)吊座橫梁上。
圖2.2 非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架
圖2.3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架
側(cè)梁向輪對(duì)傳遞垂向力、縱向力及橫向力，規(guī)定輪對(duì)的位置，保證構(gòu)架的剛度及各軸的平行度。它為5塊鋼板焊接而成的封閉箱體，分別為側(cè)梁下蓋板、側(cè)梁上蓋板和三塊立板和空氣彈簧導(dǎo)柱組成。
套筒
轉(zhuǎn)臂定位座
抗蛇形減震器
吊耳
空氣彈簧導(dǎo)柱
圖2.4 橫梁組成
上下蓋板為18mm的鋼板，外側(cè)立板采用14mm的鋼板整體壓型。內(nèi)側(cè)立板采用兩塊12mm的鋼板拼接組成。側(cè)梁上焊有抗蛇形減震器座、垂向減震器座、轉(zhuǎn)臂定位座、吊耳、連桿座等。橫梁為無(wú)縫鋼管，中空直徑為φ149.3mm,兩端外徑為φ190mm，中間外徑為φ180mm。材質(zhì)為S355J2H。橫梁上焊有牽引拉桿座，起吊止擋座、橫向止擋座。在動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上焊有齒輪安裝板，電機(jī)吊座，內(nèi)外減震器座。非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架則焊有軸盤(pán)制動(dòng)吊座。
2.2.5 二系中央懸掛裝置
二系懸掛裝置由空氣彈簧、抗蛇形減震器、橫向減震器、橫向緩沖器等組成。
橫向懸掛包括橫向減震器和橫向緩沖器。橡膠止擋用于通過(guò)其特性限制縱向的位移。保證加速和減速力的傳遞無(wú)沖擊。
高度調(diào)整水平閥和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的控制桿是用來(lái)調(diào)整輪對(duì)磨損帶來(lái)的高度變化的。車(chē)輛水平閥調(diào)節(jié)車(chē)輛垂向位移至死擋高度約±3mm，此時(shí)空氣流通停止。這樣就避免了空氣的過(guò)度消耗。在死擋之后，空氣流通增加保證懸掛系統(tǒng)的全功能。
二系懸掛采用空氣彈簧?？諝饣墒寝D(zhuǎn)向架構(gòu)架和車(chē)體之間的二級(jí)懸掛?？諝饣傻臋M向距離為1900mm。在壓縮空氣供應(yīng)失效的情況下，車(chē)體座落在空氣簧的應(yīng)急支乘上。取決于不同的軌道質(zhì)量，此時(shí)列車(chē)的旅行速度相應(yīng)降低以保證合適的乘坐舒適度。一個(gè)大附加空氣腔直接和空氣簧上方相連，這個(gè)空氣腔在轉(zhuǎn)向架上方的枕梁里?？諝鈶覓鞛閮牲c(diǎn)控制。每轉(zhuǎn)向架帶有一個(gè)水平閥。
2.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置
牽引電機(jī)安于懸掛的電機(jī)架上。電機(jī)架橫向具有彈性。安全桿用于固定電機(jī)并防止其向軌道的垂向移動(dòng)。安全桿插入轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中心橫梁和電機(jī)架的座中。為使齒輪裝置可垂向移動(dòng)，在牽引電機(jī)和齒輪裝置中間有一彈性連接器。
齒輪裝置的一端在軸的滾動(dòng)軸承中運(yùn)動(dòng)，另一端通過(guò)反力桿在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處懸掛。因此，約三分之二的齒輪質(zhì)重量為簧下質(zhì)量，三分之一的質(zhì)量為一系懸掛質(zhì)量（通過(guò)反力桿在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的懸掛）。安全止擋主要作用是當(dāng)反力桿損壞時(shí)防止齒輪裝置掉到軌道上。
轉(zhuǎn)向架連接的作用主要是限制車(chē)體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的縱向位移，限制車(chē)體的橫向位移和在不卸開(kāi)任何懸掛系統(tǒng)部件的情況下，轉(zhuǎn)向架可與車(chē)體一同被吊起。為此，在二系和一系懸掛處安裝安全吊起裝置。二系和一系懸掛處的安全吊起裝置可用簡(jiǎn)單常用的工具分離，使輪對(duì)和整個(gè)轉(zhuǎn)向架移出。
圖2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置
2.2.7 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置
與動(dòng)力車(chē)軸和非動(dòng)力車(chē)軸相對(duì)應(yīng)，制動(dòng)設(shè)備包括動(dòng)力軸的輪盤(pán)制動(dòng)盤(pán)和非動(dòng)力軸的制動(dòng)盤(pán)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)盤(pán)直徑為750mm，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)盤(pán)直徑為640mm。
非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上安裝軸裝制動(dòng)盤(pán)。每軸有3個(gè)制動(dòng)盤(pán)。每軸安一個(gè)帶彈簧作動(dòng)器的制動(dòng)夾鉗，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用輪盤(pán)制動(dòng)，每個(gè)輪上安裝輪盤(pán)制動(dòng)盤(pán)。
除制動(dòng)盤(pán)和車(chē)輪踏面之外裸露金屬表面都應(yīng)涂抹防銹油。
2.2.8 其他
潤(rùn)滑脂、砂箱安裝在車(chē)體上，砂通過(guò)軟管送到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的撒砂管。撒砂管主要通過(guò)電氣進(jìn)行加熱。
在每一司機(jī)室頭車(chē)的外側(cè)轉(zhuǎn)向架上安裝輪緣潤(rùn)滑裝置。它的作用是通過(guò)調(diào)整以適應(yīng)新輪和磨耗輪的噴嘴位置。
此外轉(zhuǎn)向架上還有轉(zhuǎn)向架診斷裝置、車(chē)輪防滑保護(hù)裝置、自動(dòng)過(guò)分感應(yīng)接收器等。
3 三維建模及虛擬裝配
3.1 三維建模
3.1.1 solidworks軟件介紹
Solidworks是美國(guó)solidworks公司推出的功能強(qiáng)大的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，自1995年問(wèn)世以來(lái)，以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率，在與同類(lèi)軟件的激烈競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)確立了其市場(chǎng)地位，成為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、造船、通用機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械和電子等諸多領(lǐng)域[10]。本文中主要通過(guò)solidworks 2013 對(duì)CRH380B轉(zhuǎn)向架的零部進(jìn)行三維建模。Solidworks為用戶(hù)提供了一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)頁(yè)面和鼠標(biāo)拖動(dòng)控制系統(tǒng)，最大程度的減少了多余的對(duì)話(huà)框，頁(yè)面簡(jiǎn)單明了。其次，它含有特征模版，里面包含大量的標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)模板，方便用戶(hù)的調(diào)取與使用。同時(shí)他提供了autoCAD模擬器，用戶(hù)可以通過(guò)autoCAD的二維制圖習(xí)慣進(jìn)行三維造型。Solidworks包含工程圖、零件圖、裝配體，用戶(hù)可以根據(jù)自己不同的需要，進(jìn)行同一零件的二維到三維的轉(zhuǎn)換。另外，用戶(hù)也可以通過(guò)調(diào)整草圖不同參數(shù)，方便快速的創(chuàng)造出相似的零件。Solidworks具有“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的特點(diǎn)，當(dāng)你對(duì)某一零件進(jìn)行改動(dòng)時(shí)，那么相應(yīng)的它的工程圖、裝配體都要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，方便用戶(hù)對(duì)所有零件進(jìn)行修正。
圖3.1 solidworks 2013 用戶(hù)界面
用solidworks進(jìn)行三維造型，主要步驟就是通過(guò)對(duì)二維草圖的進(jìn)行特征處理，使之成為三維圖形。具體步驟如下：首先要選取某一平面為草圖平面，進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)。草圖繪制實(shí)體包括：直線(xiàn)、矩形、圓弧、圓、橢圓。在草圖平面上繪制該零件在平面的投影圖形。進(jìn)行完尺寸標(biāo)注后，退出草圖平面。點(diǎn)擊command manager 工具欄的特征選項(xiàng)，通過(guò)拉伸凸臺(tái)、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)、拉伸切除等功能完成簡(jiǎn)單三維造型。再通過(guò)圓角等功能完成零件的細(xì)節(jié)處理，鏡像、陣列等功能完成相同零件的排列。
3.1.2 基本零件建模
(1)車(chē)輪的建模過(guò)程
車(chē)輪的建模步驟仿照車(chē)輪加工工藝過(guò)程。在車(chē)輪的加工過(guò)程中，先加工內(nèi)殼面、內(nèi)輻板、輪緣、內(nèi)輞面，然后翻身找正加工外殼面、外輻板、外輞面、踏面及孔， 其中輪緣、踏面在喉部接刀。
對(duì)應(yīng)相應(yīng)的加工過(guò)程，solidworks制作過(guò)程如圖所示：
1）拉輪坯。通過(guò)“拉伸凸臺(tái)”命令，根據(jù)尺寸制作出所需圓柱體。如圖3.2（a）所示。
2）切左輻板。對(duì)應(yīng)車(chē)輪加工過(guò)程中的加工內(nèi)殼面、內(nèi)輻板、輪緣、內(nèi)輞面過(guò)程。建立草圖后，通過(guò)“旋轉(zhuǎn)切除”命令，切除輪坯的多余部分。如圖3.2（b）所示。
3）切右輻板。對(duì)應(yīng)車(chē)輪加工過(guò)程中的加工外殼面、外輻板、輪緣、外輞面過(guò)程。與切左輻板建模過(guò)程一致。如圖3.2（c）所示。
4）拉輪轂孔。對(duì)應(yīng)車(chē)輪加工過(guò)程中的加工輪轂孔。主要通過(guò)“拉伸切除”命令來(lái)完成。如圖3.2（d）所示。
5）旋踏面。對(duì)應(yīng)車(chē)輪加工過(guò)程中踏面的加工。通過(guò)“旋轉(zhuǎn)切除”命令來(lái)完成。如圖3.2（e）所示。
6）添加材料。選擇所需車(chē)輪材料，點(diǎn)擊應(yīng)用。
（a）拉輪坯 （b）切左輻板 （c）切右輻板
（d）拉輪轂孔 （e）旋踏面
圖3.2 車(chē)輪的造型過(guò)程
（2）車(chē)軸的造型過(guò)程
利用多刀機(jī)床進(jìn)行車(chē)軸機(jī)械加工的工藝過(guò)程：
第工序1是加工端面和中心孔；
第2-3工序是粗加工車(chē)軸：
第4工序加工各輪座面和各軸肩進(jìn)行加工；
第5工序加工車(chē)軸中部，
第6工序修整兩個(gè)頂尖孔，同時(shí)將軸端車(chē)到191士0.3mm；
第7工序是粗磨車(chē)軸；
第8工序是滾壓抱軸瓦部分及與之相鄰的軸肩表面。
車(chē)輪的制作過(guò)程：
1） 因車(chē)軸是左右對(duì)稱(chēng)圖形，所以只對(duì)一側(cè)造型即可。根據(jù)車(chē)軸總體尺寸，拉出軸坯。如圖3.3（a）所示。
2） 切軸頸。如圖3.3(b)所示。
3） 依次切出防塵板座、輪座、軸身、制動(dòng)盤(pán)座。如圖3.3（c）所示。
4） 切中心孔。如圖3.3（d）所示。
5） 倒圓角。選取command manager 工具欄的特征選項(xiàng)中“倒角”，選取相關(guān)交線(xiàn)，給定圓角半徑值。如圖3.3（e）所示。
6） 選取command manager 工具欄的特征選項(xiàng)中“鏡像”，選取中間制動(dòng)盤(pán)座左平面為基準(zhǔn)面，選擇鏡像實(shí)體選項(xiàng)，點(diǎn)擊右側(cè)實(shí)體。如圖3.3（f）所示。
7） 添加材料。選擇所需車(chē)輪材料，點(diǎn)擊應(yīng)用，為實(shí)體添加材料。
（a）拉軸坯 （b）切軸頸
（c）切防塵板座、輪座、軸身、制動(dòng)盤(pán)座 （d）切中心孔
（f）鏡像 （e） 倒圓角
圖3.3 車(chē)軸的制作過(guò)程
（3）構(gòu)架的制作
構(gòu)架為對(duì)稱(chēng)部件，仍選取只對(duì)其四分之一進(jìn)行造型，之后分別進(jìn)行兩次鏡像。如圖3.4所示。
圖3.4 構(gòu)架
（4）彈簧的造型過(guò)程
彈簧的制造加工過(guò)程為：修正下料→端部加熱→鍛尖→加熱→卷繞→淬火→回火→強(qiáng)化處理（噴丸、強(qiáng)壓、滲碳）→磨平端面→試驗(yàn)或驗(yàn)收。
在solidworks中彈簧的造型，采用“三段直線(xiàn)法”造型。造型過(guò)程為，按照彈簧尺寸，分別在三張草圖中繪制三段首尾相接的直線(xiàn)，即滾子中心線(xiàn)。在繪制簧條圓。選擇掃描特征，方式為按路徑旋轉(zhuǎn)。使簧條圓依次沿三段直線(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描出上支撐圈、工作圈、下支撐圈。最后利用反側(cè)拉伸切除特征磨平支撐圈。如圖3.5所示。
（a）掃描下支撐圈 （b）掃描工作圈
（c）掃描上支撐圈 （d）磨平支撐圈
圖3.5 彈簧
其他零件按照類(lèi)似辦法在solidworks軟件中一次造型。
3.2 虛擬裝配
在完成轉(zhuǎn)向架的零部件造型后，分別進(jìn)行輪對(duì)裝配、軸箱裝配、一系彈簧懸掛裝置裝配、牽引裝置及總體裝配。
3.2.1 輪對(duì)軸箱裝置的裝配
輪對(duì)主要由2個(gè)車(chē)輪、3個(gè)制動(dòng)盤(pán)、1根車(chē)軸組成。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠(chǎng)采用以輪轂孔外端面定位壓裝車(chē)軸的輪對(duì)壓裝方法,根據(jù)相關(guān)工藝過(guò)程，在solidworks中進(jìn)行輪對(duì)裝配，如表3-1所示。
輪對(duì)如圖3.6所示。
表3-1 輪對(duì)的裝配過(guò)程
工藝過(guò)程
裝配過(guò)程
劃出車(chē)軸的全長(zhǎng)中心線(xiàn),并在車(chē)軸兩端軸頸上套上防護(hù)套;然后將選配好的車(chē)軸輪座表面、制動(dòng)盤(pán)座表面和車(chē)輪輪轂孔、制動(dòng)盤(pán)輪轂孔內(nèi)清掃干凈,并均勻地涂抹純凈植物油;最后中心制動(dòng)盤(pán)套裝在車(chē)軸的一端。
（1）將車(chē)軸插入裝配體內(nèi)，默認(rèn)為“固定”。
（2）依次插入兩個(gè)車(chē)軸和三個(gè)制動(dòng)盤(pán)。分別將它們的輪轂孔面和安裝座面設(shè)置配合方式為同軸心。
（3）依次將它們的前視基準(zhǔn)面與車(chē)軸的前視基準(zhǔn)面設(shè)置為重合。
壓裝中間制動(dòng)盤(pán)：通過(guò)專(zhuān)用對(duì)稱(chēng)尺劃出的車(chē)軸全長(zhǎng)中心線(xiàn), 啟動(dòng)壓力機(jī)進(jìn)行壓裝。
將中間制動(dòng)盤(pán)的右視基準(zhǔn)面與車(chē)軸的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為重合。
壓裝:啟動(dòng)壓力機(jī)進(jìn)行壓裝。壓裝到位后(操作者目測(cè)判斷),關(guān)機(jī)停壓(若在壓裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓力曲線(xiàn)不合格則立即停壓),打開(kāi)小車(chē)開(kāi)關(guān),將小車(chē)復(fù)位。
將左側(cè)制動(dòng)盤(pán)的右視基準(zhǔn)面與中間制動(dòng)盤(pán)的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為平行，距離為430。
調(diào)頭壓裝:將小車(chē)旋轉(zhuǎn)180°,再按同樣的過(guò)程壓裝另一側(cè)的制動(dòng)盤(pán)。
將右側(cè)制動(dòng)盤(pán)的右視基準(zhǔn)面與中間制動(dòng)盤(pán)的右視基準(zhǔn)面設(shè)置為平行，距離為430。
按照同樣的過(guò)程壓裝兩側(cè)的車(chē)輪。
選擇兩車(chē)輪的內(nèi)表面，設(shè)置為以車(chē)輪右視基準(zhǔn)面為對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)，距離為1353。
檢測(cè):車(chē)輪壓裝完成后,用專(zhuān)用尺仔細(xì)測(cè)量L和任意3處的距離差,并檢查輪位差和壓裝力大小以及壓力曲線(xiàn)是否合格。
記錄:對(duì)壓裝合格的輪對(duì),按照鐵輛[1998]2號(hào)文之附件5中的F5、2、7條的規(guī)定完成有關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。對(duì)壓裝不合格的輪對(duì),應(yīng)及時(shí)退卸并分析原因,妥善處理后重新壓裝。
圖3.6 輪對(duì)
軸箱裝置由防塵擋圈、軸承、軸承壓板、轉(zhuǎn)臂、箍、密封圈、軸端壓蓋組成。在裝配過(guò)程中將他們按照配合關(guān)系依次與輪對(duì)裝配在一起，而不進(jìn)行單獨(dú)組裝。主要配合關(guān)系為：防塵板座和車(chē)輪的配合、軸承與防塵板座的配合、軸承與軸承壓板的配合、轉(zhuǎn)臂與防塵板座的配合、轉(zhuǎn)臂與箍的配合以及軸承壓蓋與轉(zhuǎn)臂的配合。輪對(duì)軸箱裝置如圖3.7所示。
圖3.7 輪對(duì)軸箱裝置
3.2.2 一系彈簧懸掛裝置的裝配
一系彈簧懸掛裝置由圓簧組、疊層彈簧、彈簧墊板、調(diào)整墊、一系垂向減震器、支座、止擋銷(xiāo)等組成。主要配合關(guān)系為疊層彈簧與轉(zhuǎn)臂的配合，內(nèi)外簧的配合及它們和疊層彈簧、調(diào)整墊的配合，止擋銷(xiāo)和彈簧墊板的配合，一系垂向減震器和轉(zhuǎn)臂的配合。一系彈簧懸掛裝置的裝配如圖3.8所示：
圖3.8（a） 輪對(duì)軸箱裝置、一系彈簧懸掛裝置的裝配
圖3.8（b） 輪對(duì)軸箱裝置、一系彈簧懸掛裝置的爆炸視圖
3.2.3 牽引裝置的裝配
牽引裝置由牽引梁、中心銷(xiāo)套、連桿等組成。牽引裝置的裝配如圖3.9所示
圖3.9（a）牽引裝置 圖3.9（b）牽引裝置的爆炸視圖
3.2.4 轉(zhuǎn)向架整體裝配
轉(zhuǎn)向架模型如圖3.10所示
圖3.10 CRH380B轉(zhuǎn)向架
一系彈簧懸掛裝置
橫向減震器
構(gòu)架
輪對(duì)軸箱裝置
扭桿裝配
牽引裝置
二系中央懸掛裝置
圖3.11 轉(zhuǎn)向架爆炸視圖
4 強(qiáng)度分析
4.1 有限元分析
在數(shù)學(xué)研究中，有限元法是一種為求解偏微分方程問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。如利用多邊形無(wú)限逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)。有限元法的基本思想是“化整為零，積零為整”[13]。有限元分析是通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，將復(fù)雜問(wèn)題用簡(jiǎn)單問(wèn)題代替求解。在求解過(guò)程中，將復(fù)雜的模型劃分為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的有限元部分，每個(gè)有限元部分就會(huì)有一個(gè)通過(guò)簡(jiǎn)單方法可以得到的解，然后根據(jù)這個(gè)模型的多個(gè)約束條件，推導(dǎo)演算處這個(gè)模型的解。這個(gè)解雖然不是準(zhǔn)確解，但誤差極小。并且在實(shí)際生活中很多問(wèn)題都是沒(méi)有解的，所以這種方法在工程中得到很廣泛的應(yīng)用。
有限元分析通常分為三個(gè)單元：前置處理，計(jì)算求解，后置處理。前置處理是建立有限元模型，設(shè)置屬性，劃分單元網(wǎng)格。計(jì)算求解就是從單元推倒到總裝求解的過(guò)程。后置處理就是處理計(jì)算結(jié)果，得出圖形或者動(dòng)畫(huà)，得出結(jié)論以便于用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的提取和使用。
目前國(guó)內(nèi)主要使用的有限元分析軟件為Ansys、ADINA、COSMSO、FEPG等。
ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。ANSYS的組成如表4-1所示。
表4-1 ANSYS的組成
主要組成
功能
前處理模塊
實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分，方便用戶(hù)構(gòu)建有限元模型
分析計(jì)算模塊
結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用。
后處理模塊
將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。
ANSYS Workbench 是ANSYS 工程仿真技術(shù)集成平臺(tái)，它是用ANSYS求解實(shí)際問(wèn)題的新一代產(chǎn)品，ANSYS Workbench 中提供了與ANSYS系統(tǒng)求解器的強(qiáng)大交互功能，這種環(huán)境為CAD系統(tǒng)和CAE系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了全新的協(xié)同仿真環(huán)境平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了CAD-CAE參數(shù)雙向互動(dòng)，即CAD與CAE實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)鏈接與共享，CAD修改設(shè)計(jì)參數(shù)，CAE參數(shù)做出相應(yīng)的更改。[13]
4.2 CRH380B一系彈簧強(qiáng)度分析
4.2.1 彈簧簡(jiǎn)介
CRH380B所用外卷彈簧材料為60SiCrVAT，中徑為239.6mm，簧條直徑為39.4mm，工作圈數(shù)為3.2圈，總?cè)?shù)為4.9圈，彈簧的自由高度為撓度為75mm。材料參數(shù)：彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3,屈服強(qiáng)度為2000兆帕，剪切和扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力為950兆帕。,
4.2.2有限元分析過(guò)程及結(jié)果
圖4.1 彈簧的強(qiáng)度分析結(jié)果
由圖可知，彈簧的最大剪應(yīng)力為610兆帕，小于60SiCrVAT的許用應(yīng)力950兆帕。彈簧強(qiáng)度符合材料要求。我們知道在實(shí)際工作中，彈簧的破壞一般發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)由圖可知剪應(yīng)力最大處發(fā)生在彈簧的內(nèi)側(cè)，與實(shí)際情況一致。
4.3 CRH380B動(dòng)車(chē)組車(chē)輪強(qiáng)度分析
4.3.1 工況分析
車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪主要受到軸向力和橫向力。但由于運(yùn)行工況的不同，車(chē)輪所受到的兩種力的大小和車(chē)輪的受力位置是不相同的。
由UIC 510-5規(guī)程中的公式計(jì)算各個(gè)工況的載荷值如下，總共分為三種工況，車(chē)輪的受力分析圖如圖4.2所示：
工況一：直線(xiàn)運(yùn)行
式（4.1）
工況二：曲線(xiàn)運(yùn)行
式（4.2）
工況三：道岔運(yùn)行
式（4.3）
在上式中，Q是每個(gè)車(chē)輪作用在鋼軌上的平均質(zhì)量；g是重力加速度，取值為9.8m*s2；Fz是垂向力；Fy是橫向力[11]。
圖4.2 車(chē)輪踏面上的力和受力點(diǎn)
4.3.2 過(guò)程計(jì)算
每個(gè)車(chē)輪作用在鋼軌上的平均質(zhì)量=9009Kg;Q*g=88290N.經(jīng)計(jì)算得出：
工況一（直線(xiàn)運(yùn)行的情況下）：FZ1 =110362.5N; FY1=0N。
工況二（曲線(xiàn)運(yùn)行的情況下）：FZ2=110362.5N; FY2=61803N。
工礦三（道岔運(yùn)行的情況下）：FZ3=110362.5N;FZ3=37081.8N。
4.3.3 有限元分析
將車(chē)輪三維模型帶入 Ansys workbench ，分別對(duì)三種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析。
工況一（直線(xiàn)運(yùn)行的情況下）所得結(jié)果如圖4.2所示。
圖4.3 車(chē)輪直線(xiàn)運(yùn)行的強(qiáng)度分析
通過(guò)有限元分析結(jié)果可知，在直線(xiàn)運(yùn)行的情況下，車(chē)輪的最大應(yīng)力為78.8MPa,遠(yuǎn)小于車(chē)輪材料的許用應(yīng)力。按照日本標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在踏面與輪軌的接觸面，因不考慮車(chē)輪的過(guò)盈配合，與實(shí)際情況相符。
工況二（曲線(xiàn)運(yùn)行的情況下）所得結(jié)果如圖4.3所示。
圖4.4 車(chē)輪曲線(xiàn)運(yùn)行的強(qiáng)度分析
通過(guò)有限元分析結(jié)果可知 ，曲線(xiàn)運(yùn)行的情況下，車(chē)輪的最大應(yīng)力為198MPa，遠(yuǎn)小于日本標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力355MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)輪輻板與輪轂過(guò)渡區(qū)內(nèi)側(cè)圓弧上，與實(shí)際情況相符。
工況三（道岔運(yùn)行的情況下）所得結(jié)果如圖4.4所示。
圖4.5 道岔運(yùn)行情況下車(chē)輪的強(qiáng)度分析
由有限元分析結(jié)果可知，道岔運(yùn)行情況下，車(chē)輪的最大應(yīng)力為128MPa, 遠(yuǎn)小于日本標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力355MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)輪輻板與輪轂過(guò)渡區(qū)外側(cè)圓弧上，與實(shí)際情況相符。
4.4 CRH380B動(dòng)車(chē)組車(chē)軸強(qiáng)度分析
4.4.1計(jì)算過(guò)程
按照日本標(biāo)準(zhǔn)JIS-E-4501對(duì)車(chē)軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。該標(biāo)準(zhǔn)如表4-2所示。
表4-2日本標(biāo)準(zhǔn)中的動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)
線(xiàn)路狀態(tài)
線(xiàn)路等級(jí)
速度v/(km/h)
垂向動(dòng)荷系數(shù)αv
垂向動(dòng)荷系數(shù)αL
改進(jìn)的高速線(xiàn)
SA
200~350
0.0027v
0.03+0.0006v
高速線(xiàn)
A
150~280
0.0027v
0.03+0.00085v
改進(jìn)的即有線(xiàn)
A
60~160
0.0027v
0.04+0.0012v
<60
0.16
0.11
既有線(xiàn)
B
60~130
0.0052v
0.06+0.0018v
<60
0.31
0.17
圖4.6為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的車(chē)軸受力簡(jiǎn)圖[12]。
圖4.6 日本車(chē)軸設(shè)計(jì)載荷圖
以下各式確定就算輪座部位車(chē)軸的彎曲應(yīng)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是軸頸中心到輪座端部的距離；d是車(chē)軸直徑；g是車(chē)輪踏面間距；h是車(chē)軸中心線(xiàn)與重心位置的距離；j是軸頸間距；l是輪轂長(zhǎng)度；r是車(chē)輪半徑；Z是輪座處的抗彎截面模數(shù)；P是橫向力；Q0是P引起的軸頸上的垂向力；R0是P引起的踏面上的垂向力；W是軸箱彈簧上的重量；M1、M2和M3分別是P、垂向加速度和橫向力引起的踏面上的垂向力；αv和αL分別是垂向動(dòng)荷系數(shù)和橫向動(dòng)荷系數(shù)；σb、σwb分別是輪座處車(chē)軸的工作應(yīng)力和疲勞許用應(yīng)力；n是疲勞安全系數(shù)。
表4-3 CRH380B非動(dòng)力車(chē)軸參數(shù)
d(mm)
r(mm)
j(mm)
g(mm)
h(mm)
l(mm)
a(mm)
191
460
2000
1500
1370
175
165.5
表4-4 CRH380B非動(dòng)力車(chē)軸載荷計(jì)算結(jié)果
αv
αL
P(KN)
Q0(KN)
RO(KN)
W(KN)
1.026
0.258
43.8
30.0
53.9
170
表4-5 CRH380B非動(dòng)力車(chē)軸輪座處應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
M1(KN·㎜)
M2(KN·㎜)
M3(KN·㎜)
σb (Mpa)
n
21250
21802.5
25480.2
66.7
2.2
4.4.2 有限元分析
將solidworks中建立的車(chē)軸模型帶入 ansys workbench ，在輪座處施加載荷，一端載荷為200.04KN,另一端為139.96KN。強(qiáng)度分析結(jié)果如圖所示：
圖4.7 車(chē)軸的強(qiáng)度分析
由圖4.6可知，拖車(chē)車(chē)軸的最大應(yīng)力為59.1兆帕，出現(xiàn)在輪座處，根據(jù)JIS-E-4502取車(chē)軸輪座處的疲勞許用應(yīng)力為147MPa。顯然，車(chē)軸滿(mǎn)足靜強(qiáng)度需求。
結(jié) 論
本文在詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架的發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外強(qiáng)度分析的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的CRH380B型動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行研究。首先對(duì)CRH380B動(dòng)車(chē)組用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其次選擇使用solidworks軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架零部件進(jìn)行三維建模及虛擬裝配。通過(guò)裝配過(guò)程了解轉(zhuǎn)向架零部件之間的裝配關(guān)系。通過(guò)爆炸視圖，體現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的各個(gè)部分組成，配合轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)分析清楚明了了解轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成及各部分功能。
本文選擇了ANSYS WORKBENCH 插件對(duì)車(chē)輪、車(chē)軸、一系彈簧懸掛裝置用外簧進(jìn)行強(qiáng)度分析。
基于有限元法對(duì)彈簧進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，可以發(fā)現(xiàn)彈簧的最大剪應(yīng)力發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)，與彈簧發(fā)生破壞的實(shí)際情況一致。彈簧的最大剪應(yīng)力滿(mǎn)足材料的許用應(yīng)力要求。
基于有限元法對(duì)車(chē)軸進(jìn)行強(qiáng)度分析。首先按照UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)確定靜強(qiáng)度分析的三種載荷工況，建立車(chē)輪的應(yīng)力計(jì)算模型，模擬應(yīng)力變化規(guī)律，通過(guò)軟件計(jì)算得出的應(yīng)力云圖得到以下結(jié)論：直線(xiàn)運(yùn)行情況下，最大應(yīng)力為78.8兆帕，出現(xiàn)在踏面與輪軌的接觸面。曲線(xiàn)運(yùn)行情況下，最大應(yīng)力為198兆帕，出現(xiàn)在在車(chē)輪輻板與輪轂過(guò)渡區(qū)內(nèi)側(cè)圓弧上，道岔運(yùn)行情況下，最大應(yīng)力為128兆帕，出現(xiàn)在車(chē)輪輻板與輪轂過(guò)渡區(qū)外側(cè)圓弧上。
車(chē)輪運(yùn)行的最大應(yīng)力發(fā)生在曲線(xiàn)運(yùn)行的情況下。三種載荷工況下的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于車(chē)輪材料的許用應(yīng)力355兆帕，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
基于有限元法車(chē)軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，建立拖車(chē)車(chē)軸的三維模型，將模型帶入到ANSYS Workbench 中，按照J(rèn)IS-E-4501標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車(chē)軸的靜強(qiáng)度分析，得到以下結(jié)論：拖車(chē)車(chē)軸的最大應(yīng)力為59.1兆帕，出現(xiàn)在輪座處，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力147兆帕，所以