屈鳴鶴 華莎

摘 要：CRH380A/AL高速列車(chē)制動(dòng)模式主要為盤(pán)形制動(dòng)，其中包括輪盤(pán)制動(dòng)和軸盤(pán)制動(dòng)。本文通過(guò)利用SolidWorks軟件，基于SolidWorks Simulation對(duì)CRH380A/AL帶軸盤(pán)制動(dòng)的拖車(chē)輪對(duì)進(jìn)行有限元分析，并探討CRH380A/AL動(dòng)車(chē)組制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片接觸時(shí)的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而分析制動(dòng)過(guò)程對(duì)空心車(chē)軸的影響。結(jié)果表明，當(dāng)CRH380A/AL動(dòng)車(chē)組高速制動(dòng)過(guò)程中，除制動(dòng)盤(pán)外，空心車(chē)軸制動(dòng)盤(pán)座和輪盤(pán)座受熱最嚴(yán)重。此外，該部位受到的應(yīng)力也為空心車(chē)軸受到的最大應(yīng)力，空心車(chē)軸軸身處疲勞壽命損壞嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：SolidWorks;CRH380A/AL;有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U269.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）32-0107-03

Analysis of Braking Effect on Hollow Axle of CRH380A/AL EMU

QU Minghe1 HUA Sha2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070;

2. China Railway First Group Electric Engineering Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054）

Abstract： The braking mode of CRH380A/AL high-speed train is mainly disc braking， which includes wheel disc braking and axle disc braking. In this paper， the finite element analysis of CRH380A/AL trailer wheel pair with axle disc brake was carried out based on SolidWorks software and SolidWorks Simulation， and the stress distribution when the brake disc contacts the brake disc during the braking of CRH380A/AL EMU was discussed， then the influence of braking process on hollow axle was analyzed. The results showed that the hollow axle brake seat and wheel seat were heated most seriously during the high-speed braking process of CRH380A/AL EMU except the brake disc. In addition， the stress on this part was also the maximum stress on the hollow axle， and the fatigue life of the hollow axle body was seriously damaged.

Keywords： SolidWorks;CRH380A/AL;finite element analysis

本文運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks對(duì)CRH380A/AL拖車(chē)輪軸模型進(jìn)行建模，并運(yùn)用其插件SolidWorks Simulation對(duì)CRH380A/AL帶軸盤(pán)制動(dòng)的拖車(chē)輪對(duì)進(jìn)行有限元分析，通過(guò)SolidWorks軟件的Simulation插件對(duì)其施加載荷對(duì)空心車(chē)軸進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，制動(dòng)盤(pán)座與空心車(chē)軸連接處產(chǎn)生最大應(yīng)力，并確定受熱分布情況以及疲勞損壞嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)部位。

1 CRH380A/AL制動(dòng)應(yīng)力分析

將在SolidWorks中創(chuàng)建好的三維模型打開(kāi)，之后在SolidWorks插件中加載出Simulation模塊，創(chuàng)建新算例（靜應(yīng)力分析）[1]。首先定義材料。實(shí)際CRH380A/AL車(chē)軸為CZ60鋼，車(chē)輪為CL60鋼，由于其材料參數(shù)與普通碳鋼接近，因此在CAE過(guò)程中，車(chē)軸和車(chē)輪均使用普通碳鋼代替。CRH380A/AL動(dòng)車(chē)組制動(dòng)盤(pán)采用鑄鋼材料，但由于Solidworks材料有限，輪盤(pán)材料采用鑄造合金鋼，軸盤(pán)材料采用鑄造碳鋼，其散熱筋采用鋁青銅材料。其次，添加夾具[2]。由于列車(chē)勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)車(chē)軸相對(duì)制動(dòng)閘片是靜止的，因此給車(chē)軸添加夾具約束。再者，添加外部載荷。制動(dòng)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)閘片壓緊制動(dòng)盤(pán)，壓制壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ亮?，進(jìn)而達(dá)到制動(dòng)的效果。因此，在制動(dòng)盤(pán)上添加制動(dòng)力矩和制動(dòng)力?？倝褐茐毫Γ瑔挝粔毫與壓壞密度和所壓粉末的壓制性能有關(guān)。通常，不銹鋼的單位壓制力為700～800MPa。由于鑄鋼材質(zhì)與不銹鋼近似，單位壓制壓力在此采用750MPa。添加制動(dòng)力和制動(dòng)力矩[3]，劃分網(wǎng)格（見(jiàn)圖1），運(yùn)算算例，得出結(jié)果，如圖2所示，最大應(yīng)力產(chǎn)生于制動(dòng)盤(pán)座與空心軸接觸的中心線處。

CRH380A/AL動(dòng)車(chē)組制動(dòng)過(guò)程中，最大應(yīng)力接近于最大屈服應(yīng)力，如果安全系數(shù)為1，最大許用應(yīng)力接近屈服極限應(yīng)力224MPa，但沒(méi)超過(guò)屈服極限應(yīng)力，故滿(mǎn)足要求。但是，實(shí)際中，高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)效率不會(huì)到達(dá)100%，故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置處于車(chē)軸制動(dòng)盤(pán)座空心內(nèi)部表面，如圖2所示。通過(guò)探測(cè)功能，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，接近于空心軸內(nèi)部位置的地方產(chǎn)生相對(duì)較大的應(yīng)力，隨著車(chē)軸直徑的增加，應(yīng)力相對(duì)減小。

2 CRH380A/AL制動(dòng)熱力分析

為更好地模擬實(shí)際制動(dòng)情況，先進(jìn)行熱力分析，再進(jìn)行靜應(yīng)力分析以及疲勞壽命分析。首先，添加熱力分析算例，然后添加熱力載荷。列車(chē)運(yùn)行在空氣中，空氣的對(duì)流系數(shù)為5～25，本算例中取20。我國(guó)平均溫度大約在20℃左右，因此，在算例中模擬20℃（293K）情況下的氣溫狀態(tài)[4]。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，輪對(duì)上所有外表面均與空氣接觸，因此添加接觸表面。其次，計(jì)算制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤(pán)接觸產(chǎn)生的熱能，其熱流量為547 300W/㎡。將該熱流量添加到軸盤(pán)和輪盤(pán)與制動(dòng)閘片接觸的表面。最后，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行運(yùn)算。熱力分布結(jié)果如圖3所示。

將上述熱力結(jié)果添加到新的靜應(yīng)力計(jì)算算例中，仿照之前的靜應(yīng)力計(jì)算過(guò)程，劃分網(wǎng)格，計(jì)算算例。結(jié)果表明：受熱最嚴(yán)重的部位為散熱筋?？招能?chē)軸制動(dòng)盤(pán)座和輪盤(pán)座受熱最嚴(yán)重，同時(shí)空心車(chē)軸制動(dòng)盤(pán)座和輪盤(pán)座受到的應(yīng)力也為空心車(chē)軸受到的最大應(yīng)力。

3 CRH380A/AL制動(dòng)疲勞壽命分析

在熱力和應(yīng)力計(jì)算結(jié)束后，進(jìn)行疲勞壽命分析。首先，添加疲勞算例，在“計(jì)算交替應(yīng)力的手段”中添加“等應(yīng)力（Von Mises）”，設(shè)計(jì)疲勞算例的“疲勞強(qiáng)度縮減因子”取1.0。其次，定義S-N曲線。根據(jù)已選擇好的各部分的材料，在“疲勞SN、曲線”選項(xiàng)中，選擇其“基于ASMS奧氏體鋼曲線”[5]。再次，定義疲勞事件。最后，運(yùn)行算例。輪對(duì)疲勞壽命結(jié)果如圖4所示，除制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)夾片接觸部位外，車(chē)軸軸身部中間部位首先損壞，損壞百分比可達(dá)到100%[6]。

4 結(jié)論

針對(duì)制動(dòng)時(shí)CRH380A/AL動(dòng)車(chē)組的拖車(chē)車(chē)軸及制動(dòng)盤(pán)受力情況，利用SolidWorks2018 Simulation有限元分析驗(yàn)證了緊急制動(dòng)時(shí)空心車(chē)軸結(jié)構(gòu)的的可靠性。在制動(dòng)過(guò)程中，接近于空心軸內(nèi)部位置的地方產(chǎn)生相對(duì)較大的應(yīng)力，隨著車(chē)軸直徑增加，應(yīng)力相對(duì)減小。因此，對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組空心車(chē)軸設(shè)計(jì)，尤其是空心車(chē)軸制動(dòng)盤(pán)座的設(shè)計(jì)，應(yīng)合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)SolidWorks Simulation有限元分析，表明高速列車(chē)采用軸盤(pán)緊急制動(dòng)時(shí)，最大應(yīng)力接近屈服應(yīng)力極限，在設(shè)計(jì)空心車(chē)軸時(shí)應(yīng)合理采用車(chē)軸材料，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)空心車(chē)軸的結(jié)構(gòu)，以避免制動(dòng)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力導(dǎo)致車(chē)軸斷裂。對(duì)于空心車(chē)軸，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)車(chē)軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)，從而有效降低空心車(chē)軸軸身部位疲勞損壞比。

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